计算机发展及数字电子技术基本概念

计算机发展及数字

电子技术基本概念西安交通大学电气工程学院宁改娣第1章1.1计算机的发展1.2微处理器、微控制器及嵌入式处理器1.3数字电子技术基本概念1.4数字电子技术的重要性2024/5/261.1计算机的发展计算机是数字电路的代表，其发展基本由电子器件推动。真空电子管计算机——1946.2~1955.10ENIAC服役9年2024/5/261.1计算机的发展（续）晶体管计算机1960年，晶体管代替电子管的第二代计算机出现在商业领域、大学和政府部门的计算机。配备:打印机、磁带、磁盘、内存、操作系统等。语言：出现COBOL和FORTRAN等高级语言，以单词、语句和数学公式代替了含混晦涩的二进制机器码。新的职业出现：程序员、计算机系统专家等由此诞生。2024/5/261.1计算机的发展（续）2024/5/26集成电路计算机1.1计算机的发展（续）第四代量子、光子、生物等未来计算机“电子”计算机从真空管、晶体管、集成电路、超大规模集成电路，开关元件尺寸越做越小，然而由于量子效应的存在，集成电路技术现在正逼近其极限（0.2nm的工艺）基本单元-量子比特（q-bit）——可代表多个数，大数因式分解ms级。目前计算机难以短期实现。光子计算机——光子比电子快，存储量大，能量消耗小。生物计算机——即脱氧核糖核酸（DNA）分子计算机。蛋白质分子比电子元件小很多；生物芯片具有并行处理能力（快10万倍）；一旦故障可自我修复；具有生物活性，能够与人体大脑和神经系统相连。2024/5/26CentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈CPU(ALU、Reg)Twobasicarchitectures:“VonNeumann“-Architecture“Harvard“–Architecture“VonNeumann”-Architecture:SharedmemoryspacebetweencodeanddataSharedmemorybussesbetweencodeanddata“Harvard”–Architecture:TwoindependentmemoryspacesforcodeanddataTwomemorybussystemsforcodeanddata?1.2微处理器、微控制器及嵌入式处理器1、Microprocessor(µP)或MicroprocessorUnit（MPU）微处理器:µP如Intel的CPU（Intel80x86）CPU存储器（数据和指令）数据总线地址总线冯•诺依曼结构CPU程序存储器（或CACHE）数据存储器DRAM数据总线数据总线地址总线地址总线双口RAM哈佛结构（改进型）1、Microprocessor(µP)微处理器特点：

多采用冯.诺依曼结构；普遍没有DMA通道控制器、定时器等外设；普遍没有通用存储器及接口和IO接口，比如，微机原理学习的Intel8088/8086，需要244/245/373构成BUS；Intel8087浮点运算协处理器，8255PPI、8253/8254Timer、8237DMA、中断控制器8259、8250/8251串行通信接口等。普遍功耗较大，如Intel的CPU多在20～100W，PowerPC最小也要5～10W。1、Microprocessor(µP)微处理器构成的典型系统多用于计算机，Example:YourDesktop——PCMicroComputer=Microprocessor(µP)+Memory+PeripheralsMicroprocessorCode-MemoryData-MemoryClockTimer/CounterAnalogueOutDigitalInAnalogueInDigitalInMemoryBusPeripheralBus比如，MCS-51单片机NothingmorethanaMicroComputerasasinglesiliconchip!GuaranteecostefficientandpowerfulsolutionsforembeddedcontrolapplicationsOver200independentfamiliesofµCBothµP–Architectures(“VonNeumann”and“Harvard”)areusedinsideMicrocontrollers多用于实时控制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适合于快速数字处理DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核

以及DSP狭义上讲，嵌入式处理器是一种处理器的IP核（Intellectual

Property

core）开发公司开发出处理器，本身不生产芯片，转让设计许可主要产品有：ARM（AdvancedRISCMachines）公司的ARM、SiliconGraphics公司的MIPS、IBM和Motorola联合开发的PowerPC。从广义上讲，MPU、MCU、DSP等都叫微处理器或嵌入式处理器。所有相关课程（微机原理、单片机、DSP、嵌入式系统）学习有类似性，基础是数字电子技术。

3、嵌入式处理器1.3数字电子技术基本概念目前为止的数字世界是0和1的世界物质基础决定了0、1世界——电子开关数字运算规则简单——0、1二进制数适合逻辑运算——0、1与“真”和“假”对应用二进制表示数据具有抗干扰能力强，可靠性高等优点。2024/5/261.3数字电子技术基本概念模拟信号和数字信号2024/5/26模拟信号：在时间上和数值上均是连续的。数字信号：在时间上和数值上均是离散的。tV(t)高电平低电平上升沿下降沿

有两种逻辑体制：正逻辑体制规定：高电平为逻辑1，低电平为逻辑0。

负逻辑体制规定：低电平为逻辑1，高电平为逻辑0。正逻辑与负逻辑数字信号是一种二值信号——高电平和低电平，可以由两个数字来表示（比如，1和0）。如何表示呢？

逻辑0

逻辑0

逻辑0

逻辑1

逻辑1

电源电压为“强1”；0V为“强0”，实际为一区域2024/5/26模拟信号的二进制数表示2024/5/26要将一个模拟信号转换为数字信号，一般由模数转换器（ADC）。比如，用8位ADC器件，只能由0~255共（28）个整数表示。第三个采样点的模拟值接近5V——11111101。17模拟信号的优点、缺点优点：可以精确表示原信号由于不存在量化误差，它可以对自然界物理量的真实值进行尽可能逼近的描述模拟信号处理比数字信号处理更简单。模拟信号的处理可以直接通过模拟电路组件（例如运算放大器等）实现，而数字信号处理往往涉及复杂的算法，甚至需要专门的数字信号处理器。缺点：易受干扰，造成信号失真不易储存、还原及控制保密性差。比如模拟通信，尤其是微波通信和有线通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易得到通信内容P.42024/5/2618数字信号的优点、缺点优点：所处理的数字信号只有两种取值(1、0）；电路抗干扰能力强，信息便于长期存储便于计算机处理、辅助设计等保密性好。比如，语音信号经ADC后，可以先进行加密处理，再进行传输，在接收端解密后再经数模转换（DAC）还原成模拟信号。缺点：只能表示信号的近似值占用频带较宽，比如语音通信进行模/数转换时会带来量化误差。P.42024/5/26脉冲信号的技术指标上升时间tr、下降时间tf、占空比q2024/5/26电子电路模拟电路模拟信号模拟信号数字电路数字信号数字信号数字系统基本框架数字电路分类组合逻辑电路——基本单元“门”时序逻辑电路——基本单元“触发器”门电路能实现逻辑运算的电路称为门电路（gatecircuits）。每一种门电路的输入与输出之间，都有一定的逻辑关系。逻辑是指“条件”与“结果”的关系。输入信号反映“条件”，输出反映“结果”。利用门电路可以组成具有各种逻辑功能的组合逻辑电路。除基本“与”、“或”和“非”门电路之外，常用的门电路还有与非、或非、与或非等门电路。所有门电路都有系列化集成电路产品供选用。2024/5/26触发器触发器是具有记忆或存储1位二值信息的一种逻辑电路。它有两个稳定状态，可以存储1位二值代码或数码，触发器具有以下两个特点：1）有两种能自行保持的稳定状态，分别表示二进制数0和1或者二值信息逻辑0和逻辑1；2）在适当触发信号作用下，电路可从一种稳定状态转变到另一种稳定状态；当触发信号消失后，电路能够保持现有状态不变。2024/5/26基本电路元件:晶体三极管场效应管集成运算放大器基本模拟电路:

信号放大及运算(信号放大、功率放大）信号处理（采样保持、电压比较、有源滤波）信号发生（正弦波发生器、三角波发生器、…）2024/5/2625/‹#›模拟电路研究的问题基本电路元件门电路

触发器基本数字电路

组合逻辑电路（不具备记忆功能）时序电路（寄存器、计数器、脉冲发生器、脉冲整形电路）可编程逻辑器件（PLD）存储器、A/D转换器、D/A转换器其底层是半导体器件2024/5/2626/‹#›数字电路研究的问题数字电路特点总结

电路结构简单，便于集成化可靠性、稳定性和抗干扰能力强数字运算的可重复性好可完成数字运算和逻辑运算、信号存储等容易采用计算机辅助设计有可能通过编程改变芯片的逻辑功能——PLD2024/5/261.4数字电路课程的重要性是一门电类专业必修的专业基础课程，这门课程的掌握情况直接关系到其它专业课程的学习和科研训练。是单片机、微型计算机原理的先修课程是走进数字时代的第一入门课程——大转折性课程是很多院校某些专业考研课程数字电路是实践性很强的一门课程。数电实验——是非常非常重要的一个学习环节，所以作为单独的一门课程，不及格要重修实验。2024/5/26数字电路课程学时分配课程和实验是教学计划中的2门课数字电子技术：56

学分：3.5电子技术实验2：24

学分：0.75上课及实验教材：禁止盗版、严禁复印教材2024/5/26课堂教学考核形式平时成绩（20％）上课到课率作业（师生的一种沟通方式）闭卷考试（80％）2024/5/26每个学生都有自己的学习方法，个人建议：抓住重点重视实践:电子技术课程的实践性很强，掌握基本理论知识，训练设计、组装、测试和排查故障等能力。注意培养自学能力:电子技术是一门迅速发展的学科，必须靠不断学习，才能跟上发展步伐。重视课堂:欢迎举手讨论，班干部多沟通维持纪律按时完成作业，严格按照规定时间交作业。课程学习方法2024/5/2631/‹#›不论数字系统的复杂程度如何，规模大小怎样，基本内容是一样的。本教材从数字系统基础的数制和码制的介绍入手，逐步引领大家向数字系统的深一层次迈进，掌握以“PLD+MCU”为核心的两片数字控制系统。

下堂课程讨论作业：思考题1.1~1.42024/5/26THEEND2024/5/26

模拟与数字电路比较2024/5/2634/‹#›模拟与数字电路比较2024/5/2635/‹#›36模拟与数字电路比较信号处理方式的比较比较因素模拟方式数字方式修改设计的灵活性修改硬件设计，或调整硬件参数元器件少、改变软件设置精度元器件精度、老化、电源波动A/D的位数和计算机字长，算法可靠性和可重复性受环境温度、湿度、噪声、电磁场、大量连线等的干扰和影响大不受这些因素的影响大规模集成尽管已有一些模拟集成电路，但品种较少、集成度不高、价格较高DSP器件体积小、功能强、功耗小、一致性好、使用方便、性能/价格比高实时性除开电路引入的延时外，处理是实时的由计算机的处理速度决定→FPGA高频信号的处理可以处理包括微波毫米波乃至光波信号按照奈准则的要求，受S/H、A/D和处理速度的限制2024/5/26/‹#›逻辑门电路布尔代数具有开关特性的半导体器件组合逻辑电路时序逻辑电路脉冲产生和整形电路可编程逻辑电路ADC、DAC2024/5/2637/‹#›EDA技术以计算机为基本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、布局布线、仿真等工作。最后下载到PLD芯片，实现方案。1、设计：在计算机上利用软件平台进行设计设计方法原理图设计HDL语言设计状态机设计等

EDA技术：ElectronicDesignAutomation

基于PLD的EDA2024/5/2638/‹#›2、仿真3、下载4、验证结果实验板下载线2024/5/2639/‹#›设计方法的变化传统设计方法

用教材介绍的74系列等数字通用集成电路来实现系统化分子系统设计原理图

调试焊接元器件制版PCB

在实际使用中还存在一定的局限性，这就是它只适用于电路，而不适用于系统。如果一个数字系统有多个外部输入和几十个、几百个甚至上千个记忆单元，再用真值表、状态表等工具来描述它、分析它、设计它，显然是不适当的，