从IC的应用看现代电子设计的特点课件.ppt

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1、1,从IC的应用看现代电子设计的特点,2,电子器件的发展集成电路发展对电子技术和电子行业的影响从经典电子设计到现代电子设计掌握IC的应用，迎接现代电子设计的技术挑战,3,一、电子器件的发展,1、分立元件时代普通常规电路器件电阻电容电感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集成电路的诞生 1958,4,2、集成电路的发展以存储器为例：1965年，快捷公司的施密特 (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。1969年，英特尔公司推出第

2、一个256位元随机存取存储器商业性产品 。1969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；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。,5,二、集

3、成电路发展对电子技术和电子行业的影响,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。,6,IC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,7,8,IC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

4、路集成(CI)；功能集成(FI)；技术集成(TI)；知识集成(KI) 。,9,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。 ；,10,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；,11,技术集成（TI）,TI的标

5、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？,12,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

6、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。,13,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。,14,三、从经典电

7、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。,15,1. 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。,16,2. 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

8、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。,17,3、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

9、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 。,18,A、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

10、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,19,（1）嵌入式计算机与通用计算机,嵌入式计算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。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。,20,（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

11、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。,21,（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

12、、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，单片机是最典型的嵌入式系统。,22,（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。,23,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

13、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。,24,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。,25,（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

14、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，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。,26,（6）嵌入式系统的两种应用模式 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

15、子系统智能化的嵌入式底层应用 。 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 ）,27,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。嵌入式系统技术适合中国的国情,28,B、 EDA技术及其发展,EDA (Electronic Design Automation),EDA技术发展的

16、三个阶段,(Application Specific Integrated Circuit),29,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,仿真和设计 EDA软件不断推出,电子技术全方位纳入EDA领域 传统设计理念发生重大变化,EDA使得电子领域各学科的界限更加模糊 更加互为包容,更大规模的FPGA和CPLD器件的不断推出,EDA工具 ASIC设计 涵盖大规模电子系统及复杂IP核模块,软硬件IP核在电子行业广泛应用 (IPIntellectual Property),硬件描述语言出现（如System C） 设计和验证趋于简单,30,EDA的发展趋势,在一个

17、芯片上完成的系统级的集成已成为可能,可编程逻辑器件开始进入传统的ASIC市场,EDA工具和IP核应用更为广泛,高性能的EDA工具得到长足的发展,计算机硬件平台性能大幅度提高，为复杂的SoC设计提供了物理基础。,31,EDA技术的优势,32,EDA技术对设计者的硬件知识、经验要求较低,传统的电子设计对设计工程师要求较高：他在电子设计理论和实践方面必须是行家里手，他不但是经验丰富的能工巧匠，还应当是软件高手。EDA技术的标准化和HDL设计语言与平台、硬件的无关性，使设计者能更大程度地将自己的才智与创造力集中在项目性能的提高和成本的降低上，而将更具体的硬件实现让专业部门来完成。,33,计算机技术和微

18、电子技术的结合形成了吸纳知识的黑洞，这使得电子领域的专家面临窘境，但同时为其他各个领域的研究和应用开发，提供了应用高新技术的可能。电子设计被基于微电子技术的各种芯片所代替；电子技术领域人才的应用方向将产生分化；非电子领域的专家只要略懂电子技术就可以在芯片层次上应用高新电子技术成果，进行本领域的设计创新和集成创新。这种局面为我们这个层次学校的学生提供了绝佳的机遇。,34,EDA技术和SOPC设计技术是一种基于软硬件平台，通过软件的方法来高效地完成硬件设计的计算机技术。灵感和创新自由发挥的天地；软件硬件无缝的融合；有利于知识产权保护的最佳选择。,35,四、掌握IC的应用，迎接现代电子设计的技术挑战

19、,36,现代电子设计基于IC的应用。现代电子系统与经典电子系统相比较，有许多观念、方法的根本变化。从经典电子系统转向现代电子系统时，首先要实现观念、方法上的转变。 经典电子系统向现代电子系统转变是一个不可阻挡的主流趋势。电子世界的从业者应迅速完成这一转变。谁转变得早，谁就会在未来的电子世界中赢得主动，否则将被排除在主流之外。,1、基本认识：,37,2、积极应对,学好基础课积极参加实践关注新技术、新器件、新方法；大学生电子大赛是一个很好的实战课堂。有条件的同学可以参加相关的技术培训。,38,3、学习现代电子设计技术的可能性立足自身专业，选择合适的切入点。年青人的兴趣爱好是非常宝贵的资源。学院要创

20、造实践的空间，学生要利用好自主学习的时间，个性化的发展往往能够改变人一生的命运。,39,欢迎交流 ！,40,1904年弗莱明发明真空二极管；1904年弗莱明在真空中加热的灯丝前加了一块板极，从而发明了第一只电子管。他把这种装有两个极的电子管称为二极管利用新发明的电子管，可以给电流整流，使电话受话器或其它记录装置工作起来。1906年德福雷斯特发明真空三极管；美国发明家德福雷斯特，在二极管的灯丝和板极之间巧妙地加了一个栅板，从而发明了第一只真空三极管这一小小的改动，竟带来了意想不到的结果它不仅反应更为灵敏、能够发出音乐或声音的振动，而且，集检波、放大和振荡三种功能于一体因此，许多人都将三极管的发明

21、看作电子工业真正的诞生起点 发明真空三极管以后，电子学作为一门新兴学科才迅速发展起来。,41,物理学家肖克莱、巴丁和布拉坦一起，共同研究半导体锗和硅的物理性质。于在1947年发明了晶体管。这一成果立刻轰动了电子学界，巴丁等被称为电子技术革命的杰出代表。由于这一贡献, 巴丁和肖克莱、布拉克一起获得了1956年度诺贝尔物理学奖。 电子学真正突飞猛进的进步，应该是从晶体管发明以后开始的尤其是PN结型晶体管的出现，奠定了集成电路的基础，开辟了电子器件的新纪元，引起了一场电子技术的革命,42,本质上，集成电路是外延平面晶体制造工艺的延续。1958年9月12日，美国，德克萨斯州达拉斯市，德州仪器公司的实验

22、室里，工程师杰克基尔比成功地实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。这一天，被视为集成电路的诞生日，而这枚小小的芯片，开创了电子技术历史的新纪元。瑞典国王陛下于2000年12月10日向德州仪器(TI)已退休的发明家和工程师杰克基尔比（JackKilby）颁发了诺贝尔物理奖，以表彰他于1958年在TI发明集成电路时所做的贡献。TI董事长、总裁兼首席执行官安吉伯先生(TomEngibous)说：“Jack的工作给世界带来的改变之深远，是历史上罕见的。很难想象如果没有JackKilby，我们公司，这个行业，这个世界会是什么样子，我谨代表TI在世界各地的全体员工祝贺Jack获得诺贝尔奖。TI所面临的挑战是要向Jack所作的那样，将创新和工程实践结合起来。我只希望以他那样高昂的情绪、敏锐的洞察力和安静、优雅的姿态走过同样的道路。” 杰克基尔比一生拥有六十多项专利，他相当谦逊，他获奖发言说：“我的工作可能引入了看待电路部件的一种新角度，并开创了一个新领域，自此以后的多数成果和我的工作并无直接联系。”,43,