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微处理器系统结构与嵌入式系统设计.
第1章 概述
信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分,其中信息的获取和处理是信息技术产业链上重要的环节之一,没有它就没有信息的传输、处理和应用。
近半个世纪以来,数字半导体技术的发展成为科学与技术各个方面进步的巨大动力,并且影响到了人类活动的各个方面。其中,数字信号采集及处理技术已应用于科学研究、设备设计和制造的各个方面,计算分析、数字控制平台和半导体技术成了各学科领域发展的催化器和加速器。
值得注意的是,计算机的发展一直和数字系统设计的发展相辅相成,互相促进。每一次计算机性能的提高都离不开数字系统设计进步的推动,而计算机性能的提高又促进了数字系统设计的快速发展,同时向数字系统设计提出了更高的要求,并给数字系统设计提供了产品方向。
Gordon Moore(Intel的创始人之一)观察到,通过缩减晶体管的物理尺寸,可以使一块芯片上的晶体管的数目差不多以每18个月翻一番的速度增长,于是他在1964年提出了著名的论点:每18个月,芯片的晶体管密度将提高一倍,运算性能提高一倍。也有人把它注解为“每18个月,CPU的运算速度将提高一倍”。该论点自从Moore首次提出以来一直相当准确,并被公认为摩尔定律。
对于微处理器,这种趋势接近于每两年翻一番,而令人惊异的是,这个指数增长一直持续了30年至今,而看起来这种趋势还将继续下去直到可以预见的将来。
Bell定律指出:如果保持计算能力不变,则微处理器的价格每18个月减少一半,即每10年会有一类新的计算设备诞生。经历了从巨型机、小型机、工作站、PC、PDA以及PDA与移动通信设备的融合与演变之后,新一代计算设备将在不远的将来诞生,它会是什么呢?虽然现在依旧很难准确预见,但分析演化历史不难看出,计算设备整体上朝着体积小型化、应用多样化、功能强大等方向发展,而人均占有量却在不断增高。未来,如果生物芯片技术有了突破性进展,那么功能更强大的新型计算设备替代目前的硅片系统也是完全可能的,目前我们正处于PDA向下一代计算设备过渡的时期。
计算机发展
按是否由电子技术和半导体技术为计算机硬件提供硬件基础来划分,计算机的发展历史可初步分为机械式计算机的启蒙时代和电子计算机时代。
1.1.1机械式计算机的启蒙时代
计算机器自出现已经历了漫长的几百年的时光。在电子元器发明之前,人们就开始寻求用机器代替人进行计算的可行性。最初出现的计算器就是中国古人发明的算盘,此后欧
洲陆续发明了计算尺和手摇式计算器,实现了超越函数的计算和一些开方运算。早期人们创造了运算表方法来辅助数字运算,此方法持续使用到20世纪计算器和计算机的普及。
法国数学家帕斯卡(Pascal)发明的钟表式齿轮计算机,是机械式计算机的初级阶段。它的外壳用黄铜制成,精致美观。但这台计算机的功能还很差,做乘法时必须用连加的方法,做除法时也只能用连减的方法。而且,这台机器需要用一个小钥匙拨动一下方能计算,每次计算结束时都必须复原到零位,然后才能重新计算,很不方便。在计算过程中它又常常发生故障。但是,帕斯卡计算机的发明是人类在计算工具上的新突破,它发明的意义远远超出了
这台计算机本身的使用价值,它告诉人们机器可以代替人的思维和记忆。
1703年,德国数学家莱布尼茨(Leibniz)在中国《易经》的启发下,写出了论文“Explication de LArithmdtique Binaire”(谈二进制算术),发表在“Memoires de LAcademie Royale des Sciences(Annee MDCC/III”(皇家科学院论文集)上,这就是划时代的电子计算机问世的基础,也是数字设计的基础。
到了19世纪,英国数学家布尔(Boor)运用代数方法研究逻辑学,1844年,他发表了著名的论文“。no a General Method in Analysis(分析中的—个普遍方法),进一步完善了数字设计的数学理论。这些数学理论为日后的数字设计奠定了坚实的科学基础。此后莱布尼茨乘
法器和巴贝奇微分器也相继问世。
1.1.2电子技术和半导体技术的诞生
20世纪40年代至70年代,电子技术和半导体工艺技术的突飞猛进为数字设计的发展提供了新的舞台,数字设计随着电子半导体技术的发展而壮大,并飞速发展。
计算机硬件是以代来区分的。每一代新计算机的诞生都是由数字逻辑技术上的进步而促成的。每一代新计算机都会在性能上有大幅提高,而在体积与成本上则大大降低。
1.电子管(VacuUmtUbe)时代
美国发明家佛斯特(Leede Forest)于1906年发明了电子管,随即用它来放大无线电信号和声音信号。1909年,美国贝尔电话公司正即ATT(美国
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