第1章-導(dǎo)論與概論

微機與單片機原理導(dǎo)論一、電子計算機的發(fā)展

1946年2月，由美國賓夕法尼大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士莫克利和電氣工程師?？颂仡I(lǐng)導(dǎo)的研制小組，研制成功了世界上第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC。這臺計算機使用了約18000個電子管、1500個繼電器、耗電量達150KW，占地面積167m2，重量約30t，計算速度每秒5000次，采用字長10位的十進制計算方式，編程通過接插件進行。

導(dǎo)論一、電子計算機的發(fā)展

1944年，著名的數(shù)學(xué)家馮·諾依曼提出了采用二進制、存儲程序，并在程序控制下自動執(zhí)行的思想。按照這一思想，新機器由運算、控制、存儲、輸入、輸出等五個部件構(gòu)成，這種模式的計算機稱為馮·諾依曼機。時至今日，電子計算機的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了五代，雖然在技術(shù)上不斷發(fā)展和完善，但基于馮·諾依曼機的基本結(jié)構(gòu)仍然未有大的變化。

導(dǎo)論一、電子計算機的發(fā)展第一代（1946～1957），以電子管為邏輯部件，以陰極射線管、磁芯和磁鼓等為存儲器。軟件上采用機器語言，后期采用匯編語言。第二代（1958～1965），以晶體管為邏輯部件，內(nèi)存用磁芯、外存用磁盤。軟件上廣泛采用高級語言，并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)。第三代（1966～1979），以中小規(guī)模集成電路為主要部件，內(nèi)存用磁芯、半導(dǎo)體，外存用磁盤。軟件上廣泛使用操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了分時、實時操作系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)。導(dǎo)論一、電子計算機的發(fā)展第四代（1980～1993），以大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路為主要部件，以半導(dǎo)體存儲器和磁盤為內(nèi)、外存儲器。在軟件方法上產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想。第五代（1994～至今），以甚大規(guī)模集成電路為主要部件,以半導(dǎo)體存儲器和磁盤為內(nèi)、外存儲器。在軟件方法上，占支配地位的語言變?yōu)镃++、Java、HTML和XML。此外，基于建模語言（UML）的圖形設(shè)計語言開始出現(xiàn)。導(dǎo)論二、微處理器的發(fā)展階段

第一階段（1971～1973年）：1971年Intel公司推出了世界上第一款微處理器Intel4004，這是第一個可用于微型計算機的4

位微處理器，它集成了2300只晶體管，成為第一代微處理器。第二階段（1973～1977年）:1971年Intel公司從8008發(fā)展成Intel8080，成為真正意義上的8

位微處理器。8080采用NM0S工藝，集成度約9000只晶體管，平均指令執(zhí)行時間為1~2μs，很快作為代替電子邏輯電路的器件被廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，成為早期嵌入式系統(tǒng)的核心部件。第二階段中還有代表性的機型：

Zilog公司的增強型Z80，Motorola的M6800導(dǎo)論二、微處理器的發(fā)展階段

第三階段（1978～1983年）：1978年，Intel公司推出了第一個16位微處理器，即著名的8086。它的最高主頻為10MHz，16位字長，內(nèi)存尋址能力為1MB。很快，Zilog和Motorola公司也宣布計劃生產(chǎn)16位微處理器Z8000和M68000。從此以后微處理器進入了群雄逐鹿的時代。

第四階段（1983～2003年）：Intel公司相繼推出了32位微處理器80386、80486系列、Pentium系列。以及AMD公司的K5、K6、K7（Athlon）等系列微處理器，主頻達到1GHz主頻。導(dǎo)論二、微處理器的發(fā)展階段第五階段（1993年～至今）：2003年4月，AMD公司的64處理器Opteron、K8問世，宣告了64位微處理器時代的到來。2005年Intel和AMD先后發(fā)布了自己的雙核處理器——PentiumD和Athlon64X2，宣告微處理器雙核時代的來臨。

現(xiàn)在，這些高性能的微處理器被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，諸如：大中型計算機、通用個人計算機（PC機）、測控領(lǐng)域?qū)Ｓ糜嬎銠C和普通嵌入式系統(tǒng)。

導(dǎo)論三、嵌入式處理器的發(fā)展

微型計算機是伴隨微處理器的誕生而出現(xiàn)的。但隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，它很快進入了兩大分支：通用計算機系統(tǒng)和嵌入式計算機系統(tǒng)。通用計算機系統(tǒng)用于高速數(shù)值計算和海量數(shù)據(jù)處理。嵌入式計算機系統(tǒng)則面向工控領(lǐng)域，嵌入到各種控制應(yīng)用系統(tǒng)、各類電子系統(tǒng)和電子產(chǎn)品中。

導(dǎo)論三、嵌入式處理器的發(fā)展

由于應(yīng)用對象對低功耗、小體積、高可靠性的苛刻要求，現(xiàn)在市場上的嵌入式處理器實際上都是一個單片微型計算機，廣泛應(yīng)用在制造工業(yè)、過程控制、通信、儀器、汽車、船舶、航空航天、軍事裝備和消費類產(chǎn)品等方面，在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了各種通用微處理器。

作為以硬件技術(shù)為基礎(chǔ)，以電子系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計為目標(biāo)的信通類的學(xué)生來說，掌握嵌入式處理器的應(yīng)用技術(shù)是非常重要的。導(dǎo)論三、嵌入式處理器的發(fā)展

1976年Intel公司首先推出真正能稱為單片機的MCS-48系列單片微型計算機。它以體積小、功能全、價格低等特點，贏得了廣泛的應(yīng)用。在MCS-48成功的刺激下，許多半導(dǎo)體公司和計算機公司爭相研制和發(fā)展自己的單片機系列。在短短的十幾年間，經(jīng)歷了四次更新?lián)Q代，其發(fā)展速度大約每二、三年要更新一代，集成度增加一倍，功能翻一番。發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣達到了驚人的地步。單片機已滲透到生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，可謂無所不在。導(dǎo)論三、嵌入式處理器的發(fā)展

80C51是單片機中的經(jīng)典和標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，具有品種全、性價比高，兼容性強、軟硬件資料豐富等特點，因此時至今日，在國內(nèi)的應(yīng)用仍非常廣泛。近年來，受IT技術(shù)發(fā)展的推動，ARM處理器（32位單片機）在全球范圍內(nèi)流行，已經(jīng)開始成為高中端嵌入式應(yīng)用和設(shè)計的主流。32位ARM體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為一種事實上的標(biāo)準(zhǔn)。第一章計算機系統(tǒng)概論本章學(xué)習(xí)要點：計算機硬件的概念及結(jié)構(gòu)計算機軟件的概念及分類計算機的體系結(jié)構(gòu)計算機的層次結(jié)構(gòu)計算機基本工作原理§1.1計算機硬件

計算機的功能從根本上說就是能夠接收信息，根據(jù)事先編好的程序?qū)π畔⑦M行處理，并給出處理的結(jié)果。信息是復(fù)雜的，但不論多么復(fù)雜，都是靠計算機的基本部件協(xié)作完成的，這些部件有運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。由主存儲器流向控制器的信息流稱為指令流

由主存儲器流向運算器或由運算器流向主存儲器的信息流稱為數(shù)據(jù)流

控制器依據(jù)指令發(fā)出的控制信號，稱為控制流§1.2

計算機軟件1.2.1軟件的組成與分類計算機中的程序、數(shù)據(jù)和文檔稱為計算機軟件。計算機軟件一般分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩類。如圖1-2所示。系統(tǒng)軟件是方便用戶使用計算機，發(fā)揮計算機效率、功能的基礎(chǔ)軟件。它負(fù)責(zé)計算機系統(tǒng)的調(diào)度管理，提供程序的運行環(huán)境和開發(fā)環(huán)境，并且向用戶提供各種服務(wù)。應(yīng)用軟件是用各種程序設(shè)計語言編寫出來的具有特定功能的程序。§1.2

計算機軟件1.2.2計算機語言

1、機器語言機器語言是計算機硬件能夠直接識別和執(zhí)行的以二進制代碼表示的機器指令，是面向機器的。每一種機器語言編寫的程序只適用于某種特定類型的計算機。由于計算機能直接識別和執(zhí)行機器語言程序，故機器語言程序又稱為目標(biāo)程序，顯然用機器語言編寫的程序?qū)崿F(xiàn)路徑最直接，執(zhí)行起來是最快的。用機器語言編寫程序既煩瑣，又容易出錯，還要求程序編寫者深入理解計算機硬件結(jié)構(gòu)。因此，在計算機發(fā)展過程中，逐步出現(xiàn)了匯編語言和各種高級的程序設(shè)計語言，以幫助人們更有效、更方便地編寫程序?！?.2

計算機軟件1.2.2計算機語言

2、匯編語言匯編語言是一種與計算機機器語言相當(dāng)接近的符號語言。它采用助記符來表示機器指令的操作碼。采用符號地址指示程序存放在存儲器中的位置及跳轉(zhuǎn)關(guān)系，并增加一些控制程序執(zhí)行和便于表示數(shù)據(jù)及其存放的命令（偽指令），以方便人們編寫程序。匯編語言與機器語言一樣，也是一種面向機器的語言。用匯編語言編寫的程序稱為匯編語言源程序。計算機不能直接識別和執(zhí)行匯編語言源程序，需要通過稱為匯編程序的一種語言處理程序加以處理。得到機器指令形式的目標(biāo)程序，計算機才能識別和執(zhí)行。將匯編語言的源程序編譯成機器語言的目標(biāo)程序的過程，稱為“匯編”。§1.2計算機軟件1.2.2

計算機語言

3、高級語言高級語言克服了機器語言和匯編語言依賴于具體計算機的缺陷，使計算機語言成為描述各種問題求解過程的算法語言。并從過程化語言發(fā)展為現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的面向?qū)ο蟮恼Z言。用某種高級語言編寫的程序稱為高級語言源程序，如C++語言源程序、PASCAL語言源程序等。計算機不能直接執(zhí)行高級語言源程序，用高級語言編寫的源程序在輸入計算機后，通過“翻譯程序”翻譯成機器語言，這樣計算機才能識別和執(zhí)行。

§1.2計算機軟件1.2.2計算機語言

4、高級語言“翻譯”通常有兩種方式，即編譯方式和解釋方式。

編譯方式是指利用事先編好的一個稱為編譯程序的機器語言程序，作為系統(tǒng)軟件存放在計算機內(nèi)，當(dāng)用戶將高級語言編寫的源程序輸入計算機后，編譯程序便把源程序翻譯成用機器語言表示的與之等價的目標(biāo)程序，然后計算機再執(zhí)行該目標(biāo)程序，以完成源程序要處理的運算，并取得結(jié)果。

解釋方式是指源程序進入計算機后，由一個叫解釋程序的處理程序邊掃描邊解釋，逐句輸入逐句翻譯，計算機再逐句執(zhí)行，并不產(chǎn)生目標(biāo)程序?！?.2計算機軟件

1.2.3指令集結(jié)構(gòu)

指令是機器語言的詞匯，指令集就是機器語言的的辭海。為提高計算機系統(tǒng)的性價比，設(shè)計指令集結(jié)構(gòu)時有兩種不同的優(yōu)化策略。計算機系統(tǒng)設(shè)計師把指令集分成兩大類，將處理器分為復(fù)雜指令計算機（ComplexInstructionSetComputer,CISC）和精簡指令集計算機（ReducedInstructionSetComputer,RISC）?！?.2計算機軟件1.2.3指令集結(jié)構(gòu)

CISC的世紀(jì)思想和特點

CISC的思想是讓每一條指令完成盡可能多的任務(wù)，其結(jié)果導(dǎo)致了CISC機的多種操作數(shù)尋址模式。更重要的是，在CISC機的設(shè)計中，每條指令所帶的操作數(shù)數(shù)目及其存放的地點都是任意的。這種設(shè)計的結(jié)果是指令長短不一，指令執(zhí)行時間也相差懸殊。

優(yōu)點：減少對存儲器的存取操作，也就減少存儲器存取速度慢帶來的影響，并使一條指令實現(xiàn)一個復(fù)雜的處理，如：求一個函數(shù)值?！?.2計算機軟件1.2.3指令集結(jié)構(gòu)RISC的設(shè)計思想及特點

RISC的設(shè)計思想是盡量降低指令的數(shù)量和復(fù)雜性，力求每條指令只執(zhí)行一個基本計算，從而得到一個最小化的指令集。為了達到可能的最高速度，RISC指令被設(shè)計為固定長度，并在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一條命令。同時，RISC機的設(shè)計充分利用了高速緩存、提前讀取、流水線操作和超標(biāo)量運算等手段，有效地提高了計算機的性能。缺點：由于指令簡單，RISC的性能更依賴于編譯程序（針對高級語言）的有效性，如果沒有一個很好的編譯程序，RISC結(jié)構(gòu)的潛在優(yōu)勢就無法發(fā)揮。§1.3計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

一、馮?諾依曼結(jié)構(gòu)馮?諾依曼型計算機以存儲程序原理為基礎(chǔ)，指令與數(shù)據(jù)混合存儲。程序執(zhí)行時，CPU在程序計數(shù)器的指引下，順序地讀取下一條指令和數(shù)據(jù)，這就注定了其本質(zhì)特點是串行性，表現(xiàn)在兩個方面：指令執(zhí)行的串行性和存儲器讀取的串行性。§1.3計算機系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

二、哈佛結(jié)構(gòu)

如圖所示，哈佛體系結(jié)構(gòu)的特點如下：程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開；提供了較大的存儲器帶寬；適合于數(shù)字信號處理；大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)；單位時間內(nèi)存儲器所存取的信息量，是體現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸速率的技術(shù)指標(biāo)（bit/s、byte/s）§1.4

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過配置各種軟件，形成一個有機組合的系統(tǒng)。使用計算機幫助我們解決問題的方法從控制流程的角度看可分為三種：全硬件的方法，即使用組合、時序邏輯設(shè)計方法，設(shè)計硬件邏輯電路，實現(xiàn)控制流程；軟、硬件相結(jié)合的方法，即部分流程由硬件邏輯實現(xiàn)，另一部分由微程序?qū)崿F(xiàn)；全軟件的方法，即采用某種計算機語言，按流程算法編制程序，實現(xiàn)控制流程?！?.4

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

用一種層次結(jié)構(gòu)的觀點分析計算機，計算機系統(tǒng)按功能劃分的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示。沒有加載任何軟件之前是一臺最基本的物理機，按照功能實現(xiàn)劃分成不可再分的三個實際機器層次。

M3~M6為虛擬機器層，它的功能體現(xiàn)在廣義的計算機語言上。從某一層次的觀察者看來，它只能是通過該層次的語言來了解和使用計算機，至于對實際問題在較低層次上的具體解決和實現(xiàn)是不必關(guān)心的§1.4

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

操作系統(tǒng)的主要功能有：處理器管理功能，即為一個或多個用戶合理、有效地分配CPU；存儲管理功能，即合理組織和分配存儲空間（包括主存和輔存）；數(shù)據(jù)管理功能，即合理組織信息在輔助存儲器上的存儲和檢索；設(shè)備管理功能，即合理組織和使用I/O設(shè)備；作業(yè)管理功能，即合理組織和調(diào)度作業(yè)的運行；系統(tǒng)的安全和保護功能，即為保護系統(tǒng)正常運行，減少和避免由各種操作錯誤及設(shè)備故障引起的問題所采取的防范措施。§1.5計算機的基本工作原理1.5.1存儲程序工作原理

事先編制程序，并將程序（包含指令和數(shù)據(jù)）存入主存儲器中，計算機在運行程序時，要能自動、連續(xù)地從主存儲器中依次取出指令并執(zhí)行，根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進行處理。

為了控制指令序列的執(zhí)行順序，設(shè)置一個程序計數(shù)器（PC），讓它存放當(dāng)前指令所在的存儲單元的地址?？刂破鞲鶕?jù)PC的指示，合著時序脈沖的節(jié)拍，周期性地從存儲器取指、并進行譯碼和執(zhí)行。大多數(shù)情況下，程序的執(zhí)行都是順序的，因此，控制器取指后，

PC自動增１，從而保證能夠按照指令的先后順序執(zhí)行。如果被執(zhí)行的指令是一條轉(zhuǎn)移指令，那么這條指令被執(zhí)行后，其目標(biāo)地址將裝入PC。可見，PC就像一個指針，一直指示著程序的執(zhí)行進程。

這就是著名的馮?諾依曼機結(jié)構(gòu)，是美國科學(xué)家馮?諾依曼（vonNeumann）在1945年領(lǐng)導(dǎo)設(shè)計EDVAC計算機的過程中提出的。它奠定了現(xiàn)代計算機的基本結(jié)構(gòu)思想，到目前為止，絕大多數(shù)計算機仍沿用這一結(jié)構(gòu)?！?.5計算機的基本工作原理

計算機的工作過程：計算機的工作過程是執(zhí)行程序的過程。程序是為求解特定問題而設(shè)計的指令序列，所以計算機的工作過程就是按照給定次序執(zhí)行一系列指令的過程。按照存儲程序工作原理，執(zhí)行一條指令可以分為兩個階段進行：

取指令和執(zhí)行指令

于是計算機的工作過程也就是反復(fù)取指和執(zhí)指的過程?！?.5計算機的基本工作原理

例如，求兩個正整數(shù)a，b的較大值，即f=max(a，b)，其解題步驟如下：①輸入a和b這兩個數(shù)；②執(zhí)行a賦值給f；③判斷，如果b＞a，則執(zhí)行b賦值給f；④輸出f；⑤結(jié)束。結(jié)合匯編語言程序的執(zhí)行，可以很清楚地看出，馮?諾依曼體系的計算機執(zhí)行程序的過程。數(shù)據(jù)a存放在主存300AH單元，數(shù)據(jù)b存放在主存300BH單元，運算結(jié)果f存放在主存300CH單元。

§1.5計算機的基本工作原理

用匯編語言編寫的程序如下：單元地址 單元內(nèi)容 2000H MOVAL,[300AH] 2001H MOVBL,[300BH] 2002H MOV[300CH],AL 2003H CMPBL,AL 2004H JG2006H 2005H HLT 2006H MOV[300CH],BL 2007H HLT 300AH a 300BH b 300CH 存結(jié)果f§1.6計算機的性能指標(biāo)1.運算速度

計算機的運算速度是指計算機每秒鐘執(zhí)行的指令數(shù)。通常以MIPS和MFLOPS為計量單位來衡量運算速度。MIPS表示每秒百萬次指令。對于給定的程序，MIPS可定義為

MIPS=IN/（TE×10E6） 式中，IN表示指令條數(shù)，TE表示程序的執(zhí)行時間（s）。 MFLOPS表示每秒百萬次浮點運算。對于給定的程序，MFLOPS可定義為

MFLOPS=IFN/（TE×10E6）

式中，IFN表示浮點運算指令的條數(shù)。 MIPS只適用于衡量標(biāo)量計算機的性能，MFLOPS則比較適用于衡量向量計算機的性能。

§1.6計算機的性能指標(biāo)影響運算速度的有如下幾個主要因素：主頻，也就是CPU的時鐘頻率或工作頻率。主頻越高，單位時間所執(zhí)行的指令數(shù)量就會越多，計算機的運算速度自然就越高了。外頻，是CPU與外界（存儲器、I/O設(shè)備）交換數(shù)據(jù)的頻率（系統(tǒng)時鐘）。主頻再高，如果外頻低，整個系統(tǒng)的速度也提不起來。內(nèi)頻與外頻具有倍頻關(guān)系，即

內(nèi)頻=外頻×倍頻§1.6計算機的性能指標(biāo)影響運算速度的有如下幾個主要因素：存儲器存取速度。內(nèi)存儲器完成一次讀（?。┗?qū)懀ù妫┎僮魉璧臅r間稱為存儲器的存取時間或者訪問時間。而連續(xù)兩次讀（或?qū)懀┧璧淖疃虝r間稱為存儲周期。對于半導(dǎo)體存儲器來說，存取周期為幾十到幾百ns（10-9s）。由于訪存操作在計算機的工作過程中是必不可少的，因此，存儲器存取速度這個因素對計算機速度的影響就非常顯著了。I/O的速度。主機I/O的速度取決于I/O總線的設(shè)計。這對于慢速設(shè)備（如鍵盤、打印機）關(guān)系不大，但對于高速設(shè)備則效果十分明顯?！?.6計算機的性能指標(biāo)2.字長一般說來，計算機CPU在同一時刻處理的一組二進制數(shù)稱為一個計算機的“字”，而這組二進制數(shù)的位數(shù)就是“字長”。能處理字長為8位數(shù)據(jù)的CPU通常就叫8位的CPU。同理，32位的CPU就能在單位時間內(nèi)處理字長為32位的二進制數(shù)。很明顯，字長意味著計算精度和速度。當(dāng)然字長位數(shù)越多，硬件成本也越高，因為它決定著寄存器、運算部件、數(shù)據(jù)總線等的位數(shù)（它們的位數(shù)相同，都是相同字長）?！?.6計