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2009年秋季学期2009年秋季学期首批 国家级精品课 北京市精品课 清华大学精品课数字电子技术基础欢迎大家 合作愉快主讲： 王 红 （检电所） 助教： 靳洋 郑焱 吕政梁 EDA实验室教师： 秦俭 陈莉平 电子技术实验室教师：阎捷 任艳频 答疑地点：中主楼 700C 或705 集中答疑时间： 周四下午 3:00~5:00 考核方式：平时 + 开卷考试（期中，期末） 作业：每周交一次（请各班课代表与助教联系）wang_hong@wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期电路原理数字电子技术基础 绪 论数字电子技术基础 模拟电子技术基础 电子技术课程设计电子技术实验 计算机原理与应用wang_hong@wang_hong@12009年秋季学期2009年秋季学期• 课程的性质：入门性质的技术基础课 • 课程目的：掌握基本概念、基本设计和分析的方法、 以及基本实验技能；具有能够继续深入学习和接受 电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专 业的能力。

• 学习方法：入门阶段以听课为线索，强调实践环 节；建立工程的观念、系统的观念、科学进步的观 念和实践的观念。

wang_hong@数字量和模拟量• 数字量：在时间上和数量上都是离散、不连续的。

（存在一个最小数量单位△） • 模拟量：数字量以外的物理量。

wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期Continuous versus Discrete • Which are “continuous”?– – – – – – – – Color Light Cars Sound Height and weight Dogs Electric current and voltage English lettersProblem Processing in Continuous • How to locate a song in an audio tape? • How to tune to a radio station?difficult!7Many natural phenomena are continuouswang_hong@ wang_hong@822009年秋季学期2009年秋季学期But Continuous Carries Huge Info. • Let us use “bits” as an indicator of the amount of information • 70 minutes of music ≈ ? Bits • A4-sized picture ≈ ? Bits • 2 hours of movie (DVD) ≈ ? Bits • Information carried in continuous things may be of higher density and processed quickerwang_hong@数字量和模拟量• 数字量：在时间上和数量上都是离散、不连续的。

（存在一个最小数量单位△） • 模拟量：数字量以外的物理量。

• 数字电路和模拟电路：工作信号、研究的对象、分 析/设计方法以及所用的数学工具都有显著的不同。

wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期什么是电子技术是研究电子器件及电子器件应用的 一门学科通过控制器件中载流子 的运动而进行工作电子技术的发展• • • • •SSIElectronic Design Automation47年 58年 69年 75年 …MSI贝尔实验室制成第一只晶体管 集成电路 （4-12-100-1000） 大规模集成电路（10万） 超大规模集成电路(15万) 技 术 EDALSI VLSI ULSI GLSI第一片集成电路只有4个晶体管，而97年一片集成电路 上有40亿个晶体管。

科学家预测集成度按10倍/6年的速wang_hong@度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。

wang_hong@32009年秋季学期How do you build systems with >1G components?2009年秋季学期• 电子电路 ? 处理信息，能量转换Personal Computer: Hardware & SoftwareCircuit Board: ≈1~8 / system 1-2G devicesIntegrated Circuit: ≈8-16 / PCB .25M-16M devicesModule: ≈8-16 / IC 100K devices• 模拟电路：用连续的模拟电压/流值来表示信息 • 数字电路：用一个离散的电压序列来表示信息MOSFETScheme for representing informationGate: ≈2-16 / Cell 8 devicesCell: ≈1K-10K / Module 16-64 deviceswang_hong@wang_hong@• StructureWhat do we see?结构2009年秋季学期2009年秋季学期– hierarchical design – limited complexity at each level – reusable building blocksWait! I think I see a bug in the DIV logic. Got that one off the web. Sure hope it works.Our plan of attack…• Understand how things work, bottom-up • Encapsulate our understanding using appropriate abstractions • Study organizational principles: abstractions, interfaces, API • Roll up our sleeves and design at each level of hierarchy • Learn engineering tricks – History – Systematic approaches – Algorithms – Diagnose, fix, and avoid bugswang_hong@• Interfaces 接口– Key elements of system engineering – Isolate technologies, allow evolution – Major abstraction mechanism• What makes a good system design?– minimal mechanism, maximal function – reliable in a wide range of environments – accommodates future technical improvementswang_hong@42009年秋季学期2009年秋季学期会看：定性分析 会算：定量计算Logic gates Combinational logic circuits Sequential logic: FSMsILL XAdr OP JT PCSEL 4 3 2 1 0 PC 00 Instruction Memory +4 D A} 分析问题的能力MOSFets & Voltages会选：电路形式、器件、参数 解决问题的能力－－设计能力 会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDARa <20:16> Rb: <15:11> 0 WASEL 1 Rc <25:21> RA2SEL RA1 1 0 Z WAWA RD1 JT C: <15:0> sign-extended Register File RD2 RA2 WD WE WE R F+C: <15:0> << 2 sign-extended XP Rc <25:21>D + G + VGS -S VDS ≥ 0C: <15:0> <PC>+4+C*4 IRQ ZASEL Control Logic1010BSELPCSEL RA2SEL A ASEL ALUFN BSEL WDSEL ALUFN Wr WERF WASEL <PC>+4 Data Mem ory ALU B WD R/W Wr解决问题的能力－－实践能力综合应用所学知识的能力AdrRD012W DS E Lwang_hong@wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期What is “Information 信息”?information, n. Knowledge communicated or received concerning a particular fact or circumstance.中国男足又输了Tell me something new…“Really, 没有考试 !”第一章 信息和编码Information resolves uncertainty. Information is simply that which cannot be predicted. The less predictable a message is, the more information it conveys!wang_hong@wang_hong@5Encoding 编码• Encoding describes the process of2009年秋季学期2009年秋季学期assigning representations to information2008011512 • 数制：表示数量的规则 • 码制：表示事物的规则• Choosing an appropriate and efficient encoding is a real engineering challenge • Impacts design at many levelsMechanism (devices, # of components used) Efficiency (bits used) Reliability (noise) Security (encryption)wang_hong@wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期十进制，二进制，八进制，十六进制• 数制： ①每一位的构成 ②从低位向高位的进位规则 我们常用到的： 十进制，二进制，八进制，十六进制逢二进一逢八进一逢十进一逢十六进一wang_hong@wang_hong@6Encoding numbers2009年秋季学期2009年秋季学期• 例v =n −1 i =0∑2 i bi( 101.11 )B = 1 × 2 2 + 0 × 21 + 1 × 2 0 + 1 × 2 −1 + 1 × 2 − 2 = ( 5.75 )D ( 2 A .7 F ) H = 2 × 161 + 10 × 16 0 + 7 × 16 −1 + 15 × 16 −2 = ( 42.4960937 )D2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2011 109876543210 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 = 200010 7 3 7 d 203720 Octal - base 8 000 - 0 001 - 1 010 - 2 011 - 3 100 - 4 101 - 5 110 - 6 111 - 7000x7d0 Hexadecimal - base 16 0000 - 0 1000 - 8 0001 - 1 1001 - 9 0010 - 2 1010 - a 0011 - 3 1011 - b 0100 - 4 1100 - c 0101 - 5 1101 - d 0110 - 6 1110 - e 0111 - 7 1111 - fOftentimes we will find it convenient to cluster groups of bits together for a more compact notation. Two popular groupings are clusters of 3 bits and 4 bits.Seems natural to me!D = ∑ Ki N iwang_hong@wang_hong@2009年秋季学期2009年秋季学期二、二进制数的补码：• 算术运算 二进制数的0/1可以表示数量，进行 加，减，乘，除。