数字系统发展及基本概念

1.3 数字电子技术基本概念
模拟信号和数字信号
高电平 上升沿 低电平 V(t) 下降沿
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t
模拟信号：在时间上和数 2015/10/19 值上均是连续的。
数字信号：在时间上和 数值上均是离散的。
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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
地址总线 数据总线
CPU
地址总线 数据总线
– Two independent memory spaces for code and data – Two memory bus systems for code and data? 双口RAM 哈佛结构（改进型）
程序存储器 （或CACHE）
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1、Microprocessor (µP) 微处理器特点：
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Digital Signal Processor Core (DSP Core) 以及DSP

DSP核
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DSP Core Similar to a Microprocessor(µ P), e.g. core of a computing system

Central Device of a multi chip Micro Computer System ≈ CPU(ALU、Reg) Two basic architectures: – ―Von Neumann―- Architecture – ―Harvard― – Architecture 存储器


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
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，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。
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——1946.2~1955.10 ENIAC服役9年
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1.1 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。
模拟信号的二进制数表示
要将一个模拟信号转换为数字，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。
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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 17 通信，很容易被窃听。只要收到模拟信号，就容易 2015/10/19 得到通信内容
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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（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，基础是数字电子技术。
DSP Similar to a Microcontroller (µ C) Include a DSP core + Peripherals
适合于快速数字处理
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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）
地址总线 数据总线

―Von Neumann‖ - Architecture:
（数据和指令）
CPU
– Shared memory space between code and data冯•诺依曼结构 – Shared memory busses between code and data
数据存储器 ―Harvard‖ – Architecture: DRAM
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
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1.3 数字电子技术基本概念
1.4 数字电子技术的重要性
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1.1 计算机的发展
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。
Code - Memory Data - Memory
Memory Bus
Clock
Microprocessor
Timer/Counter
Peripheral Bus
Digital In
Digital In
Analogue In
Analogue Out
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2、微控制器(Microcontroller，µC) 或（ Micro-controller Unit，MCU）
比如，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 µ C Both µP – Architectures (―Von Neumann‖ and ―Harvard‖) are used inside Microcontrollers 多用于实时控制
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P.4
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。
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字来表示（比如，1和0）。如何表示呢？
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。
逻辑1 逻辑1
逻辑0
逻
逻辑
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辑0 0 电源电压为“强1”；0V为“强0”，实际为一区域
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1、Microprocessor (µ P) 微处理器构成的典型系统

多用于计算机，Example:Your Desktop —— PC
– Micro Computer = Microprocessor( µ P) + Memory + Peripherals
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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
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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。
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 2n
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