清华大学数电课件

2011年 春季学期
主讲：
王 红 （自动化系）
EDA实验室教师：陈莉平 秦俭
助教：李积惠 王新攀 王彦兵
答疑地点：
中主楼 700C 或705
集中答疑时间： 周四下午 3:00 ~ 5:00（暂定）
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） 教学秩序：。。。。。。。。。。。。。。。。。
• Interfaces 接口
– Key elements of system engineering – Isolate technologies, allow evolution – Major abstraction mechanism
2011年 春季学期
Wait! I think I see a bug in the DIV logic.
2011年 春季学期
• 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。
Information resolves uncertainty. Information is simply that which cannot be predicted.
The less predictable a message is, the more information it conveys!
wang_hong@tsinghua.edu.cn
什么是电子技术
2011年 春季学期
是研究电子器件及电子器件应用的一
门学科
通过控制器件中电子的 运动而进行工作
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数字量和模拟量
2011年 春季学期
• 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△）
– Color – Light – Cars – Sound – Height and weight – Dogs – Electric current and voltage – English letters
Many natural phenomena are continuous
wang_hong@tsinghua.edu.cn
Ra <20:16>
WA SEL
XP 1
Rc <25:21>
0
Z C: <15:0>
RA1 WAWA
RD1
Rb: <15:11> 0
Rc <25:21>
1
RA2SEL
Register File
JT C: <15:0>
si gn- ex tend ed
RA2 WD
RD2
WE
ASE L
1
0
1
0
BSEL
WE R F
• 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 quicker
PCSEL RA2SEL ASE L BSEL WD SEL AL UFN Wr WERF
WA SEL
A
B
AL UFN
AL U
WD
R/W
Wr
Data Memor y
Ad r RD
<PC>+4
01 2
W DS E L
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What is “Information 信息”?
16-64 devices
8 devices
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2011年 春季学期
Our plan of attack…
• Understand how things work,
bottom-up
• Encapsulate our understanding using appropriate abstractions
4
• 电子电路 ?
2011年 春季学期
处理信息，能量转换
• 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
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What do we see?
• Structure 结构
– hierarchical design – limited complexity at each level – reusable building blocks
Integrated Circuit: ≈8-16 / PCB
.25M-16M devices
Module: ≈8-16 / IC 100K devices
Scheme for representing information
Cell: ≈1K-10K / Module
Gate: ≈2-16 / Cell
information, n. Knowledge, communicated or received concerning a particular fact or circumstance.
中国男足又输了
2011年 春季学期 “Really, 取消考试 !”
Tell me something new…
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6
2009010965
• 数制：表示数量的规则 • 码制：表示事物的规则
2011年 春季学期
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十进制，二进制，八进制，十六进制
2011年 春季学期 逢二进一
逢八进一
逢十进一
Βιβλιοθήκη Baidu
逢十六进一 wang_hong@tsinghua.edu.cn
2011年 春季学期
• 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
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Encoding numbers
2011年 春季学期
v
=
n −1
∑
2
i
bi
i =0
211210 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20
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1
电路原理
2011年 春季学期
模拟电子技术基础 数字电子技术基础
电子技术实验
电子技术课程设计 微机原理与应用
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2011年 春季学期
Continuous versus Discrete
• Which are “continuous”?
• 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。
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2011年 春季学期
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3
2011年 春季学期
2011年 春季学期
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Imprecise in communication
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2
2011年 春季学期
But Continuous Carries Huge Info. • Let us use “bits” as an indicator of the
amount of information
Got that one off the web. Sure hope it works.
• What makes a good system design?
– minimal mechanism, maximal function – reliable in a wide range of environments – accommodates future technical improvements
• Study organizational principles: abstractions, interfaces, API
• Roll up our sleeves and design at each level of hierarchy
• Learn engineering tricks
– History
7
数字量和模拟量
2011年 春季学期
• 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。
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Problems with Continuous Things • Which one is 桃红色?
2011年 春季学期
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电子技术的发展
2011年 春季学期
Electronic Design Automation
EDA
• 48年 • 58年 • 69年 • 75年
•…
贝尔实验室制成第一只晶体管
集成电路 （4-12-100-1000）
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2011年 春季学期
编码的目的 二进制编码
第一章 信息和编码
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Encoding 编码
2011年 春季学期
• Encoding describes the process of assigning representations to information
0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 = 200010
Oftentimes we will find it convenient to cluster groups of bits together for a more
compact notation. Two popular groupings are clusters of 3 bits
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电路原理
2011年 春季学期
模拟电子技术基础 数字电子技术基础
电子技术基础实验
电子技术课程设计 微型计算机原理
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2011年 春季学期
课程在培养方案中的位置 课程的任务
数字电子技术基础 绪论
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D+
G+ VGS - S -
VDS ≥ 0
Sequential logic: FSMs
PCSEL
ILL
XAd r
OP
JT
4
3
2
1
0
PC
00
+4
Instruction A
Memory
D
+
C: <15:0> << 2 si gn- ex tend ed
<PC>+4+C*4
IRQ
Z
Control Logic
– Systematic approaches
– Algorithms
– Diagnose, fix, and avoid bugs
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5
2011年 春季学期
Logic gates Combinational logic circuits
MOSFets & Voltages
大规模集成电路（10万）
超大规模集成电路(15万)
技
术
SSI MSI
LSI 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
度还将继续到2015或2020年，将达到饱和。
wang_hong@tsinghua.edu.cn
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How do you build systems with >1G components?
2011年 春季学期
Personal Computer: Hardware & Software
MOSFET
Circuit Board: ≈1~8 / system 1-2G devices
• Choosing an appropriate and efficient encoding is a real engineering challenge
• Impacts design at many levels
- Mechanism (devices, # of components used) - Efficiency (bits used) - Reliability (noise) - Security (encryption)