數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展及基本概念

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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2023/5/101.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展計(jì)算機(jī)是數(shù)字電路的代表，其發(fā)展基本由電子器件推動(dòng)。真空電子管計(jì)算機(jī)——1946.2~1955.10ENIAC服役9年2023/5/101.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展（續(xù)）晶體管計(jì)算機(jī)1960年，晶體管代替電子管的第二代計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在商業(yè)領(lǐng)域、大學(xué)和政府部門(mén)的計(jì)算機(jī)。配備:打印機(jī)、磁帶、磁盤(pán)、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等。語(yǔ)言：出現(xiàn)COBOL和FORTRAN等高級(jí)語(yǔ)言，以單詞、語(yǔ)句和數(shù)學(xué)公式代替了含混晦澀的二進(jìn)制機(jī)器碼。新的職業(yè)出現(xiàn)：程序員、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)家等由此誕生。2023/5/101.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展（續(xù)）2023/5/10集成電路計(jì)算機(jī)1.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展（續(xù)）第四代量子、光子、生物等未來(lái)計(jì)算機(jī)“電子”計(jì)算機(jī)從真空管、晶體管、集成電路、超大規(guī)模集成電路，開(kāi)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(gè)數(shù)，大數(shù)因式分解ms級(jí)。目前計(jì)算機(jī)難以短期實(shí)現(xiàn)。光子計(jì)算機(jī)——光子比電子快，存儲(chǔ)量大，能量消耗小。生物計(jì)算機(jī)——即脫氧核糖核酸（DNA）分子計(jì)算機(jī)。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(wàn)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。2023/5/10CentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈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(chǔ)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(chǔ)器（或CACHE）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jìn)型）1、Microprocessor(μP)微處理器特點(diǎn)：

多采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)；普遍沒(méi)有DMA通道控制器、定時(shí)器等外設(shè)；普遍沒(méi)有通用存儲(chǔ)器及接口和IO接口，比如，微機(jī)原理學(xué)習(xí)的Intel8088/8086，需要244/245/373構(gòu)成BUS；Intel8087浮點(diǎn)運(yùn)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(jì)算機(jī)，Example:YourDesktop——PCMicroComputer=Microprocessor(μP)+Memory+PeripheralsMicroprocessorCode-MemoryData-MemoryClockTimer/CounterAnalogueOutDigitalInAnalogueInDigitalInMemoryBusPeripheralBus比如，MCS-51單片機(jī)NothingmorethanaMicroComputerasasinglesiliconchip!GuaranteecostefficientandpowerfulsolutionsforembeddedcontrolapplicationsOver200independentfamiliesofμCBothμP–Architectures(“VonNeumann”and“Harvard”)areusedinsideMicrocontrollers多用于實(shí)時(shí)控制2、微控制器(Microcontroller，μC)或（Micro-controllerUnit，MCU）

DSPCoreSimilartoaMicroprocessor(μP),e.g.coreofacomputingsystemAdditionalHardwareUnitstospeedupcomputingofsophisticatedmathematicaloperations:AdditionalHardwareMultiplyUnit(s)AdditionaldatamemoryaddressesArithmeticUnit(s)AdditionalBusSystemsforparallelaccessAdditionalHardwareShifterforscalingand/ormultiply/divideby2nDSPSimilartoaMicrocontroller(μC)IncludeaDSPcore+Peripherals適合于快速數(shù)字處理DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核

以及DSP狹義上講，嵌入式處理器是一種處理器的IP核（Intellectual

Property

core）開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)出處理器，本身不生產(chǎn)芯片，轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可主要產(chǎn)品有：ARM（AdvancedRISCMachines）公司的ARM、SiliconGraphics公司的MIPS、IBM和Motorola聯(lián)合開(kāi)發(fā)的PowerPC。從廣義上講，MPU、MCU、DSP等都叫微處理器或嵌入式處理器。所有相關(guān)課程（微機(jī)原理、單片機(jī)、DSP、嵌入式系統(tǒng)）學(xué)習(xí)有類(lèi)似性，基礎(chǔ)是數(shù)字電子技術(shù)。

3、嵌入式處理器1.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念目前為止的數(shù)字世界是0和1的世界物質(zhì)基礎(chǔ)決定了0、1世界——電子開(kāi)關(guān)數(shù)字運(yùn)算規(guī)則簡(jiǎn)單——0、1二進(jìn)制數(shù)適合邏輯運(yùn)算——0、1與“真”和“假”對(duì)應(yīng)用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)具有抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。2023/5/101.3數(shù)字電子技術(shù)基本概念模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2023/5/10模擬信號(hào)：在時(shí)間上和數(shù)值上均是連續(xù)的。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)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(fù)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(fù)邏輯數(shù)字信號(hào)是一種二值信號(hào)——高電平和低電平，可以由兩個(gè)數(shù)字來(lái)表示（比如，1和0）。如何表示呢？

邏輯0

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邏輯0

邏輯1

邏輯1

電源電壓為“強(qiáng)1”；0V為“強(qiáng)0”，實(shí)際為一區(qū)域2023/5/10模擬信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)表示2023/5/10要將一個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，一般由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。比如，用8位ADC器件，只能由0~255共（28）個(gè)整數(shù)表示。第三個(gè)采樣點(diǎn)的模擬值接近5V——11111101。17模擬信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以精確表示原信號(hào)由于不存在量化誤差，它可以對(duì)自然界物理量的真實(shí)值進(jìn)行盡可能逼近的描述模擬信號(hào)處理比數(shù)字信號(hào)處理更簡(jiǎn)單。模擬信號(hào)的處理可以直接通過(guò)模擬電路組件（例如運(yùn)算放大器等）實(shí)現(xiàn)，而數(shù)字信號(hào)處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)字信號(hào)處理器。缺點(diǎn)：易受干擾，造成信號(hào)失真不易儲(chǔ)存、還原及控制保密性差。比如模擬通信，尤其是微波通信和有線通信，很容易被竊聽(tīng)。只要收到模擬信號(hào)，就容易得到通信內(nèi)容P.42023/5/1018數(shù)字信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)、缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：所處理的數(shù)字信號(hào)只有兩種取值(1、0）；電路抗干擾能力強(qiáng)，信息便于長(zhǎng)期存儲(chǔ)便于計(jì)算機(jī)處理、輔助設(shè)計(jì)等保密性好。比如，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)ADC后，可以先進(jìn)行加密處理，再進(jìn)行傳輸，在接收端解密后再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換（DAC）還原成模擬信號(hào)。缺點(diǎn)：只能表示信號(hào)的近似值占用頻帶較寬，比如語(yǔ)音通信進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)帶來(lái)量化誤差。P.42023/5/10脈沖信號(hào)的技術(shù)指標(biāo)上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf、占空比q2023/5/10電子電少路模擬電路模擬信號(hào)模擬信號(hào)數(shù)字電路數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)數(shù)字系統(tǒng)仇基本框架數(shù)字電路轟分類(lèi)組合邏輯意電路——基本單元籠“門(mén)”時(shí)序邏輯嗽電路——基本單葉元“觸喝發(fā)器”門(mén)電路能實(shí)現(xiàn)血邏輯運(yùn)薪算的電盈路稱(chēng)為優(yōu)門(mén)電路觀（gat劍ec龍irc絮uit云s）。每一種槳門(mén)電路悔的輸入瘦與輸出慢之間，議都有一呀定的邏牽輯關(guān)系渡。邏輯玩是指“條件”與“結(jié)果”的關(guān)系。閑輸入信號(hào)壇反映“條件”，輸出歇反映“結(jié)果”。利用門(mén)電編路可以組成具囑有各種繡邏輯功屋能的組合邏輯電路。除基本“與”、“或”和“非”門(mén)電路之抄外，常用并的門(mén)電路原還有與非皂、或非、唱與或非等籍門(mén)電路。斧所有門(mén)電戒路都有系嶄列化集成旗電路產(chǎn)品面供選用。2023矛/4/2照9觸發(fā)器觸發(fā)器固是具有貪記憶或茄存儲(chǔ)1位二值信捷息的一種閘邏輯電路仗。它有兩鮮個(gè)穩(wěn)定狀插態(tài)，可以品存儲(chǔ)1位二值亭代碼或騙數(shù)碼，象觸發(fā)器擔(dān)具有以尤下兩個(gè)安特點(diǎn)：1）有兩蜓種能自董行保持凝的穩(wěn)定豪狀態(tài)，游分別表碑示二進(jìn)肢制數(shù)0和1或者二值宰信息邏輯0和邏輯1；2）在適風(fēng)當(dāng)觸發(fā)儉信號(hào)作康用下，近電路可留從一種病穩(wěn)定狀糧態(tài)轉(zhuǎn)變節(jié)到另一普種穩(wěn)定償狀態(tài)；姿當(dāng)觸發(fā)稈信號(hào)消鄭失后，晚電路能信夠保持像現(xiàn)有狀驕態(tài)不變博。2023裁/4/2尺9基本電路元件:晶體三極管場(chǎng)效應(yīng)管集成運(yùn)算放大器基本模擬電路:

信號(hào)放大及運(yùn)算(信號(hào)放大、功率放大）信號(hào)處理（采樣保持、電壓比較、有源濾波）信號(hào)發(fā)生（正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器、…）2023嬌/4/2價(jià)925/?刮#?模擬電臟路研究墓的問(wèn)題基本電路元件門(mén)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(shí)序電路（寄存器、計(jì)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(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器其底層是廢半導(dǎo)體器找件202鵝3/4至/2926/?#游?數(shù)字電路小研究的問(wèn)棟題數(shù)字電路村特點(diǎn)總結(jié)電路結(jié)具構(gòu)簡(jiǎn)單季，便于段集成化可靠性傳、穩(wěn)定繭性和抗顧干擾能鐮力強(qiáng)數(shù)字運(yùn)算條的可重復(fù)敬性好可完成宰數(shù)字運(yùn)肯算和邏熊輯運(yùn)算瀉、信號(hào)余存儲(chǔ)等容易采嗽用計(jì)算漂機(jī)輔助腫設(shè)計(jì)有可能鼓通過(guò)編需程改變那芯片的暖邏輯功伯能——PLD2023蓋/4/2波91.4數(shù)字電區(qū)路課程訂的重要掌性是一門(mén)電類(lèi)專(zhuān)李業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)農(nóng)基礎(chǔ)課泊程，這門(mén)課程榴的掌握情展況直接關(guān)飼系到其它制專(zhuān)業(yè)課程思的學(xué)習(xí)和韻科研訓(xùn)練執(zhí)。是單片機(jī)射、微型屯計(jì)算機(jī)父原理的先修課綠程是走進(jìn)數(shù)肯字時(shí)代企的第一滔入門(mén)課像程——大轉(zhuǎn)折性流課程是很多院狂校某些專(zhuān)峽業(yè)考研課程數(shù)字電路筐是實(shí)踐性桂很強(qiáng)的一門(mén)課帝程。數(shù)電喇實(shí)驗(yàn)——是非常非帽常重要的糞一個(gè)學(xué)習(xí)進(jìn)環(huán)節(jié)，所產(chǎn)以作為單揉獨(dú)的一門(mén)鞭課程，不及格挪要重修實(shí)友驗(yàn)。202縣3/4殺/29數(shù)字電路表課程學(xué)時(shí)貍分配課程和實(shí)妻驗(yàn)是教學(xué)頸計(jì)劃中的2門(mén)課數(shù)字電子畏技術(shù)：56學(xué)分：3.5電子技癢術(shù)實(shí)驗(yàn)2：24學(xué)分：0.75上課及么實(shí)驗(yàn)教悅材：禁去止盜版返、嚴(yán)禁盤(pán)復(fù)印教衣材2023惰/4/2損9課堂教學(xué)幼考核形式平時(shí)成績(jī)饑（20％）上課到課漲率作業(yè)（貢師生的樸一種溝痕通方式卻）閉卷考駛試（80％）202鮮3/4伍/29每個(gè)學(xué)陽(yáng)生都有垮自己的真學(xué)習(xí)方刮法，個(gè)牙人建議臺(tái)：抓住重丹點(diǎn)重視實(shí)踐:電子技非術(shù)課程確的實(shí)踐嗎性很強(qiáng)看，掌握言基本理所論知識(shí)掏，訓(xùn)練賤設(shè)計(jì)、震組裝、簡(jiǎn)測(cè)試和牲排查故農(nóng)障等能猛力。注意培養(yǎng)芒自學(xué)能力:電子技稈術(shù)是一甩門(mén)迅速鏡發(fā)展的奶學(xué)科，裳必須靠萬(wàn)不斷學(xué)窯習(xí)，才懲能跟上響發(fā)展步麗伐。重視課堂:歡迎舉手廊討論，班駕干部多溝桐通維持紀(jì)母律按時(shí)完成幟作業(yè)，嚴(yán)格按宏照規(guī)定時(shí)朋間交作業(yè)理。課程學(xué)任習(xí)方法2023更/4/2外931/?坦#?不論數(shù)滴字系統(tǒng)標(biāo)的復(fù)雜福程度如愚何，規(guī)鵝模大小榆怎樣，基本內(nèi)容府是一樣的麗。本教材獵從數(shù)字哈系統(tǒng)基從礎(chǔ)的數(shù)撒制和碼掌制的介善紹入手白，逐步引領(lǐng)大家向數(shù)字系村統(tǒng)的深一規(guī)層次邁進(jìn)邁，掌握以旬“PLD+勺MCU”為核心固的兩片數(shù)裝字控制系咸統(tǒng)。下堂課皂程討論岡作業(yè)：狠思考題1.1屠~1.僵42023足/4/2疲9THE薄E獄ND2023迅/4/2喬9模擬與數(shù)字靜電路比胃較2023溫/4/2糟934/?#乳?模擬與數(shù)字電爭(zhēng)路比較2023斤/4/2藏935/?膝#?36模擬與數(shù)字電冰路比較信號(hào)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(jì)的靈活性修改硬件設(shè)計(jì)，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(dòng)A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)，算法可靠性和可重復(fù)性受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)、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(jià)格較高DSP器件體積小、功能強(qiáng)、功耗小、一致性好、使用方便、性能/價(jià)格比高實(shí)時(shí)性除開(kāi)電路引入的延時(shí)外，處理是實(shí)時(shí)的由計(jì)算機(jī)的處理速度決定→FPGA高頻信號(hào)的處理可以處理包括微波毫米波乃至光波信號(hào)按照奈準(zhǔn)則的要求，受S/H、A/D和處理速度的限制2023移/4/2豬9/?#坑?邏輯門(mén)電路布爾代數(shù)具有開(kāi)關(guān)特性的半導(dǎo)體器件組合邏輯電路時(shí)序邏輯電路脈沖產(chǎn)生和整形電路可編程邏輯電路ADC、DAC2023槽/4/2浙937/?#精?EDA技術(shù)以揮計(jì)算機(jī)唱為基本性工具、活借助于軍軟件設(shè)辟計(jì)平臺(tái)鬧，自動(dòng)堆完成數(shù)糕字系統(tǒng)揭的邏輯慘綜合、想布局布圖線、仿喚真等工嚷作。最滴后下載晴到PLD芯片，慮實(shí)現(xiàn)方宋案。1、設(shè)計(jì)：在計(jì)算付機(jī)上利噴用軟件嫩平臺(tái)進(jìn)舅行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法原理圖久設(shè)計(jì)HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)安設(shè)計(jì)等EDA技術(shù)：Elec數(shù)tron岡icD政esig其nAu繪toma遣tion基于PLD的EDA202西3/4漫/2938/?臟#?2、仿真3、下載4、驗(yàn)證結(jié)揭果實(shí)驗(yàn)板下載線202臨3/4修/2939/?腦#?設(shè)計(jì)方村法的變恥化傳統(tǒng)設(shè)嗽計(jì)方法用教材介填紹的74系列等簽數(shù)字通蛋用集成掌電路來(lái)胳實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化分子系乒統(tǒng)設(shè)計(jì)活原理歪圖著調(diào)試汽焊接元策器件臭制版PCB在實(shí)際屢使用中易還存在脫一定的念局限性列，這就剛是它只臉適用于烏電路，賞而不適酸用于系藍(lán)統(tǒng)。如碌果一個(gè)寸數(shù)字系夠統(tǒng)有多袖個(gè)外部況輸入和唉幾十個(gè)拋、幾百撤個(gè)甚至宰上千個(gè)侍記憶單覺(jué)元，再顆用真值西表、狀蝕態(tài)表等后工具來(lái)里描述它坑、分析舅它、設(shè)器計(jì)它，搭顯然是碗不適當(dāng)殃的，也候是無(wú)能節(jié)為力的雙?，F(xiàn)代數(shù)字失系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉方法采用可休編程集坊成電路(如可編程翅邏輯器件PLD省)來(lái)實(shí)現(xiàn)里。由于居可編程乖邏輯器追件具有乏用戶可啦編程的蛾邏輯特茄性，用秤戶可以墊在現(xiàn)場(chǎng)伐更改其玻內(nèi)部功測(cè)能，因竹此，PLD在數(shù)字系腎統(tǒng)中得到閃了越來(lái)越壓廣泛的應(yīng)合用。2023伐/4