嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)第1章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1第1章微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)3學(xué)時(shí)本章的主要內(nèi)容1、數(shù)字電子電路是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)2、二進(jìn)制數(shù)制及機(jī)器數(shù)3、有符號(hào)數(shù)的表示及溢出的概念4、存儲(chǔ)器的基本電路及其作用，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的編址25、運(yùn)算器、控制器的基本概念6、指令及指令系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過程7、計(jì)算機(jī)的硬件組成8、CISC和RISC架構(gòu)9、微型計(jì)算機(jī)的桌面系統(tǒng)應(yīng)用與嵌入式應(yīng)用31.1微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程

計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路等幾個(gè)階段。

計(jì)算機(jī)可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。

人們接觸最多的是被叫做“微機(jī)”的微型計(jì)算機(jī)。4

微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代。1971年，以Intel公司設(shè)計(jì)的世界上第一個(gè)微處理器芯片Intel4004為標(biāo)志，數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展便進(jìn)入了微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。

在短短的幾十年經(jīng)過了從第一代到第五代的發(fā)展歷程：5（1）第一代是以4004、4040和8008微處理器為代表的字長為4位和8位的微型計(jì)算機(jī)。（2）第二代是以微處理器Z80、I8085、M6800和Apple-Ⅱ等為代表的中高檔8位機(jī)。（3）第三代是以8086、8088、80286微處理器為代表的16位機(jī)。6（4）第四代是以80386、80486、Pentium、PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ等微處理器為代表的32位機(jī)。（5）第五代則是以Itanium、MIPS和其它具有精簡(jiǎn)指令架構(gòu)（RISC）的微處理器為代表、目前正在飛速發(fā)展的64位機(jī)。71.2數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)

數(shù)字電子計(jì)算機(jī)——是一種用電子裝置構(gòu)成，能夠按照機(jī)器操作者輸入的命令進(jìn)行數(shù)字信息處理的機(jī)器。

從功能上看，它具有兩個(gè)基本功能：一是表示和存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能；二是對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的功能。8

從物理構(gòu)成的角度來看，它是一種由數(shù)字電子器件和電路構(gòu)成運(yùn)算裝置。1.2.1數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示——二進(jìn)制

用“0”和“1”來表示，以“逢2進(jìn)1”為加法運(yùn)算規(guī)則，以“借1當(dāng)2”為減法規(guī)則的二進(jìn)制數(shù)制。1.2.2運(yùn)算器及二進(jìn)制運(yùn)算9

計(jì)算機(jī)的核心任務(wù)是進(jìn)行數(shù)的運(yùn)算，該功能是由一個(gè)叫做“算術(shù)邏輯單元（ALU）”的電路來實(shí)現(xiàn)的。1、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元ALU的概念

最基本的算術(shù)運(yùn)算是加法運(yùn)算，其他各種運(yùn)算都可以通過加法運(yùn)算來完成，因此二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算就是計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)算功能。10

半加器、全加器、程序狀態(tài)寄存器等概念。2、機(jī)器數(shù)

二進(jìn)制數(shù)也常常被叫做機(jī)器數(shù)。

凡使用機(jī)器來計(jì)數(shù)的裝置都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：它們的字長是有限的，或者說它們的計(jì)數(shù)范圍是有限的，即當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)到最大值再進(jìn)行加法計(jì)數(shù)時(shí)，其和返回（回卷）到0重新計(jì)數(shù)。113、有符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示及其運(yùn)算（1）真值

把有符號(hào)數(shù)所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值叫做機(jī)器數(shù)的真值。（2）反碼

就是把一個(gè)二進(jìn)制數(shù)按位取反所得到的數(shù)碼。12（3）補(bǔ)碼（4）溢出

程序狀態(tài)寄存器。4、二進(jìn)制數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制表示

二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制。1.2.3數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)131、存儲(chǔ)器的基本電路

原則上說，任何能接收并保存數(shù)字信號(hào)的裝置都可以作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)裝置。而數(shù)字電路中的雙穩(wěn)態(tài)電路就是這樣一種可以存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的裝置。142、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)單元的地址

由存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)裝置叫做存儲(chǔ)器。

譯碼器實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)單元的編碼，這個(gè)編碼就叫做存儲(chǔ)單元的地址。1.2.4指令及指令譯碼1、指令15

所謂指令，就是向系統(tǒng)發(fā)出的、指示系統(tǒng)做某種操作的命令。

由于計(jì)算機(jī)只能用二進(jìn)制形式的編碼來表示指令，所以也把指令叫做代碼。2、指令譯碼、控制器及指令集（1）指令譯碼

由指令譯碼器完成，它負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行解釋和翻譯。16（2）控制器

發(fā)出控制信息，指揮運(yùn)算器和存儲(chǔ)器協(xié)同完成指令所要求的操作。（3）指令集

凡是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令譯碼器所能解釋的指令，就是該系統(tǒng)所能夠使用的合法指令，這些合法指令的集合叫做這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令集。173、指令的助記符

常常用一些有一定語義的英文縮寫來表示一條指令的操作碼，并把指令按一定的格式進(jìn)行書寫。ADDA，[0X22E]1.2.5程序及程序計(jì)數(shù)器PC1、程序及程序的首地址18（1）什么叫程序

為完成一個(gè)完整的運(yùn)算任務(wù)，按執(zhí)行步驟用計(jì)算機(jī)指令編寫的指令集合就叫做計(jì)算機(jī)程序。（2）什么叫程序首地址

把程序第一條指令所在的存儲(chǔ)單元地址叫做程序的起始地址，或首地址。192、程序計(jì)數(shù)器PC

計(jì)算機(jī)有一個(gè)存放程序首地址的存儲(chǔ)裝置，這個(gè)存儲(chǔ)裝置就叫做程序計(jì)數(shù)器，或PC。3、指令的執(zhí)行過程

分為三個(gè)階段：取指令、譯碼指令（分析指令）、執(zhí)行指令。201.2.6計(jì)算機(jī)指令程序的過程211.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由物理設(shè)備構(gòu)成的硬件部分和由各種程序構(gòu)成的軟件部分組成。

硬件部分叫做計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，軟件部分叫做計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)。1.3.1馮.諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)1945年數(shù)學(xué)家馮.諾依曼提出的，這種計(jì)算機(jī)有如下主要特點(diǎn)：22（1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。（2）指令與數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲(chǔ)器中，并可按地址對(duì)它們進(jìn)行訪問。（3）指令在存儲(chǔ)器中順序存放。（4）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過運(yùn)算器。23241.3.2計(jì)算機(jī)的硬件組成

由于運(yùn)算器和控制器在邏輯和電路上結(jié)合非常緊密，在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)之后，這兩個(gè)部件通常被制作在同一個(gè)芯片上，這個(gè)芯片叫做中央處理器（CentralProcessingUnit），簡(jiǎn)稱CPU或處理器。

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的框圖如下所示：2526CPU和存儲(chǔ)器合起來又叫做主機(jī)。1、中央處理器CPU

除了存儲(chǔ)器之外的所有功能模塊被集中制作成一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電子部件，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部分，所以把叫做“中央處理器”，簡(jiǎn)稱CPU。

除了CPU、存儲(chǔ)器之外，還有寄存器；寄存器大體上分為兩類：27（1）一類是處理器自己使用的寄存器，如地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器等。這些寄存器都是程序設(shè)計(jì)人員看不到（透明）的寄存器。（2）另一類是程序設(shè)計(jì)人員看得到并使用的寄存器，如程序計(jì)數(shù)器、通用寄存器等。

對(duì)于程序設(shè)計(jì)人員看得到的寄存器還可以分為兩類：28（1）一類是存放專門數(shù)據(jù)的專用寄存器，如程序計(jì)數(shù)器PC和堆棧指針SP。（2）另一類是可以由程序設(shè)計(jì)人員自行指定用途的通用寄存器。2、內(nèi)存

能存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)且通過總線可由CPU直接進(jìn)行讀/寫操作的存儲(chǔ)器叫做計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存。29

內(nèi)存的速度比寄存器速度慢得多。3、系統(tǒng)總線（1）總線——是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部個(gè)部件之間或計(jì)算機(jī)與外界之間進(jìn)行信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化公共通道。（2）數(shù)據(jù)總線（ DB）——用來在計(jì)算機(jī)各部件之間傳輸數(shù)據(jù)及指令代碼。30（3）地址總線（AB）——用于傳輸 CPU要訪問的存儲(chǔ)單元或接口的地址信號(hào)。（4）控制總線（CB）——是在計(jì)算機(jī)各部件之間傳輸“讀”、“寫”之類控制信號(hào)。4、外部設(shè)備及接口（1）外設(shè)種類（2）什么叫接口31

把外設(shè)與計(jì)算機(jī)連接起來時(shí)，常常需要在這些外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間配備一些中間電路進(jìn)行緩沖和信號(hào)變換。這些中間電路就叫做接口電路，簡(jiǎn)稱接口。5、外部存儲(chǔ)器（輔存）

硬盤、軟盤、光盤和U盤等。1.3.3計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)321、系統(tǒng)軟件

用來保證計(jì)算機(jī)正常工作和提供用戶工作基本條件的軟件集合叫做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件。

如操作系統(tǒng)、實(shí)用程序等。由于這些軟件是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必備的軟件，已經(jīng)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一部分。2、應(yīng)用軟件33

用來完成特定工作的軟件系統(tǒng)叫做應(yīng)用軟件。

如WORD、WPS等。341.4計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大體上如下：351.4.1RISC

精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，RISC）是20世紀(jì)70年代中期由IBM公司提出的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，與其對(duì)應(yīng)的是復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（ComplexInstructionSetComputer，CISC）。RISC已經(jīng)成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。361、RISC的產(chǎn)生

據(jù)介紹，當(dāng)時(shí)的Intel80386的設(shè)計(jì)就要耗時(shí)3年之久，耗資達(dá)1.5億美圓。

程序中經(jīng)常用的指令有80%左右是簡(jiǎn)單指令，而復(fù)雜指令的使用率只不過20%左右。2、實(shí)現(xiàn)RISC的主要方法37

實(shí)現(xiàn)RISC思想的主要方法為：（1）減少指令的種類RISC的指令系統(tǒng)只提供完成簡(jiǎn)單操作的指令，復(fù)雜的操作則由編譯器或者程序員通過多條簡(jiǎn)單指令的組合來完成。（2）Load/Store結(jié)構(gòu)

為了提高速度，在RISC中設(shè)置了獨(dú)立于處理器的寄存器和存儲(chǔ)器之間的直接數(shù)據(jù)傳輸通道。38（3）采用指令流水線技術(shù)（4）在處理器中配置更多的通用通用寄存器3、RISC與CISC的比較（1）CISC系統(tǒng)39（2）RISC系統(tǒng)40

從指令的兼容性來看，CISC大多數(shù)都能實(shí)現(xiàn)軟件兼容，即高檔機(jī)包含了低檔機(jī)的全部指令并并可以擴(kuò)充。RISC由于簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，從而使機(jī)器指令數(shù)目少而且格式也不同于老機(jī)器，因此RISC機(jī)一般不能與老機(jī)器相兼容。

目前商品化的RISC架構(gòu)的計(jì)算機(jī)通常并不是純RISC機(jī)，常常會(huì)根據(jù)實(shí)際需要在RISC架構(gòu)上做一些比較使用的變化。411.4.2指令流水線

一條指令的執(zhí)行過程分為取指、譯碼、執(zhí)行3個(gè)步驟。42431.4.3高速緩存

高速緩沖存儲(chǔ)器是位于CPU與主內(nèi)存間的一種容量較少但速度很高的存儲(chǔ)器。1.4.4協(xié)處理器

協(xié)處理器或者叫數(shù)學(xué)協(xié)處理器，其主要功能就是負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算。目前協(xié)處理器的功能也不再局限于增強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算，現(xiàn)44在CPU的浮點(diǎn)單元（協(xié)處理器）往往對(duì)多媒體指令進(jìn)行了優(yōu)化。1.4.5片上系統(tǒng)

把多個(gè)固定的芯片組合集成在一個(gè)芯片上而形成一種功能更強(qiáng)大的芯片的想法，按照這種思想制作的芯片就叫做片上系統(tǒng)（SystemonChip，SoC）。451.5微型計(jì)算機(jī)的兩種主要應(yīng)用方向1.5.1桌面系統(tǒng)461.5.2嵌入式系統(tǒng)

為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，人們把嵌入到對(duì)象體系中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：47（1）專用性強(qiáng)（2）可裁減性好（3）實(shí)時(shí)性與可靠性（4）功耗低481.6計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言

程序設(shè)計(jì)語言通常簡(jiǎn)稱為編程語言，是一套包含語法、詞匯和含義的正式規(guī)范，是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)者用來向計(jì)算機(jī)表達(dá)解決問題步驟的工具。大體上分為兩類：低級(jí)語言和高級(jí)語言。1.6.1低級(jí)語言49

二進(jìn)制代碼與其助記符形式的語言是低級(jí)語言，它們都是直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。

二進(jìn)制代碼語言不經(jīng)任何翻譯就可直接為計(jì)算機(jī)硬件接收和執(zhí)行，所以也稱為機(jī)器語言。

助記符語言只不過是為了更容