1-数字逻辑与处理器基础课程概述-565902033

数字逻辑与处理器基础清华大学电子工程系罗姆楼6-103，[e-mail]马惠敏助教：曹军，陈晓智2主要内容基本问题2Accomplishments4基本原理4历史发展3课程线索5预期效果与要求6体会与感想7背景1绪论背景3基本问题2Accomplishments4基本原理4历史发展3课程线索5预期效果与要求6体会与感想7背景14电子信息科学与技术知识体系5数字逻辑与处理器相关课程体系I/O处理器编译器操作系统(Windows2K)应用程序数字集成电路数据通路&控制存储器硬件和电路软件及算法汇编其他软件课程和实验课程计算的实现电路基础实现计算的电路实现计算的系统背景1：离散的角度逻辑中最朴素的思想是非此即彼：对于任何事物在一定条件下的判断都要有明确的“是”或“非”，不存在中间状态研究对象在有限集（可数集合）上，因此其函数、关系都可以用表格表示出来6背景7一、模拟信号与数字信号模拟信号：连续变化的信号自然界中可测试的物理量一般都是模拟信号，例如温度，压力，距离，时间等数字信号：离散的信号将模拟信号经过采样、量化和编码后得到的背景812345768910111212345678910111218202224262830323436温度(C)时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用模拟量表示)背景912345768910111212345678910111218202224262830323436温度(C)时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用采样值表示)量化曲线背景10123457689101112123456789101112时间（小时）A.MP.M温度和时间关系图(用数字形式表示)1001110100100111001110010100101001010011101011011111001110111110011101111011110111100110111101011001101111011010100100111001030292827262524232221201918(oc)一个例子11背景2：信号的角度自然界的模拟量可以转换为离散量来近似数学告诉我们：实数可以通过有理数逼近连续函数中输入的微小误差只会引起输出的微小误差12模拟信号时间采样幅度量化数字信号数字信号数模转换滤波模拟信号背景13二、模拟和数字系统的几个实例1、纯模拟系统音频有线扩音系统Audiopublicaddresssystem线性放大器原始声波(Originalsoundwaves)麦克风(Microphone)音频AudiosignalLinearamplifier放大后的音频信号Amplifiedaudiosignal扬声器Speaker再生声波Reproducedsoundwaves背景142、数模混合系统音频信号的模拟再生Analogreproductionofaudiosignal扬声器Speaker声波soundwavesCD驱动器CDDrive1011111001数字数据Digitaldata线性放大器Linearamplifier数模转换器D\AconvterCD机原理图（单声道）BasicprincipleofaCDplayer背景153、纯数字系统带数字显示的数字钟计时电路秒个位秒十位分个位三位计时器示意图背景16三、数字电路的优点1.集成化程度高2.抗噪声、抗工艺偏差的能力强3.既可实现数值运算，又可实现逻辑运算，功能强大4.数字信号的传输和处理比模拟信号更有效、更可靠5.数字信号便于存储科学问题17基本问题2Accomplishments4基本原理4历史发展3课程线索5预期效果与要求6体会与感想7背景1基本问题用电路解决计算（处理）问题电路（Electricalcircuit）：由电气设备和元器件按一定方式连接起来，为电荷流通提供了路径的总体，如电阻、电容、MOS管等计算：通过有限步骤从输入得到期望输出的过程18I/O处理器数字集成电路数据通路&控制存储器实现计算的电路基本问题191、算法算法就是对求解某类问题的方法和步骤的描述如描述两个数相乘后与第三个数相加，可用表达式AB+C表示数字电路分析和设计的基本过程：抽象计算（算法）←→电路结构←→基础器件基本问题20数字电路分析和设计的基本过程：抽象计算（算法）←→电路结构←→基础器件高层次到低层次：数字电路的设计抽象计算（算法）→电路结构→基础器件低层次到高层次：数字电路的分析抽象计算（算法）←电路结构←基础器件转换方式1：硬件212、电路结构将设计好的算法转化为相应的电路结构如将AB+C转化为等价的电路结构ABC1、算法算法就是对求解某类问题的方法和步骤的描述如描述两个数相乘后与第三个数相加，可用表达式AB+C表示转换方式1：硬件223、基础器件将电路结构中复杂的运算单元映射到基础器件基础器件包括：与门，非门，与非门，反相器，异或门，触发器，比较器等如将AB+C的电路结构中加法器映射到基础器件转换方式1：硬件典型的（纯）硬件转换方式具有如下特征：对于没有过程的函数计算，其实现电路中不存在状态，完全由无记忆器件和互连线组成（组合逻辑）；对于有过程的计算，其实现由每一步函数计算的硬件实现+过程控制器组成（时序逻辑）23转换方式2：软件由于算法（特别是复杂的算法，如人脸识别）千差万别，不可能每个算法采用一个独特的硬件实现，因此需要新的转换方式-软件24ABCAB+C的等价电路结构ABC+D+EF呢？转换方式2：软件由于算法（特别是复杂的算法，如人脸识别）千差万别，不可能每个算法采用一个独特的硬件实现，因此需要新的转换方式-软件将函数计算看做过程，将其分解为多个基本步骤，每个步骤都是有限操作集的一种操作，从而可以硬件实现过程的控制器可以采用计数器，具有顺序执行和跳转能力通过存储单元记录过程中的状态25一个小故事26一个人带着一只羊，一条狼和一棵白菜想过河，他每次只能带着一只羊，或者一条狼，或者一棵白菜过河，并限定人不在场时，狼和羊，或羊和白菜不能单独在一起。试求出他带一只羊，一条狼和一颗白菜过河的方法。故事的解读将狼、羊、白菜运送到对岸是一个过程，与时间相关过程：事物发展所经过的程序过程在数学上可以表示为时间的函数过程还可以通过状态及其转化关系描述状态指物质系统所处的状况，由一组物理量来表征27故事的分析过程的表示（狼，羊，白菜，人|）（狼，羊|白菜，人）状态的表示（狼，羊，白菜，人|）=（WSCP|）=（1111）0000,0001,…,1110,11112829WSCP|WSC|PWSP|CWS|CPWCP|SWC|SPWP|SCW|SCPSCP|WSC|WPSP|WCS|WCPCP|WSC|WSPP|WSC|WSCP问题的表示30WSCP|WSC|PWSP|CWS|CPWCP|SWC|SPWP|SCW|SCPSCP|WSC|WPSP|WCS|WCPCP|WSC|WSPP|WSC|WSCP问题的解决31超级RISC结构是Mavaddat和Parham提出的一种RISC结构，它只有一条指令，指令集不能再精简，所以称为超级精简指令计算机(URISC)尽管URISC只有一条指令，它也是一种通用的计算机即所有复杂操作都可以用这一种指令完成超级精简指令计算机URISC（UltraReducedInstructionSetComputer）32指令及形式URISC指令“做减运算且在结果为负值时转移”只有一条指令，不需要对指令定义操作码指令中只需指出两个操作数且指出运算结果为负数时的转移地址指令形式OP1地址OP2地址运算结果为负时转移地址33URISC指令的执行过程从第二个操作数中减去第一个操作数，并把运算结果存贮在第二个操作数的地址中；如果减法运算得到的结果为负数，则转移到指定的地址继续执行，否则执行下面地址中的指令；如果转移到地址0，则停止RISC的运行。sbna,b,c;Mem[b]=Mem[b]-Mem[a];if(Mem[b]0)gotoc34URISC的功能URISC的运行仿真软件：解释程序urisc.cfact.xfact.asmfact.hex，通过编译将程序转换为二进制代码通过URSIC执行，得到结果12035URISC处理器结构及控制单元数据路径DU控制单元CU存储器RAMPCoutPCin...NinZNReadWriteData数据Address地址Clock历史发展36科学问题2Accomplishments4基本原理4历史发展3课程线索5预期效果与要求6体会与感想7背景1历史发展：离散数学集合论1874年德国数学家康托尔证明了不可数无穷的概念，逐步建立了朴素集合论，后来被更加仔细地构架为公理化集合论离散数学研究有限集合或者可数集合37历史发展：离散数学代数系统：研究抽象化的结构巴比伦尼亚在西元前1850年已有关于各方面初等算术的坚实知识花剌子模（约780-850）提出了“算法”与“代数”的概念函数这个数学名词是莱布尼兹在1694年开始使用的1830年：伽罗瓦理论在埃瓦里斯特·伽罗瓦对抽象代数的工作中得到发展38历史发展：离散数学布尔代数：奠定数字电路理论基础布尔代数是捕获了集合运算和逻辑运算二者的根本性质的一个代数结构它处理集合运算交集、并集、补集，和逻辑运算与、或、非乔治·布尔在1847年出版《逻辑的数学分析》中，提出代数逻辑系统1937年香农的硕士论文提出布尔代数与电路开关的关系，奠定数字电路基础39历史发展：离散数学计算理论可计算性理论：是研究计算的一般性质理论，是计算科学的基础理论之一。通过建立计算的数学模型，可确定哪些问题可以用计算机解决，哪些问题不可能用计算机解决用图灵机可给出“可计算问题”的精确定义：能够在抽象计算机（图灵机）上编出程序计算其值的问题图灵论题：凡可计算的函数都可用图灵机来实现4041历史发展：计算模型电子计算机冯.诺依曼结构图灵机基于符号处理的理论模型MemoryControlUnitArithmeticLogicUnitAccumulatorInputOutput历史发展：集成电路42晶体管的发明1947年12月16日贝尔实验室晶体管小组成员Brattain观察到流经两根导线间锗晶体的电流被放大，奠定了晶体管的发明发明晶体管是三位科学家长期合作的结果:•JohnBardeen(理论物理学家，曾作为低温超导理论的创始人获1972年诺贝尔物理学奖)提出了表面态理论•WalterHBrattain(天才的实验家，博士，在贝尔实验室工作了33年)设计了晶体管放大器实验•WillianShockley(博士，才华横溢的领导者，发明了结型晶体管，他支持创建了Intel公司)给出了实现放大器的基本设想晶体管的发明，宣布了信息时代的到来，这三位晶体管之父，因此获1956年诺贝尔物理学奖历史发展：集成电路431950年，结型晶体管诞生1950年，ROhl和肖特莱发明了离子注入工艺1951年，场效应晶体管发明1956年，CSFuller发明了扩散工艺1958年，仙童公司RobertNoyce与德仪公司基尔比间隔数月分别发明了集成电路，开创了世界微电子学的历史1960年，HHLoor和ECastellani发明了光刻工艺1962年，美国RCA公司研制出MOS场效应晶体管1963年，F.M.Wanlass和C.T.Sah首次提出CMOS技术，今天，95%以上的集成电路芯片都是基于CMOS工艺1964年，Intel摩尔提出摩尔定律，预测晶体管集成度将会每18个月增加1倍1966年，美国RCA公司研制出CMOS集成电路，并研制出第一块门阵列（50门）1971年，Intel推出1kb动态随机存储器（DRAM），标志着大规模集成电路出现历史发展：集成电路441971年，全球第一个微处理器4004由Intel公司推出，采用的是