1.1 電子系統概述

1.1.1 電子系統基本類型

1）電子系統

通常將由電子元器件或部件組成的能夠產生、傳輸或處理電信號及信息的客觀實體稱為電子系統，如通信系統、雷達系統、計算機系統、電子測量系統、自動控制系統等。這些應用系統在功能與結構上具有高度的綜合性、層次性和復雜性。當前VCD與DVD播放機已成為大眾化的家電產品，這些產品看似普通，但它們也屬于集多種高新技術為一體的復雜系統，必須在VLSI微電子技術的基礎上實現。DVD播放機系統框圖如圖1-1所示。

2）電子系統的基本類型

（1）模擬電子系統。模擬電路是構成各種電子系統的基礎，模擬電子系統將各類待處理的物理量通過各種傳感器轉換為電信號，使電信號的電壓、電流、相位、頻率等參數與某物理量具有直接的對應關系。經過處理的電信號有的需要還原成模擬量，如電視系統將光信號轉換成電信號，再將電信號轉換成光信號；有的則轉換成其他物理量，如測量溫度的儀表將溫度轉換成電信號后經處理再轉換成磁信號，通過指針表示溫度值。模擬系統的主要優點是：在整個處理過程中，電信號的有關參數始終與原始物理量有著直接的對應關系——模擬關系。應該注意不管是模擬電子系統還是數字電子系統，都要用到模擬電子電路，切不可將模擬電子系統與數字電子系統混為一談，認為在某個領域中模擬電子系統將被數字電子系統取代，或者是模擬電路將被數字電路取代。應當明確：模擬電子電路在各類電子信息系統中都有重要的作用。目前，模擬電路的設計有兩種方法：人工設計與計算機輔助設計（CAD）。

（2）數字電子系統。數字電子系統簡稱數字系統，含有控制電路（或稱控制器）和受控電路（或稱數據處理器）的數字電路稱為數字系統。已集成化為一片集成塊的電路，盡管器件內部含有控制量和受控量兩部分，一般將其看做器件而不是數字系統。數字系統的規模大小不一，有的內部邏輯關系復雜，直接對這樣大的系統進行邏輯電路一級設計是十分困難的，往往需要把較大規模的系統劃分為若干較小規模的小型數字系統（或稱子系統），再注意對各個小型數字系統進行邏輯電路級的設計（邏輯電路級設計是指選用具體的集成器件并設計出正確的連接關系，以實現邏輯要求）。數字系統可分為兩大類——同步數字系統和異步數字系統。目前，異步數字系統還沒有統一、規范的設計方法，主要采用模塊設計法——依靠經驗，采用試湊的方法。還包括：寄存器傳輸語言（RTL，Register Transfer Language）設計法、ASM（Algorithmic State Machine）圖設計法、MDS（Memonic Documented State）圖設計法、MCU圖設計法等。

（3）模擬、數字混合系統。

（4）微處理器（單片機、嵌入式）系統。

（5）DSP（數字信號處理）系統。

現代大型、復雜的電子系統一般總是上述5種類型或前4種類型的集成，而一些簡單的系統，可能就是其中的某一種。以硬件實現的DSP系統的設計可在掌握DSP的理論和算法的前提下，借助數字系統的設計方法完成；以軟件實現的DSP系統的設計可在掌握DSP的理論和算法的前提下，借助微型計算機系統的程序設計方法和硬件配置方法完成；混合系統的設計可將模擬電子系統與數字電子系統的設計方法結合起來去完成。從設計的角度來說，掌握了模擬電子系統、數字電子系統、微處理器系統的基本設計方法，就能夠設計出現代復雜的電子系統。

1.1.2 電子系統設計的基本內容與方法

設計是構思和創造并以最佳方式將設想向現實轉化的活動過程，一般是根據已經提出的技術設想，制定出具體、明確并可付諸實施的方案。在一定條件下，以當代先進技術滿足社會需求為目標，尋求高效率、高質量地完成設計的方法。

1.1.2.1 電子系統設計基本內容

通常所說的電子系統設計一般包括：擬定性能指標、電子系統的預設計、試驗和修改設計等環節。分為方案論證、初步設計、技術設計、試制與實驗、設計定型五個階段。衡量設計的標準是：工作穩定可靠，能達到所要求的性能目標，并留有適當的余量；電路簡單，成本低；所采用的元器件品種少，體積小，且貨源充足，便于生產、測試和維修。電子系統設計的基本內容包括：

（1）明確電子信息系統設計的技術條件（任務書）；

（2）選擇電源的種類；

（3）確定負荷容量（功耗）；

（4）設計電路原理圖、接線圖、安裝圖、裝配圖；

（5）選擇電子、電器元件以及執行元件，制定電子、電器元器件明細表；

（6）畫出電動機、執行元件、控制部件及檢測元件總布局圖；

（7）設計機箱、面板、印制電路板、接線板及非標準電氣和專用安裝零件；

（8）編寫設計文檔。

1.1.2.2 電子系統設計的一般方法

基于系統功能與結構上的層次性，電子系統設計的一般方法有如下幾種。

1）自底向上法（Bottom-Up）

自底向上法是根據要實現的系統功能要求，首先從現有的可用的元件中選出合適的元件，設計成一個個部件。當一個部件不能直接實現系統的某個功能時，就需要設計由多個部件組成的子系統去實現該功能。上述過程一直進行到系統要求的全部功能都實現為止。該方法的優點是可以繼承使用經過驗證的成熟的部件與子系統，從而可以實現設計重用，減少設計的重復勞動，提高設計效率。其缺點是設計過程中設計人員的思想受限于現成的可用的元件，故不容易實現系統化的、清晰易懂的、可靠性高的、維護性好的設計。一般應用于小規模電子系統設計及組裝與測試。

2）自頂向下法（Top-Down）

自頂向下法首先從系統級設計開始。系統級的設計任務是：根據原始設計指標或用戶的需求，將系統的功能全面、準確地描述出來，即將系統的輸入/輸出（I/O）關系全面、準確地描述出來，然后進行子系統級設計。具體地講，就是根據系統級設計所描述的功能，將系統劃分和定義為一個個適當的能夠實現某一功能的相對獨立的子系統。每個子系統的功能（即輸入/輸出關系）必須全面、準確地描述出來，子系統之間的聯系也必須全面、準確地描述出來。例如，移動電話應有收信和發信的功能，就必須分別安排一個接收機子系統和一個發射機子系統，還必須安排一個微處理器作為內務管理和用戶操作界面管理子系統，此外，天線和電源等子系統也必不可少。子系統的劃分、定義和互連完成后從下級部件向上級去進行設計，即設計或選用一些部件去組成可實現既定功能的子系統。部件級的設計完成后再進行最后的元件級設計，選用適當的元件去實現該部件的功能。

自頂向下法是一種概念驅動的設計方法。該方法要求在整個設計過程中盡量運用概念（即抽象）去描述和分析設計對象，而不要過早地考慮實現該設計的具體電路、元器件和工藝，以便抓住主要矛盾，避開具體細節，這樣才能控制住設計的復雜性。整個設計在概念上的演化從頂層到底層應當由概括到展開、由粗略到精細。只有當整個設計在概念上得到了驗證與優化，才能考慮“采用什么電路、元器件和工藝去實現該設計”這類具體問題。此外，設計人員在運用該方法時還必須遵循下列原則：

（1）正確性和完備性原則；

（2）模塊化和結構化原則；

（3）問題不下放原則；

（4）高層主導原則；

（5）直觀性和清晰性原則。

3）以自頂向下法為主導并結合使用自底向上法（TD&BU Combined）

在近代的電子信息系統設計中，為實現設計可重復使用及對系統進行模塊化測試，通常采用以自頂向下法為主導并結合使用自底向上法。這種方法既能保證實現系統化的、清晰易懂的、可靠性高的、可維護性好的設計，又能減少設計的重復勞動，提高設計效率。這對于以IP核為基礎的VLSI片上系統的設計特別重要，因而得到普遍采用。

進行一項大型的、復雜的系統設計，實際上是一個自頂向下的過程，是一個上下多次反復進行修改的過程。

由于現代電子系統所采用的技術越來越先進，功能越來越強，結構越來越復雜，用傳統的手工設計方法是無法設計的，也不能滿足越來越短的研制周期的要求，只有采用先進的EDA工具才能完成設計任務。設計者必須具備堅實的電路與系統的理論知識，對模擬、數字、微處理器和DSP的工程設計均要熟悉，還要熟悉使用 EDA工具設計電子信息系統的流程。另外，EDA工具必須配有豐富的庫（元器件圖形符號庫、元器件模型庫、工藝參數庫、標準單元庫、可重用的電路模塊庫、IP 庫等），這樣才有好的設計功能、高效率及具體工藝實現的可行性（由設計文檔變成產品）。

前面介紹了電子信息系統的一般設計步驟，下面分別介紹模擬電子系統、數字電子系統等的設計、制作、調試方法，電子信息系統的一般設計方法和步驟對各種類型電子系統的設計都起著導向、規范與統籌的作用，保證系統設計遵循正確的方法。雖然下面所列的這些設計步驟最初是面向采用通用集成電路和印制電路板去實現電子信息系統的方法，但只要將使用新器件、新工藝來實現電子信息系統的新方法綁定到這些設計步驟上，它們也適用于諸如基于CPLD或ASIC芯片等新器件來進行電子信息系統設計的EDA方法。