1-數(shù)字系統(tǒng)發(fā)展及基本概念

1、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2022/9/91.1 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)1946.21955.10 ENIAC服役9年2022/9/91.1 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)和政府部門的計(jì)算機(jī)。配備:打印機(jī)、磁帶、磁盤、內(nèi)存、操作系統(tǒng)等。語言：出現(xiàn)COBOL和FORTRAN等高級(jí)語言，以單詞、語句和數(shù)學(xué)公式代替了含混晦澀

2、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)專家等由此誕生。2022/9/91.1 計(jì)算機(jī)的發(fā)展 （續(xù)）2022/9/9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

3、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。2022/9/9Central 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“Harvar

4、d” Architecture:Two independent memory spaces for code and dataTwo memory bus systems for code and data?1.2 微處理器、微控制器及嵌入式處理器1、Microprocessor(P)或Microprocessor Unit（MPU）微處理器:P如Intel的CPU（Intel 80 x86）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 (P

5、) 微處理器特點(diǎn)：多采用馮.諾依曼結(jié)構(gòu)；普遍沒有DMA通道控制器、定時(shí)器等外設(shè)；普遍沒有通用存儲(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20100W，PowerPC最小也要510W。1、Microprocessor (P) 微處理器構(gòu)成的典型系統(tǒng)多用于計(jì)算機(jī)，Example:Your Desktop PC Micro Computer =

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

7、ntrol applicationsOver 200 independent families of C Both P Architectures (“Von Neumann” and “Harvard”) are used inside Microcontrollers多用于實(shí)時(shí)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 s

8、peed up computing of sophisticated 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

9、 a DSP core + Peripherals 適合于快速數(shù)字處理Digital Signal Processor Core (DSP Core) DSP核以及DSP狹義上講，嵌入式處理器是一種處理器的IP核（IntellectualPropertycore）開發(fā)公司開發(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（Advanced RISC Machines）公司的ARM、Silicon Graphics公司的MIPS、IBM和Motorola聯(lián)合開發(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

10、式系統(tǒng)）學(xué)習(xí)有類似性，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)。2022/9/91.3 數(shù)字電子技術(shù)基本概念模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)2022/9/9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

11、一種二值信號(hào)高電平和低電平，可以由兩個(gè)數(shù)字來表示（比如，1和0）。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(qiáng)1”；0V為“強(qiáng)0”，實(shí)際為一區(qū)域2022/9/9模擬信號(hào)的二進(jìn)制數(shù)表示2022/9/9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0255共（28）個(gè)整數(shù)表示。第三個(gè)采樣點(diǎn)的模擬值接近5V11111101。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模擬電路組件（例如運(yùn)算放大器等）實(shí)現(xiàn)

12、，而數(shù)字信號(hào)處理往往涉及復(fù)雜的算法，甚至需要專門的數(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。只要收到模擬信號(hào)，就容易得到通信內(nèi)容P.42022/9/918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，比如語音通信進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)帶來量化誤差。P.42022/9/9脈沖信號(hào)

13、的技術(shù)指標(biāo)上升時(shí)間tr、下降時(shí)間tf 、占空比q2022/9/9電子電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)基本框架數(shù)字電路分類組合邏輯電路基本單元“門”時(shí)序邏輯電路基本單元“觸發(fā)器”門電路能實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)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(hào)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。除基本“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。所有門電路都有系列化集成電路產(chǎn)品供選用。2022/9/9觸發(fā)器觸發(fā)器

14、是具有記憶或存儲(chǔ)1位二值信息的一種邏輯電路。它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，可以存儲(chǔ)1位二值代碼或數(shù)碼，觸發(fā)器具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：1）有兩種能自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，分別表示二進(jìn)制數(shù)0和1或者二值信息邏輯0和邏輯1；2）在適當(dāng)觸發(fā)信號(hào)作用下，電路可從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)信號(hào)消失后，電路能夠保持現(xiàn)有狀態(tài)不變。2022/9/9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、）2022/9/925/ #模擬電路研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

15、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)換器其底層是半導(dǎo)體器件2022/9/926/ #數(shù)字電路研究的問題數(shù)字電路特點(diǎn)總結(jié) 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成化 可靠性、穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng) 數(shù)字運(yùn)算的可重復(fù)性好 可完成數(shù)字運(yùn)算和邏輯運(yùn)算、信號(hào)存儲(chǔ)等 容易采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 有可能通過編程改變芯片的邏輯功能PLD2022/9/91.4 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)基礎(chǔ)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(xué)習(xí)和科研訓(xùn)練。是單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)原理的先修課程是走進(jìn)數(shù)字時(shí)代的第一入門課程

16、大轉(zhuǎn)折性課程是很多院校某些專業(yè)考研課程數(shù)字電路是實(shí)踐性很強(qiáng)的一門課程。數(shù)電實(shí)驗(yàn)是非常非常重要的一個(gè)學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，所以作為單獨(dú)的一門課程，不及格要重修實(shí)驗(yàn)。2022/9/9數(shù)字電路課程學(xué)時(shí)分配課程和實(shí)驗(yàn)是教學(xué)計(jì)劃中的2門課數(shù)字電子技術(shù) ：56 學(xué) 分：3.5電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)2：24 學(xué) 分：0.75上課及實(shí)驗(yàn)教材：禁止盜版、嚴(yán)禁復(fù)印教材2022/9/9課堂教學(xué)考核形式平時(shí)成績(jī)（20）上課到課率作業(yè)（師生的一種溝通方式）閉卷考試（80）2022/9/9 每個(gè)學(xué)生都有自己的學(xué)習(xí)方法，個(gè)人建議：抓住重點(diǎn)重視實(shí)踐:電子技術(shù)課程的實(shí)踐性很強(qiáng)，掌握基本理論知識(shí)，訓(xùn)練設(shè)計(jì)、組裝、測(cè)試和排查故障等能力。注意培養(yǎng)自學(xué)能力

17、:電子技術(shù)是一門迅速發(fā)展的學(xué)科，必須靠不斷學(xué)習(xí)，才能跟上發(fā)展步伐。重視課堂:歡迎舉手討論，班干部多溝通維持紀(jì)律按時(shí)完成作業(yè)，嚴(yán)格按照規(guī)定時(shí)間交作業(yè)。 課程學(xué)習(xí)方法2022/9/931/ #不論數(shù)字系統(tǒng)的復(fù)雜程度如何，規(guī)模大小怎樣，基本內(nèi)容是一樣的。本教材從數(shù)字系統(tǒng)基礎(chǔ)的數(shù)制和碼制的介紹入手，逐步引領(lǐng)大家向數(shù)字系統(tǒng)的深一層次邁進(jìn)，掌握以“PLD+MCU”為核心的兩片數(shù)字控制系統(tǒng)。下堂課程討論作業(yè)：思考題1.11.42022/9/9THE END2022/9/9 模擬與數(shù)字電路比較2022/9/934/ #模擬與數(shù)字電路比較2022/9/935/ #36模擬與數(shù)字電路比較信號(hào)處理方式的比較比較因素

18、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2022/9/9/ #邏輯門電路布爾代數(shù)具有開關(guān)特性的半導(dǎo)體

19、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、DAC2022/9/937/ #EDA技術(shù)以計(jì)算機(jī)為基本工具、借助于軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，自動(dòng)完成數(shù)字系統(tǒng)的邏輯綜合、布局布線、仿真等工作。最后下載到PLD芯片，實(shí)現(xiàn)方案。1、設(shè)計(jì)：在計(jì)算機(jī)上利用軟件平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方法原理圖設(shè)計(jì)HDL語言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)等 EDA技術(shù)： Electronic Design Automation 基于PLD的EDA2022/9/938/ #2、仿真3、下載4、驗(yàn)證結(jié)果實(shí)驗(yàn)板下載線2022/9/939/ #設(shè)計(jì)方法的變化傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 用教材介紹的74系列等數(shù)字通用集成電路來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化分 子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 原理圖

20、 調(diào)試 焊接元器件 制版 PCB 在實(shí)際使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)。如果一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)有多個(gè)外部輸入和幾十個(gè)、幾百個(gè)甚至上千個(gè)記憶單元，再用真值表、狀態(tài)表等工具來描述它、分析它、設(shè)計(jì)它，顯然是不適當(dāng)?shù)?，也是無能為力的?，F(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法 采用可編程集成電路(如可編程邏輯器件PLD)來實(shí)現(xiàn)。由于可編程邏輯器件具有用戶可編程的邏輯特性，用戶可以在現(xiàn)場(chǎng)更改其內(nèi)部功能，因此，PLD在數(shù)字系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。2022/9/9模擬與數(shù)字電路比較（1）靈活性 模擬處理系統(tǒng)：修改硬件設(shè)計(jì)，或調(diào)整硬件參數(shù)。 數(shù)字處理系統(tǒng)：改變軟件設(shè)置。 例：模擬濾波器，數(shù)字濾波器，自適應(yīng)濾波器2022/9/9模擬與數(shù)字電路比較（2）精度 模擬處理系統(tǒng)：元器件精度 數(shù)字處理系統(tǒng)：A/D的位數(shù)和計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)，算法2022/9/9模擬與數(shù)字電路比較（3）可靠性和可重復(fù)性 模擬系統(tǒng)：受環(huán)境溫度、濕度、噪聲、電磁場(chǎng)等的干擾和影響大 數(shù)字系統(tǒng)：可靠性和可重復(fù)性好2022/9/9可重復(fù)性2022/9/9抗噪聲干