数字系统发展及基本概念

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2/30DigitalLogicCircuit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2019/8/263/30DigitalLogicCircuit1.1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2019/8/264/30DigitalLogicCircuit1.1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。2019/8/265/30DigitalLogicCircuit1.1计算机的发展（续）2019/8/26集成电路计算机6/30DigitalLogicCircuit1.1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。2019/8/267/30DigitalLogicCircuitCentralDeviceofamultichipMicroComputerSystem≈CPU(ALU、Reg)Twobasicarchitectures:–“VonNeumann“-Architecture–“Harvard“–Architecture“VonNeumann”-Architecture:–Sharedmemoryspacebetweencodeanddata–Sharedmemorybussesbetweencodeanddata“Harvard”–Architecture:–Twoindependentmemoryspacesforcodeanddata–Twomemorybussystemsforcodeanddata?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）8/30DigitalLogicCircuit1、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。9/30DigitalLogicCircuit1、Microprocessor(µP)微处理器构成的典型系统多用于计算机，Example:YourDesktop——PC–MicroComputer=Microprocessor(µP)+Memory+PeripheralsMicroprocessorCode-MemoryData-MemoryClockTimer/CounterAnalogueOutDigitalInAnalogueInDigitalInMemoryBusPeripheralBus10/30DigitalLogicCircuit比如，MCS-51单片机NothingmorethanaMicroComputerasasinglesiliconchip!GuaranteecostefficientandpowerfulsolutionsforembeddedcontrolapplicationsOver200independentfamiliesofµCBothµP–Architectures(“VonNeumann”and“Harvard”)areusedinsideMicrocontrollers多用于实时控制2、微控制器(Microcontroller，µC)或（Micro-controllerUnit，MCU）11/30DigitalLogicCircuitDSPCoreSimilartoaMicroprocessor(µP),e.g.coreofacomputingsystemAdditionalHardwareUnitstospeedupcomputingofsophisticatedmathematicaloperations:–AdditionalHardwareMultiplyUnit(s)–AdditionaldatamemoryaddressesArithmeticUnit(s)–AdditionalBusSystemsforparallelaccess–AdditionalHardwareShifterforscalingand/ormultiply/divideby2nDSPSimilartoaMicrocontroller(µC)IncludeaDSPcore+Peripherals适合于快速数字处理DigitalSignalProcessorCore(DSPCore)DSP核以及DSP12/30DigitalLogicCircuit狭义上讲，嵌入式处理器是一种处理器的IP核（IntellectualPropertycore）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13/30DigitalLogicCircuit1.3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。2019/8/2614/30DigitalLogicCircuit1.3数字电子技术基本概念模拟信号和数字信号2019/8/26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15/30DigitalLogicCircuit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2019/8/2616/30DigitalLogicCircuit模拟信号的二进制数表示2019/8/26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。17/30DigitalLogicCircuit17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.42019/8/2618/30DigitalLogicCircuit18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.42019/8/2619/30DigitalLogicCircuit脉冲信号的技术指标上升时间tr、下降时间tf、占空比q2019/8/26电子电路电两部分复杂系统包括数电和模—数电—数字电路—模电—模拟电路简称为以实现计算及操作络字信号的电子电路或网数字电子技术：处理数络拟信号的电子电路或网模拟电子技术：处理模电子技术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”23/30DigitalLogicCircuit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。2019/8/2624/30DigitalLogicCircuit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。2019/8/2625/30DigitalLogicCircuit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、…）2019/8/2625/‹#›模拟电路研究的问题26/30DigitalLogicCircuit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2019/8/2626/‹#›数字电路研究的问题27/30DigitalLogicCircuit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——PLD2019/8/2628/30