數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展及基本概念

計算機發(fā)展及數(shù)字

電子技術(shù)基本概念西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院寧改娣第1章1.1計算機的發(fā)展1.2微處理器、微控制器及嵌入式處理器1.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念1.4數(shù)字電子技術(shù)的重要性2022/12/171.1計算機的發(fā)展計算機是數(shù)字電路的代表，其發(fā)展基本由電子器件推動。真空電子管計算機——1946.2~1955.10ENIAC服役9年2022/12/171.1計算機的發(fā)展（續(xù)）晶體管計算機1960年，晶體管代替電子管的第二代計算機出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域、大學(xué)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。語言：出現(xiàn)COBOL和FORTRAN等高級語言，以單詞、語句和數(shù)學(xué)公式代替了含混晦澀的二進制機器碼。新的職業(yè)出現(xiàn)：程序員、計算機系統(tǒng)專家等由此誕生。2022/12/171.1計算機的發(fā)展（續(xù)）2022/12/17集成電路計算機1.1計算機的發(fā)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(yīng)的存在，集成電路技術(shù)現(xiàn)在正逼近其極限（0.2nm的工藝）基本單元-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，能量消耗小。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理能力（快10萬倍）；一旦故障可自我修復(fù)；具有生物活性，能夠與人體大腦和神經(jīng)系統(tǒng)相連。2022/12/17CentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈CPU(ALU、Reg)Twobasicarchitectures:“VonNeumann“-Architecture“Harvard“–Architecture“VonNeumann”-Architecture:SharedmemoryspacebetweencodeanddataSharedmemorybussesbetweencodeanddata“Harvard”–Architecture:TwoindependentmemoryspacesforcodeanddataTwomemorybussystemsforcodeanddata?1.2微處理器、微控制器及嵌入式處理器1、Microprocessor(μP)或MicroprocessorUnit（MPU）微處理器:μP如Intel的CPU（Intel80x86）CPU存儲器（數(shù)據(jù)和指令）數(shù)據(jù)總線地址總線馮?諾依曼結(jié)構(gòu)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哈佛結(jié)構(gòu)（改進型）1、Microprocessor(μP)微處理器特點：

多采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)；普遍沒有DMA通道控制器、定時器等外設(shè)；普遍沒有通用存儲器及接口和IO接口，比如，微機原理學(xué)習(xí)的Intel8088/8086，需要244/245/373構(gòu)成BUS；Intel8087浮點運算協(xié)處理器，8255PPI、8253/8254Timer、8237DMA、中斷控制器8259、8250/8251串行通信接口等。普遍功耗較大，如Intel的CPU多在20～100W，PowerPC最小也要5～10W。1、Microprocessor(μP)微處理器構(gòu)成的典型系統(tǒng)多用于計算機，Example:YourDesktop——PCMicroComputer=Microprocessor(μP)+Memory+PeripheralsMicroprocessorCode-MemoryData-MemoryClockTimer/CounterAnalogueOutDigitalInAnalogueInDigitalInMemoryBusPeripheralBus比如，MCS-51單片機NothingmorethanaMicroComputerasasinglesiliconchip!GuaranteecostefficientandpowerfulsolutionsforembeddedcontrolapplicationsOver200independentfamiliesofμCBothμP–Architectures(“VonNeumann”and“Harvard”)areusedinsideMicrocontrollers多用于實時控制2、微控制器(Microcontroller，μC)或（Micro-controllerUnit，MCU）DSPCoreSimilartoaMicroprocessor(μμP),e.g.coreofacomputingsystemAdditionalHardwareUnitstospeedupcomputingofsophisticatedmathematicaloperations:AdditionalHardwareMultiplyUnit(s)AdditionaldatamemoryaddressesArithmeticUnit(s)AdditionalBusSystemsforparallelaccessAdditionalHardwareShifterforscalingand/ormultiply/divideby2nDSPSimilartoaMicrocontroller(μμC)IncludeaDSPcore+Peripherals適合于于快速速數(shù)字字處理理DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核以及DSP狹義上上講，，嵌入入式處處理器器是一一種處處理器器的IP核（IntellectualPropertycore）開發(fā)公公司開開發(fā)出出處理理器，本身不不生產(chǎn)產(chǎn)芯片片，轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)讓設(shè)設(shè)計許許可主要產(chǎn)產(chǎn)品有有：ARM（AdvancedRISCMachines）公司司的ARM、SiliconGraphics公司的的MIPS、IBM和Motorola聯(lián)合開開發(fā)的的PowerPC。從廣義義上講講，MPU、MCU、DSP等都叫叫微處處理器器或嵌入入式處處理器器。所有相相關(guān)課課程（（微機機原理理、單單片機機、DSP、嵌入入式系系統(tǒng)））學(xué)習(xí)習(xí)有類類似性性，基礎(chǔ)是是數(shù)字字電子子技術(shù)術(shù)。3、嵌入式式處理理器1.3數(shù)數(shù)字電電子技技術(shù)基基本概概念目前為為止的的數(shù)字世世界是是0和1的世界界物質(zhì)基基礎(chǔ)決決定了了0、1世界——電子開開關(guān)數(shù)字運運算規(guī)規(guī)則簡簡單——0、1二進制制數(shù)適合邏邏輯運運算——0、1與“真”和“假”對應(yīng)用二進進制表表示數(shù)數(shù)據(jù)具具有抗抗干擾擾能力力強，，可靠靠性高高等優(yōu)優(yōu)點。2022/12/121.3數(shù)數(shù)字電電子技技術(shù)基基本概概念模擬信信號和和數(shù)字字信號號2022/12/12模擬信信號：：在時時間上上和數(shù)數(shù)值上上均是是連續(xù)續(xù)的。。數(shù)字信信號：：在時時間上上和數(shù)數(shù)值上上均是是離散散的。。tV(t)高電平低電平上升沿下降沿有兩種種邏輯輯體制制：正邏輯輯體制制規(guī)定：：高電電平為為邏輯輯1，低電電平為為邏輯輯0。負邏輯輯體制制規(guī)定：：低電電平為為邏輯輯1，高電電平為為邏輯輯0。正邏輯輯與負負邏輯輯數(shù)字信信號是是一種種二值值信號號——高電平平和低低電平平，可可以由由兩個個數(shù)字字來表表示（（比如如，1和0）。如如何表表示呢呢？

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電源電電壓為“強強1”；0V為“強強0”，實際際為一一區(qū)域域2022/12/12模擬信信號的的二進進制數(shù)數(shù)表示示2022/12/12要將一個個模擬信信號轉(zhuǎn)換換為數(shù)字字信號，，一般由由模數(shù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換器（（ADC）。比如，，用8位ADC器件，只能由0~255共（28）個整數(shù)數(shù)表示。第三個個采樣點點的模擬擬值接近近5V———11111101。17模擬信號號的優(yōu)點點、缺點點優(yōu)點：可以精確表示原信號由于不存存在量化化誤差，，它可以以對自然然界物理理量的真真實值進進行盡可可能逼近近的描述述模擬信號號處理比比數(shù)字信信號處理理更簡單單。模擬擬信號的的處理可可以直接接通過模模擬電路路組件（（例如運運算放大大器等））實現(xiàn)，，而數(shù)字字信號處處理往往往涉及復(fù)復(fù)雜的算算法，甚甚至需要要專門的的數(shù)字信信號處理理器。缺點：易受干擾，造成信號失真不易儲存、還原及控制保密性差差。比如如模擬通通信，尤尤其是微微波通信信和有線線通信，，很容易易被竊聽聽。只要要收到模模擬信號號，就容容易得到到通信內(nèi)內(nèi)容P.42022/12/1218數(shù)字信號號的優(yōu)點點、缺點點優(yōu)點：所處理的的數(shù)字信信號只有有兩種取取值(1、0）；電路抗干干擾能力力強，信信息便于于長期存存儲便于計算算機處理理、輔助助設(shè)計等等保密性好好。比如如，語音音信號經(jīng)經(jīng)ADC后，可以以先進行行加密處處理，再再進行傳傳輸，在在接收端端解密后后再經(jīng)數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換換（DAC）還原成成模擬信信號。缺點：只能表示示信號的近似值值占用頻帶帶較寬，比如語音音通信進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時時會帶來來量化誤誤差。P.42022/12/12脈沖信號的的技術(shù)指標(biāo)標(biāo)上升時間tr、下降時間tf、占空比q2022/12/12電子電路模擬電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)基基本框架數(shù)字電路分分類組合邏輯電電路——基本單元““門”時序邏輯電電路——基本單元““觸發(fā)器””門電路能實現(xiàn)邏輯輯運算的電電路稱為門門電路（gatecircuits）。每一種門電電路的輸入入與輸出之之間，都有有一定的邏邏輯關(guān)系。。邏輯是指指“條件”與“結(jié)果”的關(guān)系。輸輸入信號反反映“條件”，輸出反映映“結(jié)果”。利用門電路路可以組成具有各各種邏輯功功能的組合邏輯電路。除基本“與”、“或”和“非”門電路之外外，常用的的門電路還還有與非、、或非、與與或非等門門電路。所所有門電路路都有系列列化集成電電路產(chǎn)品供供選用。2022/12/12觸發(fā)器觸發(fā)器是具有有記憶或存儲儲1位二值信息的的一種邏輯電電路。它有兩兩個穩(wěn)定狀態(tài)態(tài)，可以存儲儲1位二值代碼或或數(shù)碼，觸發(fā)發(fā)器具有以下下兩個特點：：1）有兩種能自自行保持的穩(wěn)穩(wěn)定狀態(tài)，分分別表示二進進制數(shù)0和1或者二值信息息邏輯0和邏輯1；2）在適當(dāng)觸發(fā)發(fā)信號作用下下，電路可從從一種穩(wěn)定狀狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另另一種穩(wěn)定狀狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)發(fā)信號消失后后，電路能夠夠保持現(xiàn)有狀狀態(tài)不變。2022/12/12基本電路元件:晶體三極管場效應(yīng)管集成運算放大器基本模擬電路:

信號放大及運算(信號放大、功率放大）信號處理（采樣保持、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、…）2022/12/1225/?#?模擬電路研究究的問題基本電路元件門電路

觸發(fā)器基本數(shù)字電路

組合邏輯電路（不具備記憶功能）時序電路（寄存器、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)換器、D/A轉(zhuǎn)換器其底層是半導(dǎo)導(dǎo)體器件2022/12/1226/?#?數(shù)字電路研究究的問題數(shù)字電路特點點總結(jié)電路結(jié)構(gòu)簡單單，便于集成成化可靠性、穩(wěn)定定性和抗干擾擾能力強數(shù)字運算的可可重復(fù)性好可完成數(shù)字運運算和邏輯運運算、信號存存儲等容易采用計算算機輔助設(shè)計計有可能通過編編程改變芯片片的邏輯功能能——PLD2022/12/121.4數(shù)字電路課程程的重要性是一門電類專業(yè)必修修的專業(yè)基礎(chǔ)課課程，這門課程的掌掌握情況直接接關(guān)系到其它它專業(yè)課程的的學(xué)習(xí)和科研研訓(xùn)練。是單片機、微型型計算機原理理的先修課程是走進數(shù)字時代代的第一入門門課程——大轉(zhuǎn)折性課程程是很多院校某某些專業(yè)考研課程數(shù)字電路是實踐性很強的一門課程。。數(shù)電實驗——是非常非常重重要的一個學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，所所以作為單獨獨的一門課程程，不及格要重重修實驗。2022/12/12數(shù)字電路課程程學(xué)時分配課程和實驗是是教學(xué)計劃中中的2門課數(shù)字電子技術(shù)術(shù)：56學(xué)分：3.5電子技術(shù)實驗驗2：24學(xué)分：0.75上課及實驗教教材：禁止盜盜版、嚴(yán)禁復(fù)復(fù)印教材2022/12/12課堂教學(xué)考核核形式平時成績（20％）上課到課率作業(yè)（師生的的一種溝通方方式）閉卷考試（80％）2022/12/12每個學(xué)生都有有自己的學(xué)習(xí)習(xí)方法，個人人建議：抓住重點重視實踐:電子技術(shù)課程程的實踐性很很強，掌握基基本理論知識識，訓(xùn)練設(shè)計計、組裝、測測試和排查故故障等能力。。注意培養(yǎng)自學(xué)學(xué)能力:電子技術(shù)是一一門迅速發(fā)展展的學(xué)科，必必須靠不斷學(xué)學(xué)習(xí)，才能跟跟上發(fā)展步伐伐。重視課堂:歡迎舉手討論論，班干部多多溝通維持紀(jì)紀(jì)律按時完成作業(yè)業(yè)，嚴(yán)格按照規(guī)規(guī)定時間交作作業(yè)。課程學(xué)習(xí)方法法2022/12/1231/?#??不論數(shù)字系系統(tǒng)的復(fù)雜雜程度如何何，規(guī)模大大小怎樣，，基本內(nèi)容是是一樣的。。本教材從數(shù)數(shù)字系統(tǒng)基基礎(chǔ)的數(shù)制制和碼制的的介紹入手手，逐步引領(lǐng)大家向數(shù)字系統(tǒng)統(tǒng)的深一層層次邁進，，掌握以““PLD+MCU”為核心的的兩片數(shù)字字控制系統(tǒng)統(tǒng)。下堂課程討討論作業(yè)：：思考題1.1~1.42022/12/12THEEND2022/12/12模擬與數(shù)字電路路比較2022/12/1234/?#??模擬與數(shù)字電路路比較2022/12/1235/?#??36模擬與數(shù)字電路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(shè)計的靈活性修改硬件設(shè)計，或調(diào)整硬件參數(shù)元器件少、改變軟件設(shè)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，算法可靠性和可重復(fù)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(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制2022/12/12/?#??邏輯門電路布爾代數(shù)具有開關(guān)特性的半導(dǎo)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、DAC2022/12/1237/?#??EDA技術(shù)以計算算機為基本本工具、借借助于軟件件設(shè)計平臺臺，自動完完成數(shù)字系系統(tǒng)的邏輯輯綜合、布布局布線、、仿真等工工作。最后后下載到PLD芯片，實現(xiàn)現(xiàn)方案。1、設(shè)計：在計算機上上利用軟件件平臺進行行設(shè)計設(shè)計方法原理圖設(shè)計計HDL語言設(shè)計狀態(tài)機設(shè)計計等EDA技術(shù)：ElectronicDesignAutomation基于PLD的EDA2022/12/1238/?#??2、仿真3、下載4、驗證結(jié)果果實驗板下載線2022/12/1239/?#??設(shè)計方法的的變化傳統(tǒng)設(shè)計方方法用教材介紹紹的74系列等數(shù)字字通用集成成電路來實實現(xiàn)系統(tǒng)化分子系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計原理圖圖調(diào)試焊焊接元器器件制制版PCB在實際使用用中還存在在一定的局局限性，這這就是它只只適用于電電路，而不不適用于系系統(tǒng)。如果果一個數(shù)字字系統(tǒng)有多多個外部輸輸入和幾十十個、幾百百個甚至上上千個記憶憶單元，再再用真值表表、狀態(tài)表表等工具來來描述它、、分析它、、設(shè)計它，，顯然是不不適當(dāng)?shù)?，，也是無能能為力的?！，F(xiàn)代數(shù)字系系統(tǒng)設(shè)計方方法采用可編程程集成電路路(如可編程邏邏輯器件PLD)來實現(xiàn)。由由于可編程程邏輯器件件