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1、第1章 概述,一. 半导体技术与计算机的发展(了解)机械式计算机、电子技术和半导体技术 二. 集成电路与SOC设计(理解)集成电路技术的发展、基于IP的SOC设计,三.嵌入式（计算机）系统 (了解) 概念、特点、组成、发展趋势,四.计算机中的数据表示及码制(必须熟练掌握),机械式计算机的发展,岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机,里程碑人物,第一代电子管计算机ENIAC,ENIAC (1946),掌上电脑,按性能和体积可分为：巨型机，大型机，中型机，小型机，微机,笔记本电脑,PC机,集成电路的诞生,1972年8位CPU8008，后升级为8080。,1971年4位微处理器,1993年32位
2、微处理器,2006年双核微处理器,1978年16位微处理器,1982年16位微处理器,1985年32位微处理器,?,1946年第一台数字电子计算机,2008年四核微处理器,Gordon Moore：Intel的创始人之一,摩尔定律：集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番，而性能提高一倍。,英特尔(Intel)名誉董事长、创始人之一的戈登摩尔 （Gordon Moore）,Gordon Moore 1965的预言已经40多年了，这条IT第一定律还能走多远？,英特尔CEO克雷格贝瑞特,计算机发展的主要阶段,第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（1946195
3、5年）电子管计算机以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。 第二代（19551965年）晶体管计算机以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。 第三代（19651980年）集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用OS，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（1980年至今）个人计算机以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广
4、泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。 第五代 无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、,1.2 集成电路与SOC设计,集成电路的定义：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管等有源器件和电阻、电容、电感等无源器件，按照一定的电路互连，“集成”在一块半导体芯片上并封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。,Intel 公司第一代CPU4004,电路规模：2300个晶体管 生产工艺：10um 最快速度：108KHz,Intel 公司CPUPentium 4,电路规模：4200万个晶体管 生产工艺：0.13um 最快速度：2.4GHz,I
5、C在各个发展阶段的主要特征数据,微米,亚微米,深微米,超深微米,纳米,集成电路的发展趋势：,能否在CPU内部集成更多的功能电路呢？,SOC系统,(0.80.35m称为亚微米，0.25m及其以下称为深亚微米，0.05m及其以下称为纳米级),SOC的定义：,把中央处理器（CPU）、嵌入式存储器（Embedded memory）、数字信号处理器（DSP）、数字功能模块（Digital function）、模拟功能模块（Analog function）、模拟数字转换器（ADC, DAC）以及各种外围配置（USB, MPEG,）等电路设计在同一个芯片中，这就是所谓的SoC（片上系统）技术。,via发布a
6、rm9结构soc芯片（音频解码芯片）,SOC中的核心IP核,定义： IP核是指已经设计好的并经过实际验证的，具有特定功能并经过性能优化的一些电路功能模块。该电路功能模块不仅仅包含一些物理功能和技术特性，更重要的是包含了设计者的创造性思维，具有很强的知识内涵。这些资料因而也被称为具有知识产权的内核（Intellectual Property Core），简称IP核。,IP核的分类：软核（Soft-Core）、硬核（Hard-Core）、固核（Firm-Core）。,IP核的优点： 高的可复用性 可能达到的最好性能 根据需要可灵活重塑 可接受的成本,软核：以硬件描述语言的方式提交，其性能通过时序模
7、拟进行验证。由于软核不依赖于任何实现工艺或实现技术具有很大的灵活性。使用者可以方便地将其映射到自己所使用的工艺上去，可复用性很强。,优点：灵活性很强。使用者拥有全部源代码 。 缺点：对从描述语言到版图的转换的全过程负责 。工艺映射和系统的性能的一致性。,硬核：以集成电路版图（Layout）的形式提交，并经过实际工艺流片验证。显然，硬核强烈地依赖于某一个特定地实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更改性。,特点：硬核强烈地依赖于某一个特定的实现工艺，而且在具体的物理尺寸，物理形态及性能上具有不可更改性。优点：不需优化工作、价格便宜缺点：灵活性小、不能更改。,固核：IP固核的设计
8、程度则是介于软核和硬核之间，除了完成软核所有的设计外，还完成了门级电路综合和时序仿真等设计环节，一般以门级电路网表的形式提供给用户。固核往往对应于某一个特定的实现工艺（拓扑结构上进行的优化），在该实现工艺的条件下固核具有最优的面积和性能的特性。,优点：固核往往对应于某一个特定的实现工艺，在该实现工艺的条件下固核具有最优的面积和性能的特性。 缺点：网表的难读性 。,典型SOC芯片IP核形式：,外围电路（软）,处理器（硬）,存储控制器（软）,存储器（硬）,IO接口（软）,IO接口（软）,数据处理（硬）,SOC的技术特征：,以超深亚微米VDSM（Very Deep Sub Micron）工艺和知识产
9、权IP核（Intellectual Property）复用（Reuse）技术为支撑。 设计中，设计者面对的不再是电路芯片，而是能实现设计功能的IP模块库。 设计不能一切从头开始，要将设计建立在较高的基础之上，利用己有的IP芯核进设计重用。 建立在IP芯核基础上的系统级芯片设计技术，使设计方法从传统的电路级设计转向系统级设计。,SOC的基本结构：,SOC设计过程：,1、软硬件协同设计和验证； 2、开发和研究IP核生成及复用技术； 3、超深亚微米、纳米集成电路的设计理论和技术。,1.3 嵌入式系统,IEEE定义devices used to control, monitor，or assist t
10、he operation equipment , machinery or plants国内普遍认同的定义以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统,芯片级（MCU、SoC） 板级（单板、模块） 设备级（工控机）,Embedded System Embedded Computer System Embedded Real-time System Embedded Device,定义（课程介绍中曾给出类似的定义）,板级（单板、模块 ）,以应用为中心软、硬件可裁剪对体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本等有严格约束,嵌入式系统的特点,嵌入式系统 组成,硬件,软件,开发系统,嵌入式处理器,存储器系统
11、,外部接口,并行接口 串行接口 音视频接口 网络接口,嵌入式操作系统,应用软件,VxWorks c/OS Windows CE 嵌入式Linux,编译器 链接器 调试器,集成软件环境,硬件工具,仿真器 在线调试工具,外围设备,键盘 LCD 存储设备 音频设备 专用设备,硬件开发模式,计算机中的数据表示及码制,微机系统原理与接口技术李广军 主编，电子科技大学出版社，2005,程序在计算机中的表示,无论采用何种语言，最终都要转化成计算机可以识别的指令机器指令！,计算机中的数据类型,位（Bit） 、字节（Byte）、字（Word）、双字（Doubleword）、 四字（Quardword）,1 bi
12、t = 1个二进制位 1 Byte = 8 bit 1 Word = 2 Byte （ARM数据类型的字长为4 Byte，有些为1Byte） 1 Doubleword = 2 Word 1 Quadword = 4 Word,符号如何表示？,注意16进制数的 H和0x两种表示方法,符号的表示：通常数的最高位为符号位，对于数据类型字长8位的机器数：D7为符号位: 0表示“+”，1表示“”。符号数码化了，D6D0为数字位。 如: X=（01011011）2=+91 X=（11011011）2= - 91连同符号位(二进制表示)在一起作为一个数称为机器数，机器数的数值称为数的真值。 如: N1=+
13、1011011 N2= - 1011011 为真值0 1011011 1 1011011 为机器数,附 十进制数、二进制数与十六进制,原码、反码与补码,符号数码化后，对数据进行运算时，符号位应如何处理？把符号位和数值位一起编码：原码，反码，补码。1. 原码：正数符号位用“0”表示，负数符号用“1”表示，这种表示法称为原码。X=+105 X原= 0 1101001X=-105 X原= 1 1101001符号 数值原码表示简单,真值转换方便，运算不方便。引进反码，补码。,2. 反码：正数的反码表示与原码相同， (最高位“0”表示正，其余位为数值位。)负数的反码表示为负数原码的符号位不变，尾数按位取
14、反。例： +4反 = 0 0000100-4反 = 1 1111011+83反 = 0 1010011-83反 = 1 0101100 +0反 = 0 0000000-0反 = 1 1111111,3. 补码：正数的补码表示与原码相同。负数的补码表示为它的反码+1。+127原=0 1111111 +0原=0 0000000-127反=1 0000000 -0反=1 1111111-127补=1 0000001 -0补=0 0000000,微机中采用补码来表示带符号数，利用补码将减法运算转化为加法运算： X=X补补 X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补,补码10101100表示的真值是多
15、少？,8位二进制数表示的原码、反码与补码,符号可以用最高位数值来表示，那小数点在计算机中又如何表示？（根据统一的约定）,定点数与浮点数,定点数小数点位置固定（例如纯整数和纯小数）,符号位,尾数,小数点位置,符号位,尾数,小数点位置,这是负数，先求出原码表示,219.125如何表示？,浮点数小数点位置不固定（充分利用有限位数，扩大数的表示范围和精度）,浮点数的表示方法：,S=0 正数 S=1 负数,小数点位置与b0=1省略,符号 指数 尾数,【例】将十进制数219.125表示成单精度浮点数(假定为32bit)。219.125 D = 11011011.001 B = 1.101101100127 得到二进制表示的规格化的浮点数形式如下：,尾数（共23位），包括隐含的b0共24位,指数,符号,E=7+127=134=10000110B,微机系统常见的三种浮点数类型,IEEE二进制浮点数算术标准（IEEE 754）是1980年代以来最广泛使用的浮点数运算标准，为许多CPU与浮点运算器所采用,计算机中常用码制,1BCD码（Binary Coded Decimal）,
