數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展及基本概念ppt課件

1、計算機開展及數(shù)字電子技術(shù)根本概念西安交通大學 電氣工程學院 寧改娣第1章1.1 計算機的開展1.2 微處置器、微控制器及嵌入式處置器1.3 數(shù)字電子技術(shù)根本概念1.4 數(shù)字電子技術(shù)的重要性2022/7/161.1 計算機的開展計算機是數(shù)字電路的代表，其開展根本由電子器件推進。真空電子管計算機1946.21955.10 ENIAC服役9年2022/7/161.1 計算機的開展續(xù)晶體管計算機1960年，晶體管替代電子管的第二代計算機出如今商業(yè)領(lǐng)域、大學和政府部門的計算機。配備:打印機、磁帶、磁盤、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等。言語：出現(xiàn)COBOL和FORTRAN等高級言語，以單詞、語句和數(shù)學公式替代了含混晦澀

2、的二進制機器碼。新的職業(yè)出現(xiàn)：程序員、計算機系統(tǒng)專家等由此誕生。2022/7/161.1 計算機的開展 續(xù)2022/7/16集成電路計算機1.1 計算機的開展 續(xù)第四代量子、光子、生物等未來計算機 “電子計算機從真空管、晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路，開關(guān)元件尺寸越做越小，然而由于量子效應的存在，集成電路技術(shù)如今正逼近其極限0.2nm的工藝根本單元-量子比特q-bit可代表多個數(shù)，大數(shù)因式分解ms級。目前計算機難以短期實現(xiàn)。光子計算機光子比電子快，存儲量大，能量耗費小。生物計算機即脫氧核糖核酸DNA分子計算機。蛋白質(zhì)分子比電子元件小很多；生物芯片具有并行處置才干快10萬倍；一旦缺點可自我修

3、復；具有生物活性，可以與人體大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。2022/7/16Central Device of a multi chip Micro Computer System CPU(ALU、Reg)Two basic architectures:“Von Neumann“- Architecture“Harvard“ Architecture“Von Neumann - Architecture:Shared memory space between code and dataShared memory busses between code and data“Harvard Architect

4、ure:Two independent memory spaces for code and dataTwo memory bus systems for code and data?1.2 微處置器、微控制器及嵌入式處置器1、Microprocessor(P)或Microprocessor UnitMPU微處置器:P如Intel的CPUIntel 80 x86CPU存儲器數(shù)據(jù)和指令數(shù)據(jù)總線地址總線馮諾依曼構(gòu)造CPU程序存儲器或CACHE數(shù)據(jù)存儲器DRAM數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線雙口RAM 哈佛構(gòu)造改良型1、Microprocessor (P) 微處置器特點：多采用馮.諾依曼構(gòu)造；普遍

5、沒有DMA通道控制器、定時器等外設；普遍沒有通用存儲器及接口和IO接口，比如，微機原理學習的Intel8088/8086，需求244/245/373構(gòu)成BUS；Intel8087浮點運算協(xié)處置器，8255PPI、8253/8254Timer、8237DMA、中斷控制器8259、8250/8251串行通訊接口等。普遍功耗較大，如Intel的CPU多在20100W，PowerPC最小也要510W。1、Microprocessor (P) 微處置器構(gòu)成的典型系統(tǒng)多用于計算機，Example:Your Desktop PC Micro Computer = Microprocessor(P) + Me

6、mory + PeripheralsMicroprocessorCode - MemoryData - MemoryClockTimer/CounterAnalogue OutDigital InAnalogue InDigital InMemory BusPeripheral Bus比如，MCS-51單片機Nothing more than a Micro Computer as a single silicon chip!Guarantee cost efficient and powerful solutions for embedded control applicationsOver

7、 200 independent families of C Both P Architectures (“Von Neumann and “Harvard) are used inside Microcontrollers多用于實時控制2、微控制器(Microcontroller，C) 或Micro-controller Unit，MCU DSP Core Similar to a Microprocessor(P), e.g. core of a computing systemAdditional Hardware Units to speed up computing of sophi

8、sticated mathematical operations:Additional Hardware Multiply Unit(s)Additional data memory addresses Arithmetic Unit(s)Additional Bus Systems for parallel accessAdditional Hardware Shifter for scaling and/or multiply/divide by 2nDSP Similar to a Microcontroller (C) Include a DSP core + Peripherals

9、適宜于快速數(shù)字處置Digital Signal Processor Core (DSP Core) DSP核以及DSP狹義上講，嵌入式處置器是一種處置器的IP核IntellectualPropertycore開發(fā)公司開發(fā)出處置器，本身不消費芯片，轉(zhuǎn)讓設計答應主要產(chǎn)品有：ARMAdvanced RISC Machines公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola結(jié)合開發(fā)的PowerPC。從廣義上講，MPU、MCU、DSP等都叫微處置器或嵌入式處置器。一切相關(guān)課程微機原理、單片機、DSP、嵌入式系統(tǒng)學習有類似性，根底是數(shù)字電子技術(shù)。 3、嵌入式處置器1.

10、3 數(shù)字電子技術(shù)根本概念目前為止的數(shù)字世界是0和1的世界物質(zhì)根底決議了0、1世界電子開關(guān)數(shù)字運算規(guī)那么簡單0、1二進制數(shù)適宜邏輯運算0、1與“真和“假對應用二進制表示數(shù)據(jù)具有抗干擾才干強，可靠性高等優(yōu)點。2022/7/161.3 數(shù)字電子技術(shù)根本概念模擬信號和數(shù)字信號2022/7/16模擬信號：在時間上和數(shù)值上均是延續(xù)的。數(shù)字信號：在時間上和數(shù)值上均是離散的。tV(t)高電平低電平上升沿下降沿 有兩種邏輯體制： 正邏輯體制規(guī)定：高電平為邏輯1，低電平為邏輯0。 負邏輯體制規(guī)定：低電平為邏輯1，高電平為邏輯0。正邏輯與負邏輯數(shù)字信號是一種二值信號高電平和低電平，可以由兩個數(shù)字來表示比如，1和0。

11、如何表示呢？ 邏輯0 邏輯0 邏輯0 邏輯1 邏輯1 電源電壓為“強1；0V為“強0，實踐為一區(qū)域2022/7/16模擬信號的二進制數(shù)表示2022/7/16要將一個模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，普通由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。比如，用8位ADC器件，只能由0255共28個整數(shù)表示。第三個采樣點的模擬值接近5V11111101。17模擬信號的優(yōu)點、缺陷優(yōu)點：可以準確表示原信號由于不存在量化誤差，它可以對自然界物理量的真實值進展盡能夠逼近的描畫模擬信號處置比數(shù)字信號處置更簡單。模擬信號的處置可以直接經(jīng)過模擬電路組件例如運算放大器等實現(xiàn)，而數(shù)字信號處置往往涉及復雜的算法，甚至需求專門的數(shù)字信號處置器。缺陷：易受干

12、擾，呵斥信號失真不易儲存、復原及控制嚴密性差。比如模擬通訊，尤其是微波通訊和有線通訊，很容易被竊聽。只需收到模擬信號，就容易得到通訊內(nèi)容P.42022/7/1618數(shù)字信號的優(yōu)點、缺陷優(yōu)點：所處置的數(shù)字信號只需兩種取值(1、0；電路抗干擾才干強，信息便于長期存儲便于計算機處置、輔助設計等嚴密性好。比如，語音信號經(jīng)ADC后，可以先進展加密處置，再進展傳輸，在接納端解密后再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC復原成模擬信號。缺陷：只能表示信號的近似值占用頻帶較寬，比如語音通訊進展模/數(shù)轉(zhuǎn)換時會帶來量化誤差。P.42022/7/16脈沖信號的技術(shù)目的上升時間tr、下降時間tf 、占空比q2022/7/16電子電路模擬電

13、路模擬信號模擬信號數(shù)字電路數(shù)字信號數(shù)字信號數(shù)字系統(tǒng)根本框架數(shù)字電路分類組合邏輯電路根本單元“門時序邏輯電路根本單元“觸發(fā)器門電路能實現(xiàn)邏輯運算的電路稱為門電路gate circuits。每一種門電路的輸入與輸出之間，都有一定的邏輯關(guān)系。邏輯是指“條件與“結(jié)果的關(guān)系。輸入信號反映“條件，輸出反映“結(jié)果 。利用門電路可以組成具有各種邏輯功能的組合邏輯電路。除根本“與、“或和“非門電路之外，常用的門電路還有與非、或非、與或非等門電路。一切門電路都有系列化集成電路產(chǎn)品供選用。2022/7/16觸發(fā)器觸發(fā)器是具有記憶或存儲1位二值信息的一種邏輯電路。它有兩個穩(wěn)定形狀，可以存儲1位二值代碼或數(shù)碼，觸發(fā)器具

14、有以下兩個特點：1有兩種能自行堅持的穩(wěn)定形狀，分別表示二進制數(shù)0和1或者二值信息邏輯0和邏輯1；2在適當觸發(fā)信號作用下，電路可從一種穩(wěn)定形狀轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定形狀；當觸發(fā)信號消逝后，電路可以堅持現(xiàn)有形狀不變。2022/7/16根本電路元件:晶體三極管場效應管集成運算放大器根本模擬電路: 信號放大及運算 (信號放大、功率放大 信號處置采樣堅持、電壓比較、有源濾波 信號發(fā)生正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、2022/7/1625模擬電路研討的問題根本電路元件 門電路 觸發(fā)器根本數(shù)字電路 組合邏輯電路不具備記憶功能 時序電路存放器、計數(shù)器、脈沖發(fā)生器、 脈沖整形電路 可編程邏輯器件PLD 存儲器、 A/D轉(zhuǎn)

15、換器、D/A轉(zhuǎn)換器其底層是半導體器件2022/7/1626數(shù)字電路研討的問題數(shù)字電路特點總結(jié) 電路構(gòu)造簡單，便于集成化 可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾才干強 數(shù)字運算的可反復性好 可完成數(shù)字運算和邏輯運算、信號存儲等 容易采用計算機輔助設計 有能夠經(jīng)過編程改動芯片的邏輯功能PLD2022/7/161.4 數(shù)字電路課程的重要性是一門電類專業(yè)必修的專業(yè)根底課程，這門課程的掌握情況直接關(guān)系到其它專業(yè)課程的學習和科研訓練。是單片機、微型計算機原理的先修課程是走進數(shù)字時代的第一入門課程大轉(zhuǎn)機性課程是很多院校某些專業(yè)考研課程數(shù)字電路是實際性很強的一門課程。數(shù)電實驗是非常非常重要的一個學習環(huán)節(jié)，所以作為單獨的一門課

16、程，不及格要重修實驗。2022/7/16數(shù)字電路課程學時分配課程和實驗是教學方案中的2門課數(shù)字電子技術(shù) ：56 學 分：3.5電子技術(shù)實驗2：24 學 分：0.75上課及實驗教材：制止盜版、嚴禁復印教材2022/7/16課堂教學考核方式平常成果20上課到課率作業(yè)師生的一種溝通方式閉卷考試802022/7/16 每個學生都有本人的學習方法，個人建議：抓住重點注重實際:電子技術(shù)課程的實際性很強，掌握根本實際知識，訓練設計、組裝、測試和排查缺點等才干。留意培育自學才干:電子技術(shù)是一門迅速開展的學科，必需靠不斷學習，才干跟上開展步伐。注重課堂:歡迎舉手討論，班干部多溝通維持紀律按時完成作業(yè)，嚴厲按照規(guī)

17、定時間交作業(yè)。 課程學習方法2022/7/1631不論數(shù)字系統(tǒng)的復雜程度如何，規(guī)模大小怎樣，根本內(nèi)容是一樣的。本教材從數(shù)字系統(tǒng)根底的數(shù)制和碼制的引見入手，逐漸引領(lǐng)大家向數(shù)字系統(tǒng)的深一層次邁進，掌握以“PLD+MCU為中心的兩片數(shù)字控制系統(tǒng)。下堂課程討論作業(yè)：思索題1.11.42022/7/16THE END2022/7/16 模擬與數(shù)字電路比較2022/7/1634模擬與數(shù)字電路比較2022/7/163536模擬與數(shù)字電路比較信號處理方式的比較比較因素模擬方式數(shù)字方式修改設計的靈活性修改硬件設計，或調(diào)整硬件參數(shù)元器件少、改變軟件設置精度元器件精度、老化、電源波動A/D的位數(shù)和計算機字長，算法可

18、靠性和可重復性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場、大量連線等的干擾和影響大不受這些因素的影響大規(guī)模集成盡管已有一些模擬集成電路，但品種較少、集成度不高、價格較高DSP器件體積小、功能強、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價格比高 實時性除開電路引入的延時外，處理是實時的 由計算機的處理速度決定FPGA高頻信號的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號按照奈準則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制2022/7/16邏輯門電路布爾代數(shù)具有開關(guān)特性的半導體器件組合邏輯電路時序邏輯電路脈沖產(chǎn)生和整形電路可編程邏輯電路ADC、DAC2022/7/1637EDA技術(shù)以計算機為根本工具、借助于軟件設計平臺，自

19、動完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、規(guī)劃布線、仿真等任務。最后下載到PLD芯片，實現(xiàn)方案。1、設計：在計算機上利用軟件平臺進展設計設計方法原理圖設計HDL言語設計形狀機設計等 EDA技術(shù)： Electronic Design Automation 基于PLD的EDA2022/7/16382、仿真3、下載4、驗證結(jié)果實驗板下載線2022/7/1639設計方法的變化傳統(tǒng)設計方法 用教材引見的74系列等數(shù)字通用集成電路來實現(xiàn)系統(tǒng)化分 子系統(tǒng)設計 原理圖 調(diào)試 焊接元器件 制版 PCB 在實踐運用中還存在一定的局限性，這就是它只適用于電路，而不適用于系統(tǒng)。假設一個數(shù)字系統(tǒng)有多個外部輸入和幾十個、幾百個甚至上千個記憶單元，再用真值表、形狀表等工具來描畫它、分析它、