第一章绪论
1.1选题背景及其意义
水下航行器空间一般运动有六个自由度，其中包括重心空间运动的三个自由度和航行器绕重心旋转的三个自由度，描述其运动需要有十二个独立变量(运动参数)。其自动控制系统的主要作用就是对运动参数的部分或全部进行自动控制，使航行器按战术、技术要求的弹道航行。水下航行器自控系统由航行器主体(被控对象)和自动控制装置按照闭环负反馈原理组成。自动控制装置是由中央处理器(可以是单片机或微处理器)作为核心控制，加上若干个敏感元件，执行机构系统中的控制元件等电路组成。因此，整个系统除单片机之外，还有一些分离器件做在一些印刷电路板上。这种系统结构的缺点是:①体积大;②可靠性差，因为印刷电路板的可靠性远赶不上集成电路的可靠性，其抗干扰能力及抗破坏能力均不及集成电路强;③由于系统均由通用的分离器件组成，作为军用产品，其保密性太差。如果能将单片机及其外围电路集成在一块芯片上，则能克服上述缺点。因此，本论文的主要工作是对水下航行器自控系统的集成设计技术进行研究。
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1.2专用集成电路(ASIC)高层次设计方法概述
本论文将采用高级综合方法进行水下航行器自控系统集成设计(ASIC设计)的研究。高级综合方法代表了当今EDA的发展趋势，它使EDA技术获得了前所未有的发展。为了进行自动化的设计，需要用硬件描述语言来描述电路。硬件描述语言VHDL是工EEE制定的工业标准硬件描述语言，它具有很强的硬件描述能力。自20世纪80年代末，VHDL语一言和高级综合在权威的IEEE和欧洲电子设计自动化年会上始终处于关注的焦点。特别是1996年6月召开的工EEE第33届国际自动化设计年会(DAC)指出，以VHDL语言和高级综合为代表的高层次设计方法已深入人心，其设计效率数倍乃至十数倍高于传统的设计方法。本节将对高级综合与VHDL语言作综合性论述。
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第二章基于VHDL系统的算法级行为描述
2.1水下航行器自控系统分析
水下航行器自控系统的结构框图如图2.1所示。由图可见，水下航行器自控系统是以8051单片机为核心控制器的控制系统。其外围电路包括:①压力传感器的预处理电路、模数转换器(A/D);②数模转换器(D/A)、执行机构中的控制电路;③GPS25定位装置的主机板电路、RS232接口电路、电平转换电路;④TCMZ磁方位传感器的电子线路板电路、RS232接口电路、电平转换电路、串行口扩展电路;⑤外部程序存储器(2764A);⑥外部数据存储器(6264)等。考虑到容量的原因，在本次集成设计中将主要研究除虚线外的外围电路与单片机8051集成在单个芯片上。由于单片机8051为水下航行器自控系统的数据处理与控制单元，单片机外部的各功能模块，在单片机的控制下，接收其发出的数据，或向其传送数据。显然，水下航行器自控系统分析的第一步在于对8051单片机系统结构的分析。
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2.2系统的算法级行为描述
目前，大多数高级综合系统采用vHDL算法级行为描述作为设计输入‘络:ll，但VHDL的语义本质是基于模拟而非基于高级综合的，许多语法现象不能或不适于进行综合。因此，本文将在下一章研究VHDL的可综合性问题，并选取了一个VHDL高级综合子集。本章就是按照这个VHDL子集的语言结构进行系统的算法级行为描述的。
2.2.1算法级行为描述的特征
算法级行为描述的内容为高层次电路行为，不涉及底层元件，不区分数据处理(组合逻辑)与数据寄存(时序逻辑)。
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第三章ASIC高级综合的理论与方法···········37
3.1VHDL综合子集的确立··············37
3.2设计表示的中间数据格式···········44
3.3操作调度算法··············58
3.4资源分配·················79
3.5控制信息的提取·······88
3.6小结··········92
第四章高级综合实现的初步研究··········94
4.1《Talent2000ASIC高层次自动设计系统》·········94
4.2高级综合实现的初步研究··········95
4.3小结······105
第五章水下航行器自动控制系统的软件设计
在第一章绪论中曾经说过，对于集成系统，在单个芯片内集成了一些嵌入式硬件以及为完成特定功能所必须的嵌入式软件。本章将研究水下航行器自控系统的软件设计。水下航行器自控系统软件的主要功能是对航行器的运动参数进行自动控制，以保证航行器按战术、技术要求的弹道航行。因此，水下航行器自控系统的软件设计是水下航行器自控系统集成设计的一个重要组成部分。本章将首先建立水下航行器空间运动方程组，为控制系统设计奠定基础，然后将从工程应用的角度出发研究两种变结构控制方法:输出反馈变结构控制方法和非线性变结构控制方法。将详细讨论这两种变结构方法的理论、设计步骤、水下航行器变结构控制系统设计、仿真等内容。
5.1水下航行器空间运动方程组的建立
5.1.1水下航行器的坐标系
为了研究水下航行器的运动，应选用一些坐标系。一般来说，坐标系的选择是任意的，但是，如果坐标系选取得当，会给讨论问题带来方便。
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第六章全文总结
本文所采用的基于VHDL高级综合的ASIC设计方法是目前国内外ASIC设计业普遍关注的热点研究课题，它代表了当今EDA的发展趋势。目前，该方法在国内尚未达到实用化程度。因此本文采用该方法对某型水下航行器自控系统的集成设计进行研究，将为我国EDA技术的发展作出创造性的贡献。本文完成的研究工作如下:
1.对基于VHDL高级综合的高层次设计方法进行了综合性评论，阐明了高级综合的主要任务，并指出了该设计方法在当今ASIC设计中的重要地位和与RTL综合方法相比所具有的优点。在对当前高级综合技术的发展现状进行了分析研究的基础上，阐述了己出现的高级综合系统中尚需解决的问题。VHDL是目前国际上最流行的硬件描述语言。本文阐述了该语言与其他语言相比所具有的优点，并给出了其描述能力的范围。
2.系统分析是进行系统集成设计的第一步，分析的过程就是对系统功能及要求的深入研究。本文对系统的核心控制器8051单片机的总体性能、特点及其结构进行了分析，对MCS一51的指令系统做了概括性介绍，并给出了其CPU的时序。本文还提出了8051单片机与外围电路接口的设计方案，该设计方案简单合理，是切实可行的。在此基础上，本文给出了系统的结构框图。
3.高级综合的输入是系统的算法级行为描述。本文对VHDL语法结构进行了深入研究，提出了关于算法级行为描述的特征和行为描述的策略，由此设计了某型水下航行器自控系统的算法级行为描述程序，该程序VHDL编码结构良好，可读性强，约3000行左右。本文还提出了复杂数字系统的模拟策略，设计了VHDL测试基准程序，完成了系统功能模块的模拟验证。
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