微电子技术与信号处理.ppt

信息技术导论 第9章 微电子技术与信号处理 教学目标 了解微电子技术的发展 了解嵌入式系统的组成 了解数字信号处理技术 初步了解模式识别 9.1.1 微电子技术概述 微电子技术是随着集成电路，尤其是超大型规模集成电路 而发展起来的一门新的技术。 9.1 微电子 微电子技术包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材 料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门的技术， 微电子技术是微电子学中的各项工艺技术的总和。 微电子技术是高科技和信息产业的核心技术。实现信息化 的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通讯电子装备 ，它们的基础都是集成电路。 9.1.2 微电子技术的发展历程 1947年发明晶体管微电子技术第一个里程碑。 9.1 微电子 集成电路的主要工艺技术，是在50年代后半期硅平面晶体管技术和更早 的金属真空涂膜学技术基础上发展起来的。 1950年结型晶体管诞生 1962年生产出晶体管（MOS Transistor）晶体管理逻辑电路和发射 极耦合逻辑电路。 1963年F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术。 70年代，微电子技术进入了以大规模集成电路为中心的新阶段。 9.1.3 集成电路及分类 9.1 微电子 集成电路（Integrated Circuit）是一种微型电子器件或部件 。 集成电路引出线和焊接点少，寿命长，具有体积小、重量 轻、功耗小、速度快，可靠性高等优点，同时成本低，便 于大规模生产。 一、按功能结构分类 集成电路按其功能、结构的不同，可以分为模拟集成电路 、数字集成电路和数/模混合集成电路三大类。 9.1 微电子 二、按制作工艺分类 集成电路按制作工艺可分为半导体集成电路和膜集成电路 。 膜集成电路又分类厚膜集成电路和薄膜集成电路。 三、按集成度高低分类 SSI 小规模集成电路(Small Scale Integrated circuits) MSI 中规模集成电路(Medium Scale Integrated circuits) LSI 大规模集成电路(Large Scale Integrated circuits) VLSI 超大规模集成电路(Very Large Scale Integrated circuits) ULSI 特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integrated circuits) GSI 巨大规模集成电路也被称作极大规模集成电路或超特大规 模集成电路(Giga Scale Integration)。 9.1.3 集成电路及分类 9.1 微电子 9.1.3 集成电路及分类 四、按导电类型分类 集成电路按导电类型可分为双极型集成电路和单极型集成 电路，他们都是数字集成电路. 双极型集成电路的制作工艺复杂，功耗较大，代表集成电 路有TTL、ECL、HTL、LST-TL、STTL等类型。 单极型集成电路的制作工艺简单，功耗也较低，易于制成 大规模集成电路，代表集成电路有CMOS、NMOS、PMOS 等类型。 9.1 微电子 9.1.3 集成电路及分类 五、按用途分类 集成电路按用途可分为电视机用集成电路、音响用集成电路 、影碟机用集成电路、录像机用集成电路、电脑（微机）用 集成电路、电子琴用集成电路、通信用集成电路、照相机用 集成电路、遥控集成电路、语言集成电路、报警器用集成电 路及各种专用集成电路。 六、按应用领域分 集成电路按应用领域可分为标准通用集成电路和专用集成 电路。 七、按外形分 集成电路按外形可分为圆形(金属外壳晶体管封装型，一般 适合用于大功率)、扁平型(稳定性好，体积小)和双列直插型 。 9.1 微电子 9.1.4微电子技术的应用和发展趋势 微电子技术的最重要的应用领域就是计算机技术领域。 21世纪微电子技术发展的主要趋势，其主要发展方向有三个 方面： 一是器件的特征尺寸继续缩小。 二是重点发展系统集成芯片（SOC）。 三是微电子技术与其他学科的结合将诞生新的技术和产 业增长点。 9.2 嵌入式系统 IEEE（国际电气和电子工程师协会）对嵌入式系统（ Embedded System）的定义是：“用于控制、监视或者辅助 操作机器和设备的装置”。（原文为：Devices Used to Control，Monitor or Assist the Operation of Equipment， Machinery or Plants）。 9.2.1嵌入式系统的重要特征 9.2 嵌入式系统 与传统的通用计算机、数字产品相比，利用嵌入式技术的 产品有其自身的特点： 1、由于嵌入式系统采用的是微处理器，独立的操作系统 ，实现相对单一的功能，所以往往不需要大量的外围器 件，因而在体积上，功耗上有其自身的优势。 2、嵌入式系统由于空间和各种资源相对不足，硬件和软 件都必须高效率地设计，力争在同样的硅片面积上实现 更高的性能。 9.2 嵌入式系统 9.2.1嵌入式系统的重要特征 3、嵌入式系统为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式 系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中， 而不是存贮于磁盘等载体中。 4、为适应嵌入式分布处理结构和应用上网需求，嵌入式 系统要求配备一种或多种标准的网络通信接口。 9.2.2嵌入式系统结构 9.2 嵌入式系统 嵌入式系统装置一般由嵌入式计算机系统和执行装置组成， 嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、 中间层、系统软件层和应用软件层组成。 执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统 发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。 9.2 嵌入式系统 嵌入式计算机系统的组成 9.2.2嵌入式系统结构 一、硬件层 硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、 Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等） 。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存 储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系 统和应用程序都可以固化在ROM中。 （一）嵌入式微处理器 （二）存储器 （三）通用设备接口和I/O接口 9.2 嵌入式系统 9.2.2嵌入式系统结构 二、中间层 硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package ，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的 底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬 件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一 般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设 备的配置功能。 BSP具有两个特点。 1、硬件相关性 2、操作系统相关性 9.2 嵌入式系统 9.2.2嵌入式系统结构 三、系统软件层 嵌入式系统软件层由实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）、文件系统、图形用户接口（ Graphic User Interface，GUI）、网络系统及通用组件模块组 成。RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 四、应用软件层 应用软件层是由基于实时系统开发的应用程序组成，用来实 现对被控对象的控制功能。功能层是要面对被控对象和用户 ，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。 9.2.3嵌入式微处理器 9.2 嵌入式系统 目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种， 流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。 嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度 最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不 等。 9.2 嵌入式系统 嵌入式处理器的分类 一、嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor） 二、MPU嵌入式微处理器（Microprocessor Unit） 三、嵌入式微控制器(Microcontroller Unit， MCU) 四、嵌入式片上系统(System On Chip) 9.2.3嵌入式微处理器 嵌入式微处理器4个特点 9.2 嵌入式系统 1）对实时任务有很强的支持能力。 2）具有功能很强的存储区保护功能。 3）可扩展的处理器结构。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低。 9.2.3嵌入式微处理器 9.2.4嵌入式系统软件 9.2 嵌入式系统 一、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统（Embedded Operation System，EOS） 是一种用途广泛的系统软件，过去它主要应用与工业控制和 国防系统领域。EOS负责嵌入系统的全部软、硬件资源的分 配、任务调度，控制、协调并发活动。 EOS特点 1）可裁剪性。支持开放性和可伸缩性的体系结构。 2）强实时性。EOS实时性一般较强，可用于各种设备控制中 。 3）统一的接口。提供设备统一的驱动接口。 4）操作方便、简单、提供友好的图形GUI和图形界面，追求 易学易用。 9.2 嵌入式系统 9.2.4嵌入式系统软件 5）强稳定性，弱交互性。 6）固化代码。 7）更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 二、嵌入式系统的文件系统 1、通用操作系统的文件系统通常具有以下功能： 1）提供用户对文件操作的命令。 2）提供用户共享文件的机制。 9.2 嵌入式系统 9.2.4嵌入式系统软件 3）管理文件的存储介质。 4）提供文件的存取控制机制，保障文件及文件系统的安 全性。 5）提供文件及文件系统的备份和恢复功能。 6）提供对文件的加密和解密功能。 7）嵌入式文件系统比较简单，主要提供文件存储、检索 和更新等功能，一般不提供保护和加密等安全机制。 9.2 嵌入式系统 9.2.4嵌入式系统软件 2、嵌入式文件系统的特点： 1）兼容性。 2）实时文件系统。 3）可裁剪、可配置。 4）支持多种存储设备。 三、图形用户接口（GUI） 嵌入式GUI具有以下基本要求：轻型、占用资源少、高性 能、高可靠性、便于移植、可配置等。 9.2 嵌入式系统 9.2.4嵌入式系统软件 嵌入式系统中的图形界面，一般采用下面的几种方法实现 ： 1）针对特定的图形设备输出接口，自行开发相关的功能 函数。 2）购买针对特定嵌入式系统的图形中间软件包。 3）采用源码开放的嵌入式GUI系统。 4）使用独立软件开发商提供的嵌入式GUI产品。 四、网络系统及通用组件模块 9.2 嵌入式系统 9.2.5嵌入式系统的发展趋势 一、嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持。 二、支持网络通信。 三、支持小型电子设备实现小尺寸、微功耗和低成本。 四、提供精巧的多媒体人机界面。 9. 3 信号处理 9.3.1 数字信号处理概述 数字信号处理是将信号以数字方式表示并处理的理论和 技术。数字信号处理与模拟信号处理是信号处理的子集。 数字信号处理的目的是对真实世界的连续模拟信号进行测 量或滤波。 一般地讲，数字信号处理涉及三个步骤： （一）模数转换(A/D转换)：把模拟信号变成数字信号，是 一个对自变量和幅值同时进行离散化的过程，基本的理论 保证是采样定理。 （二）数字信号处理(DSP，Digital Signal Processor)：包括 变换域分析(如频域变换)、数字滤波、识别、合成等。 （三）数模转换(D/A转换)：把经过处理的数字信号还原为 模拟信号。通常，这一步并不是必须的。 9. 3 信号处理 9.3.2 数字信号处理发展回顾 DSP概念最早出现在上个世纪60年代，到70年代才由计算机实 现部分实时处理，当时主要用于高尖端领域。 DSP的发展大致经历了四个阶段 (1)第一代DSP 1982年TI(Texas Instruments)公司推出的TMS320ClO是第一代 DSP的代表，它是16位定点DSP，首次采用哈佛结构，完成乘 累加运算时间为390ns，处理速度较慢。 (2)第二代DSP 1987年Motorola公司推出了DSP56001，它是24位定点DSP，完 成乘累加运算时间为75ns，其他产品如AT&T公司的DSPl6A， ADI(Analog Devices Inc)公司的ADSP一2100，TI公司的 TMS320C50等，代表了第二代DSP产品。 9. 3 信号处理 9.3.2 数字信号处理发展回顾 (3)第三代DSP 1995年出现了第三代定点DSP产品，改进了内部结构，增加了并 行处理单元，扩展了内部存储器容量，提高了处理速度，指令周 期大约20ns左右。同期出现了功能更强的32位浮点处理的DSP。 (4)第四代DSP 最近几年推出了性能更高的第四代处理器，包括并行处理结构 DSP和超高性能DSP。 9. 3 信号处理 9.3.3数字信号处理学科的研究内容 离散线性时不变系统理论 频谱分析：FFT谱分析方法及统计分析方法 数字滤波器设计及滤波过程的实现 时频-信号分析，小波变换， Wigner Distribution 多维信号处理 非线性信号处理 随机信号处理 模式识别人工神经网络 信号处理单片机(DSP)及各种专用芯片(ASIC)，信号处理系统实 现 9. 3 信号处理 9.3.4数字信号处理技术的应用和发展趋势 数字信号处理的应用领域十分广泛。就所获取信号的来源而 言，有通信信号的处理，雷达信号的处理，遥感信号的处理 ，控制信号的处理，生物医学信号的处理，地球物理信号的 处理，振动信号的处理等。若以所处理信号的特点来讲，又 可分为语音信号处理，图像信号处理，一维信号处理和多维 信号处理等。 一、语音信号处理 语音信号处理是信号处理中的重要分支之一。它包括的主要方 面有：语音的识别，语言的理解，语音的合成，语音的增强， 语音的数据压缩等。 9. 3 信号处理 9.3.4数字信号处理技术的应用和发展趋势 9. 3 信号处理 9.3.4数字信号处理技术的应用和发展趋势 二、图像信号处理 图像信号处理的应用已渗透到各个科学技术领域。 三、振动信号处理 机械振动信号的分析与处理技术已应用于汽车、飞机、船只 、机械设备、房屋建筑、水坝设计等方面的研究和生产中。 四、地球物理信号处理 为了勘探地下深处所储藏的石油和天然气以及其他矿藏，通 常采用地震勘探方法来探测地层结构和岩性。 9. 3 信号处理 9.3.4数字信号处理技术的应用和发展趋势 五、生物医学信号处理 信号处理在生物医学方面主要是用来辅助生物医学基础理论 的研究和用于诊断检查和监护。 数字信号处理的发展特点如下： 一、由简单的运算走向复杂的运算。 二、由低频走向高频。 三、由一维走向多维。 四、各种数字信号处理系统均几经更新换代。 9. 4 模式识别 9.4.1模式识别概述 模式识别(Pattern Recognition)是借助计算机，就人类对外部世 界某一特定环境中的客体、过程和现象的识别功能(包括视觉、 听觉、触觉、判断等)进行自动模拟的科学技术。 模式识别是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的 和逻辑关系的)信息进行处理和分析，以对事物或现象进行描述 、辨认、分类和解释的过程，是信息科学和人工智能的重要组 成部分。模式识别又常称作模式分类，从处理问题的性质和解 决问题的方法等角度，模式识别分为有监督的分类（Supervised Classification）和无监督的分类(Unsupervised Classification)两种 。 9. 4 模式识别 9.4.1模式识别概述 模式还可分成抽象的和具体的两种形式。 模式识别研究主要集中在两方面，一是研究生物体(包括人)是 如何感知对象的，属于认识科学的范畴，二是在给定的任务 下，如何用计算机实现模式识别的理论和方法。 9. 4 模式识别 9.4.2模式识别方法 1、决策理论方法 又称统计方法，是发展较早也比较成熟的一种方法。被识别对象 首先数字化，变换为适于计算机处理的数字信息。 2、句法方法 又称结构方法或语言学方法。其基本思想是把一个模式描述为 较简单的子模式的组合，子模式又可描述为更简单的子模式的 组合，最终得到一个树形的结构描述，在底层的最简单的子模 式称为模式基元。 9. 4 模式识别 9.4.3模式识别的发展及应用 现代模式识别于20世纪40年代电子计算机发明以后逐渐发展起 来。 20世纪60年代以后，“模式识别”这个词被广泛使用并形成一个 领域 1966年，由IBM组织在波多黎各召开了第一次以“模式识别”为 题的学术会议。 70年代，几本很有影响的模式识别教材的相继出版。 1972年，第一届国际模式识别大会（ICPR）的召开标志着模式 识别领域的形成。 1974年，国际模式识别协会（IA