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《SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)》教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)章節(jié):7.2全異步電路設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)1.掌握亞穩(wěn)態(tài)的基本概念和產(chǎn)生原因;2.掌握異步控制信號(hào)的同步和RTL實(shí)現(xiàn)。教學(xué)重點(diǎn)異步信號(hào)與同步電路交互的基本方法教學(xué)難點(diǎn)異步控制信號(hào)的同步教學(xué)方法與手段講授、板書(shū)和幻燈片相結(jié)合教學(xué)進(jìn)程中師生互動(dòng)教師與學(xué)生一起討論對(duì)異步信號(hào)進(jìn)行同步的基本方法教學(xué)內(nèi)容時(shí)間安排1.導(dǎo)入通過(guò)回顧之前數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)或集成電路設(shè)計(jì)課程中講解的有關(guān)異步電路的基本概念、異步電路和同步電路的區(qū)別,引入本章節(jié)要介紹的關(guān)于異步電路設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題。2.目標(biāo)給出本次課的學(xué)習(xí)目標(biāo),要求大家:(1).掌握異步電路設(shè)計(jì)的基本概念;(2).掌握異步信號(hào)與同步電路交互的基本方法;(3).掌握異步控制信號(hào)的同步和RTL實(shí)現(xiàn)。3.前測(cè)課前要求同學(xué)提前預(yù)習(xí)本章節(jié)中有關(guān)異步電路基本原理以及優(yōu)缺點(diǎn)。開(kāi)始正式講解本章內(nèi)容前,通過(guò)判斷難題和選題題形式進(jìn)行前測(cè),了解學(xué)生對(duì)基本概念的掌握情況。根據(jù)前測(cè)結(jié)果對(duì)教學(xué)內(nèi)容和進(jìn)度進(jìn)行微調(diào),如果平均準(zhǔn)確度低于85%,則需要多花5-10分鐘對(duì)異步電路的基本概念進(jìn)行回顧。前測(cè)題題目如下:(1).判斷題異步設(shè)計(jì)跟同步設(shè)計(jì)最大的不同就是它的電路中的數(shù)據(jù)傳輸可以在任何時(shí)候發(fā)生,電路中沒(méi)有一個(gè)全局的或局部的控制時(shí)鐘。()(2).多選題下面關(guān)于異步電路設(shè)計(jì)描述正確的是()。A.異步電路因?yàn)槭褂梦帐中盘?hào)進(jìn)行模塊間的通信,模塊互連后的功能不會(huì)受各個(gè)模塊內(nèi)部延時(shí)的影響,更不需要重新修改模塊設(shè)計(jì)。B.異步電路使用握手信號(hào)進(jìn)行通信,電路的延遲只會(huì)影響工作速度,不會(huì)影響電路行為,電路的物理設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單,并且對(duì)工藝偏差不敏感。C.異步電路的性能由電路的平均延遲決定,理論上比同步電路可以達(dá)到更高的速度。D.異步電路則由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),僅在需要處理數(shù)據(jù)時(shí)才消耗能量,具有低功耗的潛力4.章節(jié)內(nèi)容講授(1).首先通過(guò)如圖1所示的波形圖,介紹亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因。如圖所示,如果異步信號(hào)adat的下降沿正好發(fā)生在bclk時(shí)鐘的上升沿附近,這樣就違反了觸發(fā)器的建立時(shí)間或保持時(shí)間,從而第2個(gè)觸發(fā)器鎖定了一個(gè)不確定的值,這個(gè)值可以是1,也可以是0,更有可能是一個(gè)物理上的不定態(tài)x——無(wú)效電平的狀態(tài)。這種違反了觸發(fā)器保持或建立時(shí)間且使觸發(fā)器鎖存到一個(gè)無(wú)效電平的狀態(tài)稱(chēng)作亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。圖1亞穩(wěn)態(tài)示意圖(2).然后,如下圖2所示,講解通過(guò)同步器解決亞穩(wěn)態(tài)的方法。異步信號(hào)只有在經(jīng)過(guò)目的時(shí)鐘域的兩級(jí)觸發(fā)器采樣后,才會(huì)對(duì)目的時(shí)鐘域的后續(xù)電路起作用。這樣的由雙觸發(fā)器構(gòu)成的異步信號(hào)采樣邏輯被稱(chēng)作同步器(Synchronizer)。如圖2所示,雖然第一級(jí)觸發(fā)器(bdat1)在采樣異步信號(hào)的時(shí)候可能進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài),但是經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期的延時(shí),當(dāng)?shù)诙?jí)觸發(fā)器(bdat2)采樣其輸出端信號(hào)時(shí),它已經(jīng)回復(fù)到一個(gè)有效電平的穩(wěn)定狀態(tài),從而第二級(jí)觸發(fā)器不會(huì)再出現(xiàn)亞穩(wěn)態(tài),從而防止了亞穩(wěn)態(tài)在整個(gè)電路中傳播。圖2亞穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的解決辦法(3).最后,講解快時(shí)鐘同步慢時(shí)鐘域下的異步控制信號(hào)和慢時(shí)鐘同步快時(shí)鐘域下的異步控制信號(hào)的RTL代碼,分別如圖3和圖4所示。在講解過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生,和學(xué)生一起討論兩種情況下HDL的實(shí)現(xiàn)方案。圖3快時(shí)鐘同步慢時(shí)鐘信號(hào)示意圖圖4慢時(shí)鐘同步快時(shí)鐘信號(hào)示意圖5.后測(cè)通過(guò)發(fā)布小測(cè)驗(yàn),檢驗(yàn)學(xué)生課上學(xué)習(xí)情況,題目如下:(1).請(qǐng)簡(jiǎn)要說(shuō)明亞穩(wěn)態(tài)出現(xiàn)的原因以及避免亞穩(wěn)態(tài)在電路中傳播的方法。(2).請(qǐng)簡(jiǎn)述常見(jiàn)的異步控制信號(hào)的同步方法。6.總結(jié)對(duì)本節(jié)課堂教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié),并布置作業(yè)。課堂總結(jié):(1).回顧亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的原因和解決辦法。(2).梳理異步控制信號(hào)的同步方法。(3).布置作業(yè):采用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)異步控制信號(hào)的同步處理。5分鐘5分鐘5分鐘20分鐘5分鐘5分鐘《SoC設(shè)計(jì)方法與實(shí)現(xiàn)》教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)章節(jié):11.1~11.4低功耗設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)1.掌握功耗的基本類(lèi)型;2.掌握常見(jiàn)的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)。教學(xué)重點(diǎn)SoC中的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)教學(xué)難點(diǎn)SoC中的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)教學(xué)方法與手段講授、板書(shū)和幻燈片相結(jié)合教學(xué)內(nèi)容時(shí)間安排1.導(dǎo)入通過(guò)講解數(shù)據(jù)中心和移動(dòng)終端這兩種當(dāng)前常見(jiàn)的IT基礎(chǔ)設(shè)施中存在的嚴(yán)重功耗問(wèn)題,使學(xué)生理解進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的必要性和重要性,從而引出本章節(jié)的相關(guān)授課內(nèi)容。2.目標(biāo)給出本次課的學(xué)習(xí)目標(biāo),要求大家:(1).理解功耗的類(lèi)型和產(chǎn)生原因;(2).掌握常見(jiàn)的低功耗設(shè)計(jì)方法;3.章節(jié)內(nèi)容講授(1).首先給出動(dòng)態(tài)功耗的基本概念,它是由翻轉(zhuǎn)電流和短路電流引起的功耗。其中,翻轉(zhuǎn)電流引起的功耗稱(chēng)為翻轉(zhuǎn)功耗,短路電流引起的功耗稱(chēng)為短路功耗。通過(guò)圖1推導(dǎo)動(dòng)態(tài)功耗的計(jì)算公式,,并分析公式中各組成部分含義。圖1CMOS電路中的動(dòng)態(tài)電流(2).然后,給出靜態(tài)功耗的概念,它主要是由漏電流引起的功耗,其中漏電流由以下幾部分組成:PN結(jié)反向電流I1,源極和漏極之間的亞閾值漏電流I2,柵極漏電流I3,柵極和襯底之間的隧道漏電流I4,如圖2所示。警惕啊功耗的計(jì)算公式為。圖2漏電流(3).最后,講解常見(jiàn)的低功耗設(shè)計(jì)方法,包括:工藝優(yōu)化、電壓優(yōu)化、門(mén)控時(shí)鐘優(yōu)化、門(mén)級(jí)優(yōu)化。此外,講授如何在SoC中通過(guò)軟硬件結(jié)合的方法達(dá)到降低低功耗的目的。5.后測(cè)通過(guò)發(fā)布小測(cè)驗(yàn),檢驗(yàn)學(xué)生課上學(xué)習(xí)情況,題目如下:(1).下列有關(guān)功耗的敘述正確的是()。多選題A.CMOS電路的功耗由靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗兩部分組成。B.負(fù)載電容充放電時(shí)引起的功耗,稱(chēng)為動(dòng)態(tài)功耗。C.漏電流引起的功耗,稱(chēng)為靜態(tài)功耗。D.動(dòng)態(tài)功耗又可進(jìn)一步細(xì)分為翻轉(zhuǎn)功耗和短路功耗。(2).請(qǐng)畫(huà)出門(mén)控時(shí)鐘的結(jié)構(gòu),并簡(jiǎn)
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