从IC的应用看现代电子设计的特点

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1、从IC的应用看现代电子设计的特点计算机系 李 经 达11电子器件的发展2集成电路发展对电子技术和电子行 业的影响3从经典电子设计到现代电子设计4掌握IC的应用，迎接现代电子设计的技术挑战2一、电子器件的发展1、分立元件时代p 普通常规电路器件 电阻 电容 电感 p 有源放大器件 电子管：1904，电子学、电子技术初见曙光晶体管：物理学的成果（量子物理、固体物 理）物理学家的贡献（肖克莱、 巴丁 1947）现代电子器件的基本元胞 p 集成电路的诞生 1958 物理学中电磁学部分研究的基 本对象，这个时代还没有形成 电子学和电子技术的学科。32、集成电路的发展 以存储器为例： p1965年，快捷公

2、司的施密特 (J. D. Schmidt) 使用金属氧化物半 导体技术做成实验性的随机存取存储器。 p1969年，英特尔公司推出第一个256位元随机存取存储器商业 性产品 。 p1969年，IBM的迪纳 (R. H. Dennard) 发明了只需一个三极管 和一个电容器，就可以储存一个位元记忆单元的动态随机存取存储 器； p现今半导体制程的发展常以的容量为指标。大致而言： 1970年就有1K的产品； 1974年进步到4K (线宽十微米)； 1976年16K （五微米）； 1979年64K (三微米)； 1983年256K （一点五微米）； 1986年1M （一点二微米）； 1989年4M (零

3、点八微米)；1992年16M (零点五微米)； 1995年64M (零点三五微米)； 1998年到256M (零点二五微米)； 大约每三年进步一个世代。 4二、集成电路发展对电子技术和电子行业的 影响p影响以集成电路应用为特征的现代电子系统对经典电子系统的激励冲撞给人类带来了极大好处，与此同时，也带采了极大的困惑，不只是技术上的困惑，更大的是观念上的困惑。 5pIC从量变到质变六十年代出现的IC(集成电路)是电子技术发展史上的里程碑。如此重要的历史意义只是在近十多年来才意识到的。这是因为IC并不会满足电路的集成，不会满足摩尔先生揭示的量变集成规律（每18个月集成度会翻一番，价格要降一倍），它还

4、要变成一个吞噬专家知识的黑洞。从电路集成发展到如今的知识集成体现了IC集成从量变到质变的过程 6IC发展历史示意图摩尔定律揭示了IC发展中电路集成的量变法则，但没揭示出IC知识集成的“黑洞”效应。图中给出了IC作为知识集成的发展过程。随着IC知识集成的发展，电路系统设计专家经历了解放、兴奋、困惑到贫困的时代。 7pIC发展的历史IC从诞生之日到现在已历经了4个技术年代：电路集成(CI)；功能集成(FI)；技术集成(TI)；知识集成(KI) 。8电路集成(CI)CI的标志是：分立电路的半导体集成化探索； 大量通用数字电路的集成。 在电路集成时代，系统的品质、性能由系 统设计专家的才能决定，IC的

5、出现解放了专家，使专家从许多繁琐的电路设计中解放出来，可以有更多的精力来提高系统的电气品 质。 ； 9功能集成（FI）FI的标志是大量功能电路的模块化电路集成，例如AD，DA转换器，测量放大器。功能集成除了电路集成外，还须有满足功能电路要求的许多专家知识。功能集成时代，许多大规模功能电路出现，使专家们很客易设计出前所未有的新产品系统； 10技术集成（TI）TI的标志是满足特定产品系统要求的电路、功能、技术的综合集成。许多单片形态的产品IC，如收音机、计算机、万用表的专用IC都可称作技术集成类IC产品。在技术集成年代，把许多专家精心设计的关键技术集成在器件中，人们逐渐进入崇尚器件解决的IC拜物主

6、义时代，系统设计的专家出现困惑：作为电子专家还有什麽作为？ 11知识集成（KI）KI的最重要特点是智能化集成，是计算机的软，硬件集成。目前最重要的形态是单片机应用系统软硬件的片上系 统集成(Systm-on-chip)。进入知识集成时代，人们设计产品系统时，不再寻找 专家，而是寻找系统集成的软，硬件平台。许多关键技 术（如可靠性设计，低功耗设计、电源管理，参数补偿 及校正等）都在IC及软、硬件平台中解决，不再走专家 解决的道路。 传统领域的大量专家面临贫困、失业！非传统领域的技术人员可以非常方便的在IC层次上进行技术的集成创新。12嵌入式系统集成器件 嵌入式系统集成器件是以计算机或CPU为核心

7、的集成器件。器件中除计算机CPU外，还有一些计算机或CPU外围单元。嵌入式系统集成器件是构成现代电子系统的核心器件。 嵌入式系统外围集成器件是一类与嵌入式系统器件配套的集成电路，大多是带有标准并行总线、串行总线接 口的器件，如ADC,DAC、计数器、I/0接口、LED/LGD显示驱动器、日历时钟、存储器等。 其中的CPU核心提供了系统智能化的功能基础。 13三、从经典电子设计到现代电子 设计 计算机技术与微电子技术推动了经典电 子系统向现代电子系统的发展。 141. 经典电子系统及其特点经典电子系统是由分立电子器件、功 能集成或半定制集成电路构成的电子系 统。它具有以下4个特点: (1)纯硬件

8、电路系统; (2)电子系统的功能完全由系统的 器件选择和系统设计决定。系统设计完成 后，产品功能无法改变; (3)系统功能实现为实时的激励一 响应模式，响应速度快; (4)系统的可靠性完全取决于系统 中各元器件的失效概率。 152. 现代电子系统及其特点现代电子系统由嵌入式系统集成器件为核心构成。 它具有以下5个特点:(1)具有智能化基础。智能化的基础是系统的 计算机嵌入。 (2)软、硬件相结合的体系结构。 (3)系统功能的柔性特性。系统硬件奠定了系 统的功能基础，而许多功能的实现要依靠应用程序设计 。现代电子系统产品中，不少改进升级型产品只体现在 应用程序设计中。 (4)激励运行响应的硬件控

9、制模式。 由于现代电子系统中，系统功能是在指令运行控制下实 现的，与经典电子系统的实时激励响应相比，响应 速度较慢。但指令运行本质上还是电路系统的工作过程 ，其响应速度能满足一般功能控制管理及人机交互要求 。 (5)系统的可靠性决定于硬件失效率和软件的 可靠性。 163、从经典电子系统到现代电子系统是必然的趋 势从经典电子系统发展到现代电子系统是微电子技术和 计算机技术发展的必然。现代电子系统迅猛发展是由以下 多种因素推动的: (1)嵌入式系统集成器件优异的性能吸引了众多的 系统设计工程师，他们把电子产品、工业控制难以解决 的问题求助于单片微机的解决办法。 (2)嵌入式系统集成器件的价格优势使

10、其能够推广 到一般家用电子系统，甚至智能化玩具中。 (3)现代电子系统可大幅度提高经典电子系统的品 质。因而是经典电子系统产品更新换代的唯一出路。 (4)采用现代电子系统可以做出许多经典电子系统 无法实现的电子产品。例如目前较流行的信息电子产品 如手机、传呼机、PDA、MP3、商务通、快译通、电子 辞典等，都是利用现代电子系统实现的 。17A、嵌入式系统技术 作为现代电子系统最核心的集成器件是嵌入式系统集成器件。在了解现代电子系统时必须弄清什么是嵌入式系统、什么是单片机，以及它们相对于通用计算机的区别与特点等。 4、现代电子设计的两大支撑技术18（1）嵌入式计算机与通用计算 机 p 嵌入式计算

11、机与通用计算机是计算机应用的两大分支。其应用目的、应用环境以及对计算机技术发展的要求是不相同的。p 嵌入式计算机实现嵌入式应用后不保持通用计算机的形态，而是形成各种现代电子系统的形态。 19（2）与通用计算机系统应用相比，嵌入式计算机要实 现嵌入式应用，与通用计算机系统有很大差别: 现场环境的可靠性：嵌入式计算机在对象环境中运 行，要求能在恶劣的机械、电气等环境下正常运行，而 通用计算机系统只要求在办公室环境下运行;通用计算机 系统人机结合较密切，且无被控对象，长期以来对死机 现象熟视无睹，而现场控制系统决不允许系统死机。 嵌入式应用的空间限制性：因为要嵌入到控制对象 的内部。 以控制功能为主

12、的技术要求: 嵌入式计算机要有突出 的对对象的控制功能，要求有很强的输出/输人功能，有 方便与外部对象控制、检测单元连接的总线接口，而对 大存储空间及运算速度的要求不是很高。 要有满足对象要求的外围电路的集成。 20（3）单片机是典型的嵌入式系统单片机是在微电子技术发展到一定阶段，通用计算机无法满足嵌入式应用要求的背景下诞生的。20世纪80年代中，计算机专家预测到未来嵌入式计算机的巨大应用领域及市场需求，决定另辟蹊径，完全按照嵌入式应用对计算机提出的可靠性、物理空间、控制功能、外围集成、扩展总线要求，将这些功能设计并集成在一个芯片上，推出了专门作为嵌入式应用的 单芯片集成的8位微型计算机。因此

13、，单片机是最典型的嵌入式系统。 21（4）嵌入式系统的种类 微控制器（MCU）类即单片机类，这是最典型的嵌入式系 统。因为单片机从结构体系、指令系统到 外围单元集成都是专门为嵌入式应用的技 术要求设计的。MCU体积小、价位低，被广泛用于中小型电子系统中，但没有现成 的开发环境支持。 22 嵌入式微处理器类嵌入式微处理器通常以单片嵌入式微处理 器或各种嵌入式CPU模块的形式进人市场。单片嵌入式微处理器是将通用微处理器和相应 的外围电路集成在一片芯片上构成。例如典型的单 片嵌入式微处理器386EX就是在通用CPU 386CX的 基础上，将外围定时器、中断控制器、DMA控制器 ,I/0口、串行接口集

14、成在一片芯片上构成的。嵌入式CPU模块是一种以通用微处理器为核心 ，将外围电路做在一块电路板上的各种OEM产品。嵌入式微处理器由于使用了通用微处理器 ，故可以获得通用计算机系统开发环境的支持 。 23 工控机类工控机最大限度保持了原有通用计算机的结构形态和操作系统，应用开发十分方便。 工控机类有经过电气、机械加固的工控机，也有重新设计的适合工控应用环境的工控机，如PC104等。 24（5）嵌入式系统的特点 与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必须满足对象系统的环境要求，如物理环境(小型)、电气气氛环境(可靠)、成本(价廉)等要求。与“专用性”的相关特点：软、硬件的可裁剪性去除冗余，

15、力争在一个芯片上，实现满足对象要求的最小软、硬件配置。 与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机必须配置有与对象系统相适应的接口电路。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体工艺、电子技术和通信网络技术与各领域的具体应用相结合的产物。这一特点决定了它必然是一个技术密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 25（6）嵌入式系统的两种应用模式 q非计算机领域的电子工程师在控制、仪器仪表、机械电子等方面实现传统电子系统智能化的 嵌入式底层应用 。 q由计算机领域人员介入的，在体系结构、软件技术方面的研究。（基于嵌入式系统软、硬件平

16、台，以网络、通信和消费类电子产品为主的 嵌入式非底层应用 ）26p 嵌入式系统应用是不可垄断的高度分散的技术领域，充满了竞争、机遇与创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。各不相同的应用领域决定了不可能由少数公司、少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个行业高新技术创新的余地很大。q 嵌入式系统技术适合中国的国情27B、 EDA技术及其发展 EDA (Electronic Design Automation) p EDA技术发展的三个阶段 20世纪70年代MOS工艺 电路CAD概念 20世纪80年代CMOS时代 出现 FPGA 20世纪90年代ASIC设计技术 EDA技术 (Application Specific Integrated Circuit) 28p 进入21世纪后， EDA技术得到了更大的发展 ：电子设计成果 自主知识产权仿真和设