数字系统发展及基本概念

计算机开展及数字

电子技术根本概念西安交通大学电气工程学院宁改娣第1章1.1计算机的开展1.2微处置器、微控制器及嵌入式处置器1.3数字电子技术根本概念1.4数字电子技术的重要性2024/2/21.1计算机的开展计算机是数字电路的代表，其开展根本由电子器件推进。真空电子管计算机——1946.2~1955.10ENIAC服役9年2024/2/21.1计算机的开展〔续〕晶体管计算机1960年，晶体管替代电子管的第二代计算机出如今商业领域、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。言语：出现COBOL和FORTRAN等高级言语，以单词、语句和数学公式替代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。2024/2/21.1计算机的开展〔续〕2024/2/2集成电路计算机1.1计算机的开展〔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，集成电路技术如今正逼近其极限〔0.2nm的工艺〕根本单元-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，能量耗费小。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置才干〔快10万倍〕；一旦缺点可自我修复；具有生物活性，可以与人体大脑和神经系统相连。2024/2/2CentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈CPU(ALU、Reg)Twobasicarchitectures:“VonNeumann“-Architecture“Harvard“–Architecture“VonNeumann〞-Architecture:SharedmemoryspacebetweencodeanddataSharedmemorybussesbetweencodeanddata“Harvard〞–Architecture:TwoindependentmemoryspacesforcodeanddataTwomemorybussystemsforcodeanddata?1.2微处置器、微控制器及嵌入式处置器1、Microprocessor(µP)或MicroprocessorUnit〔MPU〕微处置器:µP如Intel的CPU〔Intel80x86〕CPU存储器〔数据和指令〕数据总线地址总线冯•诺依曼构造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哈佛构造〔改良型〕1、Microprocessor(µP)微处置器特点：

多采用冯.诺依曼构造；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，需求244/245/373构成BUS；Intel8087浮点运算协处置器，8255PPI、8253/8254Timer、8237DMA、中断控制器8259、8250/8251串行通讯接口等。普遍功耗较大，如Intel的CPU多在20～100W，PowerPC最小也要5～10W。1、Microprocessor(µP)微处置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适宜于快速数字处置DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核

以及DSP狭义上讲，嵌入式处置器是一种处置器的IP核〔Intellectual

Property

core〕开发公司开发出处置器，本身不消费芯片，转让设计答应主要产品有：ARM〔AdvancedRISCMachines〕公司的ARM、SiliconGraphics公司的MIPS、IBM和Motorola结合开发的PowerPC。从广义上讲，MPU、MCU、DSP等都叫微处置器或嵌入式处置器。一切相关课程〔微机原理、单片机、DSP、嵌入式系统〕学习有类似性，根底是数字电子技术。3、嵌入式处置器1.3数字电子技术根本概念目前为止的数字世界是0和1的世界物质根底决议了0、1世界——电子开关数字运算规那么简单——0、1二进制数适宜逻辑运算——0、1与“真〞和“假〞对应用二进制表示数据具有抗干扰才干强，可靠性高等优点。2024/2/21.3数字电子技术根本概念模拟信号和数字信号2024/2/2模拟信号：在时间上和数值上均是延续的。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〞，实践为一区域2024/2/2模拟信号的二进制数表示2024/2/2要将一个模拟信号转换为数字信号，普通由模数转换器〔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、缺陷优点：可以准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展尽能够逼近的描画模拟信号处置比数字信号处置更简单。模拟信号的处置可以直接经过模拟电路组件〔例如运算放大器等〕实现，而数字信号处置往往涉及复杂的算法，甚至需求专门的数字信号处置器。缺陷：易受干扰，呵斥信号失真不易储存、复原及控制严密性差。比如模拟通讯，尤其是微波通讯和有线通讯，很容易被窃听。只需收到模拟信号，就容易得到通讯内容P.42024/2/218数字信号的优点、缺陷优点：所处置的数字信号只需两种取值(1、0〕；电路抗干扰才干强，信息便于长期存储便于计算机处置、辅助设计等严密性好。比如，语音信号经ADC后，可以先进展加密处置，再进展传输，在接纳端解密后再经数模转换〔DAC〕复原成模拟信号。缺陷：只能表示信号的近似值占用频带较宽，比如语音通讯进展模/数转换时会带来量化误差。P.42024/2/2脉冲信号的技术目的上升时间tr、下降时间tf、占空比q2024/2/2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根本框架数字电路分类组合逻辑电路——根本单元“门〞时序逻辑电路——根本单元“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。除根本“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。一切门电路都有系列化集成电路产品供选用。2024/2/2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。它有两个稳定形状，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〕有两种能自行坚持的稳定形状，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，电路可从一种稳定形状转变到另一种稳定形状；当触发信号消逝后，电路可以坚持现有形状不变。2024/2/2根本电路元件:晶体三极管场效应管集成运算放大器根本模拟电路:信号放大及运算(信号放大、功率放大〕信号处置〔采样坚持、电压比较、有源滤波〕信号发生〔正弦波发生器、三角波发生器、…〕2024/2/225/‹#›模拟电路研讨的问题根本电路元件门电路触发器根本数字电路组合逻辑电路〔不具备记忆功能〕时序电路〔存放器、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2024/2/226/‹#›数字电路研讨的问题数字电路特点总结电路构造简单，便于集成化可靠性、稳定性和抗干扰才干强数字运算的可反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能够经过编程改动芯片的逻辑功能——PLD2024/2/21.4数字电路课程的重要性是一门电类专业必修的专业根底课程，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——大转机性课程是很多院校某些专业考研课程数字电路是实际性很强的一门课程。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。2024/2/2数字电路课程学时分配课程和实验是教学方案中的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：制止盗版、严禁复印教材2024/2/2课堂教学考核方式平常成果〔20％〕上课到课率作业〔师生的一种沟通方式〕闭卷考试〔80％〕2024/2/2每个学生都有本人的学习方法，个人建议：抓住重点注重实际:电子技术课程的实际性很强，掌握根本实际知识，训练设计、组装、测试和排查缺点等才干。留意培育自学才干:电子技术是一门迅速开展的学科，必需靠不断学习，才干跟上开展步伐。注重课堂:欢迎举手讨论，班干部多沟通维持纪律按时完成作业，严厉按照规定时间交作业。课程学习方法2024/2/231/‹#›不论数字系统的复杂程度如何，规模大小怎样，根本内容是一样的。本教材从数字系统根底的数制和码制的引见入手，逐渐引领大家向数字系统的深一层次迈进，掌握以“PLD+MCU〞为中心的两片数字控制系统。

下堂课程讨论作业：思索题1.1~1.42024/2/2THEEND2024/2/2模拟与数字电路比较2024/2/234/‹#›模拟与数字电路比较2024/2/235/‹#›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2024/2/2/‹#›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、DAC2024/2/237/‹#›EDA技术以计算机为根本工具、借助于软件设计平台，自动完成数字系统的逻辑综合、规划布线、仿真等任务。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展设计设计方法原理图设计HDL言语设计形状机设计等EDA技术：ElectronicDesignAutomation基于PLD的EDA2024/2/238/‹#›2、仿真3、下载4、验证结果实验板下载线2024/2/239/‹#›设计方法的变化传统设计方法用教材引见的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在实践运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。假设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、形状表等工具来描画它、分析它、设计它