嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)第1章-微型計算機基礎(chǔ)知識

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

計算機的發(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)模集成電路等幾個階段。

計算機可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機五類。

人們接觸最多的是被叫做“微機”的微型計算機。4

微型計算機出現(xiàn)在20世紀70年代。1971年，以Intel公司設(shè)計的世界上第一個微處理器芯片Intel4004為標志，數(shù)字電子計算機的發(fā)展便進入了微型計算機時代。

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位的微型計算機。（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。（3）第三代是以8086、8088、80286微處理器為代表的16位機。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。（5）第五代則是以Itanium、MIPS和其它具有精簡指令架構(gòu)（RISC）的微處理器為代表、目前正在飛速發(fā)展的64位機。71.2數(shù)字電路與計算機

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

從功能上看，它具有兩個基本功能：一是表示和存儲數(shù)字數(shù)據(jù)的功能；二是對數(shù)字數(shù)據(jù)進行運算的功能。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)成運算裝置。1.2.1數(shù)據(jù)在計算機中的表示——二進制

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

計算機的核心任務(wù)是進行數(shù)的運算，該功能是由一個叫做“算術(shù)邏輯單元（ALU）”的電路來實現(xiàn)的。1、算術(shù)邏輯運算單元ALU的概念

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

半加器、全加器、程序狀態(tài)寄存器等概念。2、機器數(shù)

二進制數(shù)也常常被叫做機器數(shù)。

凡使用機器來計數(shù)的裝置都有一個共同的特點：它們的字長是有限的，或者說它們的計數(shù)范圍是有限的，即當(dāng)計數(shù)計到最大值再進行加法計數(shù)時，其和返回（回卷）到0重新計數(shù)。113、有符號數(shù)的機器數(shù)表示及其運算（1）真值

把有符號數(shù)所對應(yīng)的十進制值叫做機器數(shù)的真值。（2）反碼

就是把一個二進制數(shù)按位取反所得到的數(shù)碼。12（3）補碼（4）溢出

程序狀態(tài)寄存器。4、二進制數(shù)據(jù)的十六進制表示

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

原則上說，任何能接收并保存數(shù)字信號的裝置都可以作為計算機的存儲裝置。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二進制信息的裝置。142、存儲器及存儲單元的地址

由存儲單元組成的存儲裝置叫做存儲器。

譯碼器實現(xiàn)了存儲單元的編碼，這個編碼就叫做存儲單元的地址。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。

由于計算機只能用二進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，它負責(zé)對指令進行解釋和翻譯。16（2）控制器

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

凡是計算機系統(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計算機系統(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行書寫。ADDA，[0X22E]1.2.5程序及程序計數(shù)器PC1、程序及程序的首地址18（1）什么叫程序

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

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

計算機有一個存放程序首地址的存儲裝置，這個存儲裝置就叫做程序計數(shù)器，或PC。3、指令的執(zhí)行過程

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

計算機系統(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。

硬件部分叫做計算機的硬件系統(tǒng)，軟件部分叫做計算機的軟件系統(tǒng)。1.3.1馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)1945年數(shù)學(xué)家馮.諾依曼提出的，這種計算機有如下主要特點：22（1）計算機由運算器、存儲器、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器中，并可按地址對它們進行訪問。（3）指令在存儲器中順序存放。（4）機器以運算器為中心，數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過運算器。23241.3.2計算機的硬件組成

由于運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，這兩個部件通常被制作在同一個芯片上，這個芯片叫做中央處理器（CentralProcessingUnit），簡稱CPU或處理器。

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

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

除了CPU、存儲器之外，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)計人員看不到（透明）的寄存器。（2）另一類是程序設(shè)計人員看得到并使用的寄存器，如程序計數(shù)器、通用寄存器等。

對于程序設(shè)計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，如程序計數(shù)器PC和堆棧指針SP。（2）另一類是可以由程序設(shè)計人員自行指定用途的通用寄存器。2、內(nèi)存

能存儲大量數(shù)據(jù)且通過總線可由CPU直接進行讀/寫操作的存儲器叫做計算機的內(nèi)部存儲器，簡稱內(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——是在計算機內(nèi)部個部件之間或計算機與外界之間進行信息傳輸?shù)臉藴驶餐ǖ?。?）數(shù)據(jù)總線（ DB）——用來在計算機各部件之間傳輸數(shù)據(jù)及指令代碼。30（3）地址總線（AB）——用于傳輸 CPU要訪問的存儲單元或接口的地址信號。（4）控制總線（CB）——是在計算機各部件之間傳輸“讀”、“寫”之類控制信號。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)與計算機連接起來時，常常需要在這些外設(shè)和計算機之間配備一些中間電路進行緩沖和信號變換。這些中間電路就叫做接口電路，簡稱接口。5、外部存儲器（輔存）

硬盤、軟盤、光盤和U盤等。1.3.3計算機的軟件系統(tǒng)321、系統(tǒng)軟件

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

如操作系統(tǒng)、實用程序等。由于這些軟件是一個完整計算機系統(tǒng)必備的軟件，已經(jīng)構(gòu)成了計算機系統(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計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展

計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大體上如下：351.4.1RISC

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

據(jù)介紹，當(dāng)時的Intel80386的設(shè)計就要耗時3年之久，耗資達1.5億美圓。

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

實現(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)置了獨立于處理器的寄存器和存儲器之間的直接數(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)都能實現(xiàn)軟件兼容，即高檔機包含了低檔機的全部指令并并可以擴充。RISC由于簡化了指令系統(tǒng)，從而使機器指令數(shù)目少而且格式也不同于老機器，因此RISC機一般不能與老機器相兼容。

目前商品化的RISC架構(gòu)的計算機通常并不是純RISC機，常常會根據(jù)實際需要在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個步驟。42431.4.3高速緩存

高速緩沖存儲器是位于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，其主要功能就是負責(zé)浮點運算。目前協(xié)處理器的功能也不再局限于增強浮點運算，現(xiàn)44在CPU的浮點單元（協(xié)處理器）往往對多媒體指令進行了優(yōu)化。1.4.5片上系統(tǒng)

把多個固定的芯片組合集成在一個芯片上而形成一種功能更強大的芯片的想法，按照這種思想制作的芯片就叫做片上系統(tǒng)（SystemonChip，SoC）。451.5微型計算機的兩種主要應(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)別于原有的通用計算機系統(tǒng)，人們把嵌入到對象體系中，為實現(xiàn)對象體系智能化控制的計算機系統(tǒng)，稱為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式計算機系統(tǒng)與通用型計算機系統(tǒng)相比，具有以下特點：47（1）專用性強（2）可裁減性好（3）實時性與可靠性（4）功耗低481.6計算機程序設(shè)計語言

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

二進制代碼與其助記符形式的語言是低級語言，它們都是直接對硬件進行操作。

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

助記符語言只不過是為了更容