数字电子技术与微处理器基础

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1 数字电子技术与微处理器基础 ( 第 1 讲 ) 主讲 : 张国钢副教授 西安交通大学电气工程学院 2017 年春

2 第 1 章计算机发展及数字电子技术 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

3 1.1 计算机的发展 电子管计算机 (1946~1958) 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 ~ ENIAC 服役 9 年 美国宾夕法尼亚大学 1946 年研制 注 : 运算速度 5000 次 / 秒, 功耗 150kw/h, 重量 30t, 占地 170m2, 造价 100 万美元

4 1.1 计算机的发展 晶体管计算机 (1959~1963) 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

5 1.1 计算机的发展 集成电路计算机 (1964~)

6 第一代 4 位和低档 8 位机 Intel 第二代 中高档 8 位机 Intel 8080/8085 Z80 MC6800 ( ) 16 位机 第三代 ( ) Intel 8086/ Z8000 MC68000 第四代 32 位机 ( ) ( ) Xi an Jiaotong University 微处理器发展 特点 : 1 主频越来越高 ( 运算速度 ) 2 总线越来越宽 ( 字长 ) 3 功能越来越强 ( 指令集 ) Intel MC 位机 第五代 Intel Pentium AMD K5 ( ) ( ) 第六代 第六代之后 32 位机 Pentium PRO Ⅱ Ⅲ Ⅳ AMD K6 K7 Athlon 64 位机 AMD K8 Athlon64 Intel Pentium D (2004-) 5

7 1.1 计算机的发展 第四代量子 光子 生物等未来计算机 (1990~) 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 ) 量子计算机 基本单元 - 量子比特 (q-bit) 可代表多个数, 大数因式分解 ms 级 目前普通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

8 1.2 微处理器 微控制器及嵌入式处理器 微处理器 Central Processing Unit,CPU (ALU, Reg) Von Neumann - Architecture: Shared memory space between code and data Shared memory buses between code and data 存储器 ( 数据和指令 ) 地址总线 数据总线 CPU 冯 诺依曼结构

9 1.2.1 微处理器 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 /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

10 1.2.1 微处理器 微处理器构成的典型系统 多用于计算机, 例如 :PC Micro Computer = Microprocessor(µP) + Memory + Peripherals Code - Memory Data - Memory Memory Bus Clock Microprocessor Peripheral Bus Timer/Counter Digital In Digital In Analogue In Analogue Out

11 1.2.2 微控制器 Micro-control Unit(MCU) Digital Signal Processor (DSP) Harvard Architecture: Two independent memory spaces for code and data Two memory bus systems for code and data 地址总线 地址总线 数据存储器 DRAM 数据总线 CPU 数据总线 程序存储器 ( 或 CACHE) 哈佛结构

12 1.2.2 微控制器 Micro-control Unit(MCU), 例如,MCS-51 单片机 Nothing more than a Micro Computer as a single silicon chip! Guarantee cost efficient and powerful solutions for embedded control applications Over 200 independent families of µc Both µp Architectures ( Von Neumann and Harvard ) are used inside Microcontrollers 多用于实时控制

13 1.2.2 微控制器 Digital Signal Processor (DSP) DSP 核以及 DSP DSP Core Similar to a Microprocessor(µP), e.g. core of a computing system Additional Hardware Units to speed up computing of sophisticated mathematical operations: Additional Hardware Multiply Unit(s) Additional data memory addresses Arithmetic Unit(s) Additional Bus Systems for parallel access Additional Hardware Shifter for scaling and/or multiply/divide by 2 n DSP Similar to a Microcontroller (µc) Include a DSP core + Peripherals 适合于快速数字处理

14 1.2.3 嵌入式处理器 狭义上讲, 嵌入式处理器是一种处理器的 IP 核 (Intellectual Property Core) ARM 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(Advanced RISC Machines) 公司的 ARM Silicon Graphics 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

15 1.3 数字电子技术基本概念 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 理论基础 : 布尔代数 乔治布尔 信息论 克劳德香农

16 1.3 数字电子技术基本概念 模拟信号和数字信号 高电平 V(t) 低电平 上升沿 下降沿 t 模拟信号 : 在时间上和数值上均是连续的 图 典型的信号时序图 数字信号 : 在时间上和数值上均是离散的

17 1.3.2 模拟信号和数字信号 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 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 逻辑 1 逻辑 1 逻辑 0 逻辑 0 逻辑 0 电源电压为 强 1 ;0V 为 强 0, 实际为一区域 图 正逻辑的 0 和

18 1.3.2 模拟信号和数字信号 模拟信号的二进制数表示 : 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 (2 8 ) 个整数表示 第三个采样点的模拟值接近 5V 图 模拟信号的二进制表示

19 1.3.2 模拟信号和数字信号 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

20 1.3.2 模拟信号和数字信号 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

21 1.3.3 脉冲信号的技术指标 脉冲幅度 Um 脉冲宽度 Tw 上升时间 t r 下降时间 t f 脉冲周期 T 占空比 q 图 脉冲信号的特性指标

22 1.3.4 数字电子电路及其特点 模拟电子技术 : 处理模拟信号的电子电路或网络电子技术 数字电子技术 : 处理数字信号的电子电路或网络 模拟电路 模电 简称为 复杂系统包括数电和模电两部分 数字电路 数电 图 模拟与数字世界的转换

23 1.3.4 数字电子电路及其特点 图 数字控制系统基本框图

24 模拟与数字电路比较

25 模拟与数字电路比较

26 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 大规模集成 受环境温度 湿度 噪声 电磁场 大量连线等的干扰和影响大 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 不受这些因素的影响 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 / # 25

27 1.3.5 数字电路分类及基本单元 组合逻辑电路 基本单元 门 门电路 : 能实现逻辑运算的电路称为门电路 (gate circuits) 每一种门电路的输入与输出之间, 都有一定的逻辑关系 时序逻辑电路 基本单元 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

28 1.3.5 数字电路分类及基本单元 数字电路的特点 : 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 PLD

29 1.4 数字电子技术的重要性 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 微机控制系统 智能电器等的先修课程 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, 实验是非常重要的学习环节 数电实验作为单独的一门课程, 不及格要重修实验

30 1.4 数字电子技术的重要性 传统设计方法 教材中介绍的 74 系列等数字通用集成电路来实现系统划分 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, 也是无能为力的 现代数字系统设计方法 采用可编程集成电路 ( 如可编程逻辑器件 PLD) 来实现 由于可编程逻辑器件具有用户可编程的逻辑特性, 用户可以在现场更改其内部功能, 因此,PLD 在数字系统中得到了越来越广泛的应用

31 学什么?

32 如何学? 抓住重点 : 重视课堂听讲, 课前预习 课后复习, 及时向老师反馈并解决知识点理解中的问题 ; 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 按时完成作业 : 按照规定时间独立完成作业

33 教学资料网址 : 课程资料 : 答疑地点 : 东一楼电器教研室 211 Tel: ggzhang@mail.xjtu.edu.cn

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