电子信息科学与技术专业导论结课课程笔记及心得体会.docx
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电子信息科学与技术专业导论结课课程笔记及心得体会
课堂笔记
一．专业概论
1.专业介绍
本专业面向社会需求办学，培养德智体全面发展，掌握电子技术基础知识，具备较强的创新意识与实践动手能力，能在嵌入式系统软硬件开发、集成电路设计相关领域从事工程与科研工作的高级专门人才。
毕业生也可在电路与系统、微电子与固体电子学、信号与信息处理等方向继续深造。
2.本专业主要应用领域
（1）嵌入式软硬件系统设计
基于ARM、51单片机、FPGA等
原理图设计、PCB设计
（2）专用集成电路设计
（3）信号与信息处理相关领域
信号采集、存储、DSP处理等
图像、视频处理（编码、解码，软硬件协同实现等）
雷达信号处理等
（4）医疗电子、可穿戴设备、物联网等相关领域
3.专业分方向培养（公共课程+3门不同的方向课）
（1）嵌入式系统设计方向
嵌入式软硬件系统设计
51单片机、ARM、FPGA
电路设计、PCB制板
底层软件、操作系统、驱动程序、应用软件
（2）集成电路设计方向
模拟、数字集成电路设计
片上系统（SoC,System-On-a-Chip）设计
FPGA作为验证平台
二．模拟电子线路概论
1.1电子技术的两大支柱
（1）模拟电子技术
（2）数字电子技术
应用这两种电子技术产生了无数的电子系统，设备和产品，因而具有划时代的作用。
1.2模拟电子技术的信号特点
（1）模拟信号是：
幅度和相位都连续的电信号，或者说是幅度和时间方面都连续的电信号。
（2）模拟信号分布于自然界的各个角落，是自然界存在最广泛的信号。
如温度的变化，语音，图像；而数字信号是人为的抽象出来的在时间上不连续的信号。
1.3模拟电子技术的主要特点
（1）本课程强调基本概念、基本原理和基本分析方法；
（2）本课程的内容更为接近工程实际，电子技术是一门实践性很强的课程；
（3）在分析和计算时又常常需要从实际情况出发，抓住主要矛盾，忽略次要因素，过分追求“精确”是没有必要的；
（4）电子技术是一门发展十分迅速的学科，要注意能力的培养，包括学习新知识、新技术的能力。
2.1半导体器件及其发展
（1）第一代电子器件——真空管开始形成：
近半个世纪，真空管几乎是各种电子设备中唯一可用的电子器件。
随后的电子技术取得了去多成就，如电视、雷达和计算机的发明。
（2）第二代电子器件——半导体器件：
它与真空管相比，半导体管体积小、重量轻、功耗低、寿命长。
半导体器件有二极管、晶体管等，都是一个个独立元件，所以又称为分立元件，由分立元件组成的电路称为分立元件电路。
随着电子器件的广泛应用，电子技术也很快应用于工业自动化、检测、计算等方面，促进了计算机、通信等方面的发展。
（3）第三代电子器件——集成电路：
1959年美国德州仪器公司把晶体管和电阻、电容等集成在一块硅片上，构成了一个基本完整的单片式功能电路，标志着电子技术进入了微电子时代，是电子技术发展的一个飞跃。
集成电路（简称IC）是将各种不同电路元件以及他们之间的连线制作在一块很小的半导体芯片上，成为能完成一定功能的完整电路。
集成模拟芯片的类型：
按照模拟集成电路的类型来分，则有集成运算放大器、集成功率放大器、集成中频放大器、集成高频放大器、集成比较器、集成乘法器、集成稳压器等。
2.2.1模拟电子线路的分类
（1）按其所处理的信号频率可以分为低频电路、高频电路和微波电路。
（2）按照电路中电子器件的工作状态分为线性电子电路和非线性电子电路。
（3）按照电路功能分为信号生成电路、信号放大电路、信号运算电路与处理电路及电源电路等。
2.2.2模拟电子线路的主要电路介绍
主要电路
（1）信号产生电路
（2）信号电压的放大电路
（3）信号功率的放大电路
（4）信号处理电路
（5）信号运算电路
（6）电源电路电路
2.3.1电子线路行为特性分析
（1）行为特性含义：
所谓行为特性，是指电子线路模型所代表的功能和技术特性，例如放大电路的行为特性包括放大功能、放大能力、频率特性等。
（2）问题分类：
在进行理论分析时，
①建立电子线路的分析模型进行数学解析描述。
②在进行仿真分析时，行为特性的描述是通过对电路图的仿真运算和测试结果总结出特性和指标，这时得到的是电子线路中变量之间的关系曲线。
2.3.2电子线路参数分析
（1）含义：
所谓电路参数是指描述电路技术特点和特性的数据或变量。
电路参数必须具有明显的物理意义。
在模拟电子技术中，电路的基本参数包括输入或输出信号的电压、电流、频率、频率特性等。
例如：
放大器的电压放大倍数，输入电阻和输出电阻等。
（2）主要分析的问题：
①频率特性：
指电子线路对不同频率信号的处理结果，直接反映电丫线路或系统中信号幅度、相位、频率之间的关系。
②反馈特性：
指电子线路或系统的输出信号通过某种途径进入到形同的输入端而构成对输入信号的影响，进而影响到电子线路的输出。
反馈太热性是电子线路或系统的基本特性。
③稳定性：
指反馈电子线路或系统稳定工作的基本特征。
④输入特性和输出特性：
是指输入端电量之间关系以及输出端电量之间关系。
输入特性和输出特性取决于电路和器件的组成和结构。
3.实验
（1）模拟电路实验：
①电路实验使用实际电路器件组成相应的电路，通过对电路现象的观察来总结电路模型，会对理论分析进行验证。
②几项注意问题：
实验前了解相关仪器的使用方法，估算实验数据和取值范围及曲线变化趋势；实验中认真连接实验电路，检查所连接电路并完整、无误采集实验数据；实验后认真分析实验数据，撰写实验报告。
（2）仿真实验
①含义：
借助计算机和相应的工程软件进行仿真分析已经成为电子线路分析和设计的方法和途径。
②仿真方法：
电子系统的计算机分析可通过以下两种方法完成：
一是使用编程语言，如C++、FORTRAN、QBASIC等；
二是使用软件，如Multisim（电子工作平台，EWB），MicroCap等。
利用仿真软件有系统高度集成，简洁直观，操作方便；电路分析手段完备；提供多种输入输出接口；使用灵活方便等优点。
③仿真结果说明：
由于半导体器件制造工艺的分散性及电路、系统分析理论的近似和简化，使得电子线路的实验结果（电路实验和仿真实验）往往与理论设计结果之间存在一定的差距，有时这个差距还相当大。
4.基本要求和学习方法
（1）课程的基本要求
①掌握各类电子器件的符号、特性、参数和使用方法；
②会用常用仪器来测试电路，验证电路的功能。
会连接安装常
用的实际电路，会分析电路故障，初步掌握简单设备的维
修原理和方法。
（2）学习方法
①要先器件后电路
②先单元电路后整机电路
③先分立电路后集成电路
④学好理论，着重实践
⑤强化集成单路，淡化分立电路
三．ARM系统设计概述
1.智能生活的机遇与挑战
（1）多元智能化的消费电子市场
（2）互联网应用——局域网到广域网
（3）今天与未来——充满机遇与竞争的时代
2.嵌入式与ARM
（1）嵌入式系统的定义
①一般定义：
从技术角度：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
从系统角度：
嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。
术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。
嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。
②广义定义：
任何一个非计算机的计算系统。
（2）现实中的嵌入式系统
①嵌入式系统是无处不在的，即使对我们来说似乎很遥远。
嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。
例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。
②在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。
事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲…）都是嵌入式系统。
嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。
（3）嵌入式系统的发展
①经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。
嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。
例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。
汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。
②近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革，嵌入式系统领域开始膨胀。
嵌入式微处理器的发展，促进了嵌入式产品的飞速发展：
——微处理器的处理能力按莫尔定律（Moore’sLaw）预计的速度在增加。
该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番。
——产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到6～9个月。
——基于电子的产品更复杂化。
（4）嵌入式应用示例
①汽车控制系统
②家庭生活电子化
③手机与数码相机
④军事与航天
（5）嵌入式系统模型
（6）ARM公司简介
①ARM公司成立于1990年11月，成立之初在英国剑桥有12名雇员，其前身为Acorn计算机公司。
②主要设计ARM系列RISC处理器内核。
但ARM公司不生产芯片。
③ARM公司发展到现在已经超过1400雇员，分公司分布在全球各地。
（7）ARM数据和指令类型
①ARM采用的是32位架构的RISC处理器：
大部分指令都是单周期执行。
②ARM指令采用load/store架构。
③ARM约定:
Byte：
8bit
Halfword：
16bits（2bytes）
Word：
32bits（4bytes）
④大部分ARM提供两套指令集：
32-bitARM指令集；
16-bitThumb指令集。
⑤最新的ARM核支持一个新的指令集Thumb-2：
提供一个混合的32-bit和16-bit指令集；
给代码密度更大的灵活性。
⑥Jazellecores能够支持Javabytecode。
3.智能手机
（1）智能手机的定义
智能手机（Smartphone），是指“像个人电脑一样，具有独立的操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序来不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类手机的总称”。
简单的说，智能手机，就是一部像电脑一样可以通过下载安装软件来拓展手机出厂的基本功能的手机。
（2）智能手机的一般特性
①具备普通手机的全部功能，能够进行正常的通话，发短信等手机应用。
②具备无线接入互联网的能力，即需要支持GSM网络下的GPRS或者CDMA网络下的CDMA1X或者3G网络。
③具备PDA的功能，包括PIM（个人信息管理），日程记事，任务安排，多媒体应用，浏览网页等。
④具备一个具有开放性的操作系统，在这个操作系统平台上，可以安装更多的应用程序，从而使智能手机的功能可以得到无限的扩充。
（3）智能手机发展趋势
中国的智能手机现在已经达到18%到20%的市场份额且保持每年4%的增幅。
4.手机操作系统
（1）概述
手机操作系统一般应用在高端智能化手机上。
目前，在智能手机市场上，中国市场呈现出飞速增长的事态，随着更多厂商的加入，整体市场的竞争已经变得白热化。
从市场容量、竞争状态和应用状况上来看，整个市场将有很大的上升空间。
目前应用在手机上的操作系统主要有Windowsmobile、Android、iPhoneOS三种。
①WindowsMobile
WindowsMobile，是Microsoft用于PocketPC和Smartphone的软件平台。
WindowsMobile将熟悉的Windows桌面扩展到了个人设备中。
WindowsMobile是微软为手持设备推出的“移动版Windows”，使用WindowsMobile操作系统的设备主要有PPC手机、PDA、随身音乐播放器等。
②Android
Android是基于Linux内核的软件平台和操作系统，早期由Google开发，后由开放手机联盟OpenHandsetAlliance）开发。
Android采用了软件堆层（softwarestack，又名以软件叠层）的架构，主要分为三部分。
低层以Linux内核工作为基础，只提供基本功能；其他的应用软件则由各公司自行开发，以Java作为编写程序的一部分。
另外，为了推广此技术，Google和其它几十个手机公司建立了开放手机联盟。
Android目前最新版本的是Android6.0。
③iphoneOS
iPhoneOS是由苹果公司为iPhone开发的操作系统。
它主要是给iPhone和iPodtouch使用。
就像其基于的MacOSX操作系统一样，它也是以Darwin为基础的。
iPhoneOS的系统架构分为四个层次：
核心操作系统层（theCoreOSlayer），核心服务层（theCoreServiceslayer），媒体层（theMedialayer），可轻触层（theCocoaTouchlayer）。
5.如何学好嵌入式
（1）需要扎实的基础
（2）需要良好的实际动手能力
（3）要有浓厚的兴趣
（4）要广泛的涉猎，开阔的眼界
（5）吃苦耐劳的精神
（6）团队的意识
四．单片机系统设计概述
1.单片机概述
1.1.1单片机概念
（1）单片机（SCM--SingleChipMicrocomputer），单片微型计算机的简称。
采用超大规模集成电路技术把CPU、存储器（RAM、ROM）、I/O接口电路和各种功能模块等集成到一块硅片上构成的一个完整单片微型计算机。
CPU：
单片机的运算控制中心，由运算器和控制器等组成。
存储器：
单片机的记忆部件，存放程序和数据。
I/O接口：
输入输出端口，实现CPU与外围设备的连接。
功能模块：
单片机内部具有特殊功能的电路。
（2）单片机主要应用于控制领域，故又称为微控制器（MCU--MicroControllerUnit）。
在国际上，通用称为“微控制器”，在我国通常称为“单片机”。
（3）单片机在应用时通常以嵌入的方式工作，为了强调其“嵌入”的特点，单片机也称为嵌入式微控制器。
1.1.2嵌入式微控制器
（1）单片机：
硬件简单，字长较短（8位、16位、32位），存储空间小。
集成的片内外设比较少。
运行速度低，单循环式，一般没有操作系统。
（2）ARM系列：
高端单片机，硬件集成度高，集成的片内外设很多（串口、USB、CAN、网口、SPI、I2C等），字长一般32位。
性能高，速度快。
存储空间大，通常带操作系统，多任务并发处理能力强，实时性高。
1.2单片机发展历程
单片机的产生与发展经历了5个阶段：
第一阶段（1971～1974年）：
单片机的序幕。
以Intel公司在1971年11月设计出的4位微处理器Intel4004和1972年4月研制的8位微处理器——Intel8008为代表，从此拉开了研制单片机的序幕。
第二阶段（1974～1978年）：
初级单片机阶段。
以Intel公司的MCS-48为代表。
这个系列单片机内集成有8位CPU、存储器容量小、I/O接口数量少。
第三阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。
以Intel公司的单片机系列MCS-51为代表。
内部集成8位CPU，存储器容量较大，有多种I/O接口，具有工控特性的位地址空间及位操作方式；CPU的指令系统趋于丰富和完善，增加了许多位控制功能的指令。
第四阶段（1982-1990）：
单片机向微控制器发展的阶段。
以Intel公司推出的MCS-96系列单片机为代表。
内部通常采用16位CPU，存储器容量大，内部集成了较多的功能模块，提高了单片机抗干扰能力，强化了智能控制的特征。
第五阶段（1990—现在）：
微控制器的全面发展阶段。
随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。
1.3单片机的特点
（1）小巧灵活、成本低、易于产品化。
（2）面向控制。
（3）抗干扰能力强。
（4）联网功能强。
1.4单片机的应用领域
（1）智能仪器仪表
单片机结合不同类型的传感器，广泛应用于仪器仪表中，可实现电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
（2）工业控制
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
（3）家用电器
现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
（4）计算机网络和通信领域
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件。
（5）医用设备
（6）汽车电子与航空航天
1.5单片机目前状况及发展趋势
（1）单片机正朝着高性能、低功耗、容量大、体积小、价格低和功能模块丰富的方向发展。
（2）单片机朝着网络互联化方向发展。
（3）单片机朝着SOC方向发展。
1.6主流的单片机产品
8051单片机最早由Intel公司推出,其他IC公司在购买8051授权后，加入了自身的优势，开发出上众多型号的单片机，这些单片机统称为8051系列单片机或MCS-51系列单片机。
几种主要的单片机介绍进行介绍：
（1）AT89S与AVR单片机
AT89S系列是ATMEL公司生产的增强型51单片机，包括AT89S51、AT89S52、AT89S55等。
AVR单片机是ATMEL在90年代推出的精简指令集RISC的单片机,使用哈佛结构。
如ATMEGA8、ATMEGA16、ATMEGA32、ATMEGA64等。
（2）STC单片机
STC单片机是深圳宏晶科技有限公司生产的单片机，采用冯诺依曼结构，芯片加密性强，抗干扰能力强，超低功耗，适用于供电系统,如水表、气表、便携设备等。
如STC89系列，STC10系列、STC11系列、STC12系列等。
（3）SST单片机
美国SST公司推出的SST89系列单片机为标准的51系列单片机。
（4）PIC单片机
PIC单片机是MicroChip生产的RISC结构的单片机，使用哈佛结构，运行速度快,功耗低,直接驱动能力强。
如PIC16系列和PIC18系列等。
（5）MSP430单片机
MSP430单片机由TI公司生产，采用冯-诺依曼架构，将16位RISCCPU、多种外设以及高度灵活的时钟系统进行完美结合。
主要特点是超低功耗，主要应用范围：
计量设备、便携式仪表、智能传感系统。
1.7常用封装
DIP（dualin-linepackage）双列直插式封装
SOP（smallOut-Linepackage）小外形封装
PLCC（plasticleadedchipcarrier）带引线的塑料芯片载体
QFP（quadflatpackage）四方扁平封装
TQFP（ThinQuadFlatPack）薄型四方扁平封装
BGA（BallGridArray）球状矩阵阵列封装
PGA（CeramicPinGridArrayPackage）插针网格阵列封装技术
2.单片机项目开发
2.1单片机项目开发流程
（1）项目评估：
确定待开发产品的功能、所实现的指标，给出进行可行性分析。
（1）设计电路原理图：
根据系统功能，选择合适的元器件，画出系统电路原理图。
（2）设计印刷电路板（PCB）图：
在电路原理图的基础上，根据技术方案设计PCB板图。
（3）制作PCB线路板：
把PCB图发往制版厂制作线路板。
（4）定购元器件：
购买系统所需的各种元器件。
（5）装配样机：
焊接线路板，并按照要求接线。
（6）系统调试：
硬件功能模块调试。
（7）编写设备文档：
编写各种文档，以便存档。
2.2单片机开发举例
五．FPGA系统设计概述
1.FPGA概念
FPGA（Field－ProgrammableGateArray），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
2.FPGA结构
3.FPGA特点
（1）FPGA运行速度快FPGA内部集成锁项环，可以把外部时钟倍频，核心频率可以到几百M。
（2）FPGA管脚多，动辄数百IO，可以方便连接外设。
比如一个系统有多路AD、DA，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的IO资源，可以很容易用不同IO连接各外设。
（3）FPGA内部程序并行运行，FPGA不同逻辑可以并行执行，可以同时处理不同任务，这就导致了FPGA工作更有效率。
（4）FPGA有大量软核，可以方便进行二次开发FPGA甚至包含单片机和DSP软核，并且IO数仅受FPGA自身IO限制，所以，FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA一般都能实现。
（5）FPGA最大的特点就是灵活，实现你想实现的任何数字电路，可以定制各种电路。
减少受制于专用芯片的束缚。
真正为自己的产品量身定做。
在设计的过程中可以灵活的更改设计。
4.IP核
人们常说的IP核，也就是知识产权IP（IntellectualProperty），是那些己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的IC模块。
分为IP软核（softIPcore）、IP固核（firmIPcore）和IP硬核（hardIPcore）。
IP的本质特征是可重用性，其通常必然满足以下基本特征：
一是通用性好，二是正确性有100％的保证，三是可移植性好。
5.FPGA开发流程
6.FPGA开发语言
（1）Verilog是一种硬件描述语言（HDL:
HardwareDescriptionLanguage），以文本形式来描述数字系统硬件的结构和行为的语言，用它可以表示逻辑电路图、逻辑表达式，还可以表示数字逻辑系统所完成的逻辑功能。
（2）VHDL全名Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,诞生于1982年。
1987年底，VHDL被IEEE和美国国防部确认为标准硬件描述语言。
自IEEE-1076（简称87版）之后，各EDA公司相继推出自己的VHDL设计环境，或宣布自己的设计工具可以和VHDL接口。
1993年，IEEE对VHDL进行了修订，从更高的抽象层次和系统描述能力上扩展VHDL的内容，公布了新版本的VHDL，即IEEE标准的1076-1993版本。
注：
IEEE1364-1995标准->1364-2001标准->1364-2005标准
（3）VerilogVSVHDL
①在国外学界VHDL比较流行，在产业界Verilog比较流行。
②Verilog适合算法级，RTL，逻辑级，门级；而VHDL适合特大型的系统级设计，也就是在系统级抽象方面比verilog好。
③Verilogcode运行快，simulationperformanc
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