微机原理第一章

1、第1章 概述机械式计算机、电子技术和半导体技术机械式计算机、电子技术和半导体技术集成电路技术的发展、基于集成电路技术的发展、基于IP的的SOC设计设计 概念、特点、组成、发展趋势概念、特点、组成、发展趋势IT行业三大支柱：集成电路、通信网络、计算机技术机械式计算器的发展岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机通用图灵机电子技术和半导体技术的诞生电子技术和半导体技术的诞生电子管电子管(vacuum tube)时代时代晶体管晶体管(transistor)时代时代第一个晶体管的诞生第一个晶体管的诞生2022-1-13/ 53第一台数字式电子计算机从分立到集成从分立到

2、集成 第一块第一块IC诞生之后，诞生之后，基尔比在基尔比在IRE(美国无美国无线电工程师线电工程师学会学会)的一次的一次会议上宣布会议上宣布了了“固体电固体电路路”(Solid circuit)的出的出现，这就是现，这就是以后的以后的“集集成电路成电路”的的代名词代名词 。2022-1-15/ 53集成芯片使电路板面积大大集成芯片使电路板面积大大减小减小电子自控捕鱼器分离原件搭建电路电子自控捕鱼器分离原件搭建电路对应集成芯片对应集成芯片IBM大型机：大型机： IBM360集成度迅猛发展集成度迅猛发展2022-1-18/ 531980年诞生年诞生IBM PC机机新型新型PC机机第一台第一台IBM

3、 PC机机ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑笔记本电脑笔记本电脑PC机机集成电路的诞生对计算机的影响1972年8位CPU8008，后升级为8080。 1971年4位微处理器 1993年32位微处理器 2006年双核微处理器 1978年16位微处理器 1982年16位微处理器 1985年32位微处理器 ?1946年第一台数字电子计算机 2008年四核微处理器 2022-1-112/ 53计算机发展的主要阶段l第零代（第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器年）机械计算器和继电器计算器l第一代（第一代（19461955年）年）电子管计算机电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射

4、线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。件采用机器语言，后期采用汇编语言。l第二代（第二代（19551965年）晶体管计算机年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。语言，并出现了早期的操作系统。l第三代（第三代（19651980年）集成电路计算机年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘

5、。软件广泛使用。软件广泛使用OS，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络l第四代（第四代（1980年至今）个人计算机年至今）个人计算机 以以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。这一阶段诞生并获得飞速发展。l第

6、五代第五代 无所不在的计算机无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、1.2 集成电路与SOC设计集成电路的定义：集成电路的定义： 通过一系列特定的加工工艺，将晶体管等通过一系列特定的加工工艺，将晶体管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，照一定的电路互连，“集成集成”在一块半导体晶在一块半导体晶片上并封装在一个外壳内，执行特定电路或系片上并封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。统功能的一种器件。vIntel 公司第一代CPU40

7、04电路规模：电路规模：2300个晶体管个晶体管生产工艺：生产工艺：10um最快速度：最快速度：108KHz1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界上第一枚4位微处理器芯片Intel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的7位科学家”之一。 vIntel 公司CPUPentium 4电路规模：电路规模：4千千2百万个晶体管百万个晶体管生产工艺：生产工艺：0.13um最快速度：最快速度：2.4GHz奔腾奔腾4（Pentium 4，或简称奔，或简称奔4或或P4）是）是Intel生产的第生产的第7代代x

8、86微处微处理器，并且是继理器，并且是继1995年出品的年出品的Pentium Pro之后的第一款重新设之后的第一款重新设计过的处理器，这一新的架构称做计过的处理器，这一新的架构称做NetBurst。 发展阶段主要特征MSI(1966)LSI(1971)VLSI(1980)ULSI(1990)元件数/芯片102-103103-105105-107107-108特征线宽(um)10-55-33-11速度功耗乘积(uj)102-1010-11-10-210-2栅氧化层厚度(nm)120-100100-4040-1515-10结深(um)2-1.21.2-0.50.5-.020.2-.01芯片面积(

9、mm2)150vIC在各个发展阶段的主要特征数据在各个发展阶段的主要特征数据微米微米亚微米亚微米深微米深微米超深微米超深微米纳米纳米集成电路的发展趋势：能否在CPU内部集成更多的功能电路呢？SOC系统SOC的定义： 把把中央处理器中央处理器（CPU）、）、嵌入式存储器嵌入式存储器（Embedded memory）、）、数字信号处理器数字信号处理器（DSP）、）、数字功能模块数字功能模块（Digital function）、）、模拟功能模块模拟功能模块（Analog function）、）、模拟数字转换器模拟数字转换器（ADC, DAC）以及）以及各种外围配置各种外围配置（USB, MPEG,）

10、等电路设计在同一个芯片中，这就是所谓的）等电路设计在同一个芯片中，这就是所谓的SoC（片上系统）技术。（片上系统）技术。SOC的技术特征 以超深亚微米以超深亚微米VDSM（Very Deep Sub Micron）工艺和知识产权）工艺和知识产权IP（Intellectual Property）核复用（）核复用（Reuse）技术为支撑。）技术为支撑。 是当今超大规模集成电路的发展趋势，也是是当今超大规模集成电路的发展趋势，也是21世纪集成电路技术的主世纪集成电路技术的主流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。流，为集成电路产业提供了前所未有的广阔市场和难得的发展机遇。 设计中

11、，设计者面对的不再是电路芯片；而是能实现设计功能的设计中，设计者面对的不再是电路芯片；而是能实现设计功能的IP模模块库。块库。 设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础之上，利用己有设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础之上，利用己有的的IP芯核进芯核进 行设计重用。行设计重用。 建立在建立在IP芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计方法从传统的电芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计方法从传统的电路级设计转路级设计转 向系统级设计。向系统级设计。SOC中的核心IP核 IP核是指已经设计好的并经过实际验证的，具核是指已经设计好的并经过实际验证的，具有特定功能并经过性能优化的一些电

12、路功能模块。该电路功有特定功能并经过性能优化的一些电路功能模块。该电路功能模块不仅仅包含一些物理功能和技术特性，更重要的是包能模块不仅仅包含一些物理功能和技术特性，更重要的是包含了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。这些资料含了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。这些资料因而也被称为具有知识产权的内核（因而也被称为具有知识产权的内核（Intellectual Property Core），简称），简称IP核。核。 IPIP核的分类：核的分类： 软核（软核（Soft-CoreSoft-Core）、硬核（）、硬核（Hard-CoreHard-Core）、固核）、固核（Firm-CoreFi

13、rm-Core）。）。 IP核的优点：核的优点： 高的可复用性高的可复用性 可能达到的最好性能可能达到的最好性能 根据需要可灵活重塑根据需要可灵活重塑 可接受的成本可接受的成本 软核：软核：以硬件描述语言的方式提交，其性能通过时以硬件描述语言的方式提交，其性能通过时序模拟进行验证。由于软核不依赖于任何实现工艺或实序模拟进行验证。由于软核不依赖于任何实现工艺或实现技术具有很大的灵活性。使用者可以方便地将其映射现技术具有很大的灵活性。使用者可以方便地将其映射到自己所使用地工艺上去，可复用性很强。到自己所使用地工艺上去，可复用性很强。优点：优点：可复用性很强可复用性很强 。 使用者拥有全部源代码使用

14、者拥有全部源代码 。缺点：缺点：对从描述语言到版图的转换的全过程负责对从描述语言到版图的转换的全过程负责 。 工艺映射和系统的性能的一致性。工艺映射和系统的性能的一致性。 价格不菲。价格不菲。 硬核：硬核：以集成电路版图（以集成电路版图（LayoutLayout）的形式提交，并）的形式提交，并经过实际工艺流片验证。显然，硬核强烈地依赖于某一经过实际工艺流片验证。显然，硬核强烈地依赖于某一个特定地实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态个特定地实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更改性。及性能上具有不可更改性。 特点：特点：硬核强烈地依赖于某一个特定的实现工艺，硬核强烈地依赖

15、于某一个特定的实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更改性。改性。 优点：优点：不需优化工作、价格便宜不需优化工作、价格便宜 缺点：缺点：灵活性小、不能更改。灵活性小、不能更改。 固核：固核：介于硬核和软核之间，以电路网表（介于硬核和软核之间，以电路网表（Netlist）的形式提交并通常采用硬件进行验证。固核往往对应于某的形式提交并通常采用硬件进行验证。固核往往对应于某一个特定的实现工艺，在该实现工艺的条件下固核具有最一个特定的实现工艺，在该实现工艺的条件下固核具有最优的面积和性能的特性。优的面积和性能的特性。 优点：优点：固核

16、往往对应于某一个特定的实现工艺，固核往往对应于某一个特定的实现工艺，在该实现工艺的条件下固核具有最优的面积和性能的特在该实现工艺的条件下固核具有最优的面积和性能的特性。性。 缺点：缺点：网表的难读性网表的难读性 。SOC的基本结构：SOC设计过程：1.3 嵌入式系统lIEEE定义定义 devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plantsl国内普遍认同的定义国内普遍认同的定义 以以各种形态各种形态嵌入嵌入到对象体系中的到对象体系中的专用专用计算机计算机系统系统芯片级（芯片级

17、（MCU、SoC）板级（单板、模块）板级（单板、模块）设备级（工控机）设备级（工控机）Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device定义以应用为中心以应用为中心 软、硬件可裁软、硬件可裁剪剪 对体积、功耗、对体积、功耗、实时性、可靠实时性、可靠性、功能、成性、功能、成本等有严格约本等有严格约束束嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点硬件硬件软件软件开发系统开发系统嵌入式处理器嵌入式处理器存储器系统存储器系统外部接口外部接口EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC程序ROM数据RAM参数E

18、EPROMNVRAM并行接口串行接口音视频接口网络接口嵌入式操作系统嵌入式操作系统应用软件应用软件VxWorksc/OSWindows CE嵌入式Linux编译器链接器调试器集成软件环境集成软件环境硬件工具硬件工具仿真器编程器在线调试工具外围设备外围设备键盘LCD存储设备音频设备专用设备嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成2022-1-131/ 53嵌入式编程语言嵌入式编程语言l汇编语言汇编语言l开发较小的系统开发较小的系统l用于系统的初始化和与硬件有关的代码用于系统的初始化和与硬件有关的代码l用于对时间要求苛刻的应用用于对时间要求苛刻的应用lC (嵌入式嵌入式Linux， vxWorks)lC+ (EVC)lJava （安卓）（安卓）嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 1 1、网络化、支持分布式计算、网络化、支持分布式计算2 2、可编程、可在线更新、可编程、可在线更新3 3、集成度提高、集成度提高、SoC/NoCSoC/NoC4 4、开发平台的完备化、开发平台的完备化 5 5、友好的人机界面、友好的人机界面 6 6、IT行业的四大定律行业的四大定律MooreMoore定律定律 微处理器内晶体管集成度每微处理器内晶体管集成度每1818个月翻一番个月翻一番BellBell定律定律 如果保持计算能力不变，微处理器的价格每如果保持计算能力不变，