1.1 电子系统概述

1.1.1 电子系统基本类型

1）电子系统

通常将由电子元器件或部件组成的能够产生、传输或处理电信号及信息的客观实体称为电子系统，如通信系统、雷达系统、计算机系统、电子测量系统、自动控制系统等。这些应用系统在功能与结构上具有高度的综合性、层次性和复杂性。当前VCD与DVD播放机已成为大众化的家电产品，这些产品看似普通，但它们也属于集多种高新技术为一体的复杂系统，必须在VLSI微电子技术的基础上实现。DVD播放机系统框图如图1-1所示。

2）电子系统的基本类型

（1）模拟电子系统。模拟电路是构成各种电子系统的基础，模拟电子系统将各类待处理的物理量通过各种传感器转换为电信号，使电信号的电压、电流、相位、频率等参数与某物理量具有直接的对应关系。经过处理的电信号有的需要还原成模拟量，如电视系统将光信号转换成电信号，再将电信号转换成光信号；有的则转换成其他物理量，如测量温度的仪表将温度转换成电信号后经处理再转换成磁信号，通过指针表示温度值。模拟系统的主要优点是：在整个处理过程中，电信号的有关参数始终与原始物理量有着直接的对应关系——模拟关系。应该注意不管是模拟电子系统还是数字电子系统，都要用到模拟电子电路，切不可将模拟电子系统与数字电子系统混为一谈，认为在某个领域中模拟电子系统将被数字电子系统取代，或者是模拟电路将被数字电路取代。应当明确：模拟电子电路在各类电子信息系统中都有重要的作用。目前，模拟电路的设计有两种方法：人工设计与计算机辅助设计（CAD）。

（2）数字电子系统。数字电子系统简称数字系统，含有控制电路（或称控制器）和受控电路（或称数据处理器）的数字电路称为数字系统。已集成化为一片集成块的电路，尽管器件内部含有控制量和受控量两部分，一般将其看做器件而不是数字系统。数字系统的规模大小不一，有的内部逻辑关系复杂，直接对这样大的系统进行逻辑电路一级设计是十分困难的，往往需要把较大规模的系统划分为若干较小规模的小型数字系统（或称子系统），再注意对各个小型数字系统进行逻辑电路级的设计（逻辑电路级设计是指选用具体的集成器件并设计出正确的连接关系，以实现逻辑要求）。数字系统可分为两大类——同步数字系统和异步数字系统。目前，异步数字系统还没有统一、规范的设计方法，主要采用模块设计法——依靠经验，采用试凑的方法。还包括：寄存器传输语言（RTL，Register Transfer Language）设计法、ASM（Algorithmic State Machine）图设计法、MDS（Memonic Documented State）图设计法、MCU图设计法等。

（3）模拟、数字混合系统。

（4）微处理器（单片机、嵌入式）系统。

（5）DSP（数字信号处理）系统。

现代大型、复杂的电子系统一般总是上述5种类型或前4种类型的集成，而一些简单的系统，可能就是其中的某一种。以硬件实现的DSP系统的设计可在掌握DSP的理论和算法的前提下，借助数字系统的设计方法完成；以软件实现的DSP系统的设计可在掌握DSP的理论和算法的前提下，借助微型计算机系统的程序设计方法和硬件配置方法完成；混合系统的设计可将模拟电子系统与数字电子系统的设计方法结合起来去完成。从设计的角度来说，掌握了模拟电子系统、数字电子系统、微处理器系统的基本设计方法，就能够设计出现代复杂的电子系统。

1.1.2 电子系统设计的基本内容与方法

设计是构思和创造并以最佳方式将设想向现实转化的活动过程，一般是根据已经提出的技术设想，制定出具体、明确并可付诸实施的方案。在一定条件下，以当代先进技术满足社会需求为目标，寻求高效率、高质量地完成设计的方法。

1.1.2.1 电子系统设计基本内容

通常所说的电子系统设计一般包括：拟定性能指标、电子系统的预设计、试验和修改设计等环节。分为方案论证、初步设计、技术设计、试制与实验、设计定型五个阶段。衡量设计的标准是：工作稳定可靠，能达到所要求的性能目标，并留有适当的余量；电路简单，成本低；所采用的元器件品种少，体积小，且货源充足，便于生产、测试和维修。电子系统设计的基本内容包括：

（1）明确电子信息系统设计的技术条件（任务书）；

（2）选择电源的种类；

（3）确定负荷容量（功耗）；

（4）设计电路原理图、接线图、安装图、装配图；

（5）选择电子、电器元件以及执行元件，制定电子、电器元器件明细表；

（6）画出电动机、执行元件、控制部件及检测元件总布局图；

（7）设计机箱、面板、印制电路板、接线板及非标准电气和专用安装零件；

（8）编写设计文档。

1.1.2.2 电子系统设计的一般方法

基于系统功能与结构上的层次性，电子系统设计的一般方法有如下几种。

1）自底向上法（Bottom-Up）

自底向上法是根据要实现的系统功能要求，首先从现有的可用的元件中选出合适的元件，设计成一个个部件。当一个部件不能直接实现系统的某个功能时，就需要设计由多个部件组成的子系统去实现该功能。上述过程一直进行到系统要求的全部功能都实现为止。该方法的优点是可以继承使用经过验证的成熟的部件与子系统，从而可以实现设计重用，减少设计的重复劳动，提高设计效率。其缺点是设计过程中设计人员的思想受限于现成的可用的元件，故不容易实现系统化的、清晰易懂的、可靠性高的、维护性好的设计。一般应用于小规模电子系统设计及组装与测试。

2）自顶向下法（Top-Down）

自顶向下法首先从系统级设计开始。系统级的设计任务是：根据原始设计指标或用户的需求，将系统的功能全面、准确地描述出来，即将系统的输入/输出（I/O）关系全面、准确地描述出来，然后进行子系统级设计。具体地讲，就是根据系统级设计所描述的功能，将系统划分和定义为一个个适当的能够实现某一功能的相对独立的子系统。每个子系统的功能（即输入/输出关系）必须全面、准确地描述出来，子系统之间的联系也必须全面、准确地描述出来。例如，移动电话应有收信和发信的功能，就必须分别安排一个接收机子系统和一个发射机子系统，还必须安排一个微处理器作为内务管理和用户操作界面管理子系统，此外，天线和电源等子系统也必不可少。子系统的划分、定义和互连完成后从下级部件向上级去进行设计，即设计或选用一些部件去组成可实现既定功能的子系统。部件级的设计完成后再进行最后的元件级设计，选用适当的元件去实现该部件的功能。

自顶向下法是一种概念驱动的设计方法。该方法要求在整个设计过程中尽量运用概念（即抽象）去描述和分析设计对象，而不要过早地考虑实现该设计的具体电路、元器件和工艺，以便抓住主要矛盾，避开具体细节，这样才能控制住设计的复杂性。整个设计在概念上的演化从顶层到底层应当由概括到展开、由粗略到精细。只有当整个设计在概念上得到了验证与优化，才能考虑“采用什么电路、元器件和工艺去实现该设计”这类具体问题。此外，设计人员在运用该方法时还必须遵循下列原则：

（1）正确性和完备性原则；

（2）模块化和结构化原则；

（3）问题不下放原则；

（4）高层主导原则；

（5）直观性和清晰性原则。

3）以自顶向下法为主导并结合使用自底向上法（TD&BU Combined）

在近代的电子信息系统设计中，为实现设计可重复使用及对系统进行模块化测试，通常采用以自顶向下法为主导并结合使用自底向上法。这种方法既能保证实现系统化的、清晰易懂的、可靠性高的、可维护性好的设计，又能减少设计的重复劳动，提高设计效率。这对于以IP核为基础的VLSI片上系统的设计特别重要，因而得到普遍采用。

进行一项大型的、复杂的系统设计，实际上是一个自顶向下的过程，是一个上下多次反复进行修改的过程。

由于现代电子系统所采用的技术越来越先进，功能越来越强，结构越来越复杂，用传统的手工设计方法是无法设计的，也不能满足越来越短的研制周期的要求，只有采用先进的EDA工具才能完成设计任务。设计者必须具备坚实的电路与系统的理论知识，对模拟、数字、微处理器和DSP的工程设计均要熟悉，还要熟悉使用 EDA工具设计电子信息系统的流程。另外，EDA工具必须配有丰富的库（元器件图形符号库、元器件模型库、工艺参数库、标准单元库、可重用的电路模块库、IP 库等），这样才有好的设计功能、高效率及具体工艺实现的可行性（由设计文档变成产品）。

前面介绍了电子信息系统的一般设计步骤，下面分别介绍模拟电子系统、数字电子系统等的设计、制作、调试方法，电子信息系统的一般设计方法和步骤对各种类型电子系统的设计都起着导向、规范与统筹的作用，保证系统设计遵循正确的方法。虽然下面所列的这些设计步骤最初是面向采用通用集成电路和印制电路板去实现电子信息系统的方法，但只要将使用新器件、新工艺来实现电子信息系统的新方法绑定到这些设计步骤上，它们也适用于诸如基于CPLD或ASIC芯片等新器件来进行电子信息系统设计的EDA方法。