微机原理及接口技术课件-第一章.ppt

第1章 概述 一一. . 计算机发展计算机发展( (了解了解) ) 机械式计算机、电子技术和半导体技术 二二. . 现代计算机系统现代计算机系统 计算机的层次结构( (掌握掌握) ) 计算机体系结构、组成及实现( (掌握掌握) ) 存储器分层( (掌握掌握) ) CISC与RISC结构( (掌握掌握) ) 计算机性能( (掌握掌握) ) 三三. .嵌入式系统嵌入式系统 ( (了解了解) ) 概念、特点、组成、发展趋势 机械式计算机的发展 岩石上的刻痕、算盘、机械计 算器、通用图灵机 电子技术和半导体技术的诞生 电子管(vacuum tube) 时代 晶体管(transistor)时代 第一个晶体管的诞生 第一代电子管计算机ENIAC 集成电路的诞生 第一块IC 诞生之后， 基尔比在 IRE(美国无 线电工程师 学会)的一次 会议上宣布 了“固体电 路”(Solid circuit)的出 现，这就是 以后的“集 成电路”的 代名词 。 ENIAC (1946) 掌上电脑 按性能和体积可分为：巨型机，大型机，中型机，按性能和体积可分为：巨型机，大型机，中型机， 小型机，微机小型机，微机 笔记本电脑PC机 1972年8位CPU8008，后升级为8080。 1971年4位微处理器 1993年32位微处理器 2006年双核微处理器 1978年16位微处理器 1982年16位微处理器 1985年32位微处理器 ? 1946年第一台数字电子计算机 2008年四核微处理器 Gordon Moore：Intel的创始人之一 摩尔定律： 集成电路芯片上所集成的电路的数目， 每隔18个月就翻一番，而性能提高一倍。 英特尔(Intel)名誉董事长 戈登摩尔（Gordon Moore） Gordon Moore 1965 的预言已经40多年了， 这条IT第一定律还能走 多远？ 英特尔CEO克雷格贝瑞特 计算机发展的主要阶段 第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（19461955年）电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软 件采用机器语言，后期采用汇编语言。 3第二代（19551965年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级 语言，并出现了早期的操作系统。 4第三代（19651980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘 。软件广泛使用OS，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 5第四代（1980年至今）个人计算机 以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。 在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操 作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一 阶段诞生并获得飞速发展。 6第五代 无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、 计算机系统的层次结构 （a）软软硬件层层次 （b）语语言层层次 计算机系统的层次结构 1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解 问题的过程； 2.软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化 （如CISC思想）、固件化（如微程序） ； 3.（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器 微体系结结构层层 （微程序或硬连逻辑连逻辑 ） 操作系统层统层 语语言处处理层层（解释释、编译编译 ） 用户户程序层层（语语言编编程） 系统统分析层层（数学模型、算法） 硬核 级级 数字逻辑层逻辑层 （硬件） 指令系统层统层 （机器语语言指令） 应应用语语言虚拟拟机 高级语级语 言虚拟拟机 汇编语汇编语 言虚拟拟机 操作系统统虚拟拟机 机器语语言级级 微程序级级 寄存器级级（硬件） 体系结构(Architecture)：程序员关心的计算机概念结构 与功能特性。 如：确定指令集中是否有乘法指令； 计算机组织(Organization)：从硬件角度关注物理机器的 逻辑实现，是计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内部 的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 如：乘法指令由专用乘法器（设计乘法逻辑）还是用加法器（加法逻 辑）实现乘法；（如32） 计算机实现：计算机体系结构的物理实现，即底层的器件 技术和微组装技术 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术； 计算机体系结构、组成及实现 相关概念说明 “计算机体系结构” （computer architecture）一词的含义有 多种说法,并无统一的定义。它是 Amdahl （阿姆达尔）等人在 1964 年提出的。他们把体系结构定义为由程序设计者所看到的 一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。这实际上 是计算机系统的外特性。 按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有 不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要 是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系 统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。 相关概念说明 这些属性如： 机器的数据表示，即机器硬件能直接识别和处理的数据类型。 寄存器组，包括各种寄存器的定义、数量和使用方式等。 指令系统，包括机器提供的各种指令集及寻址方式等。 数据通路，机器不同部件进行数据传输的通路。 中断系统，包括中断的类型和中断的处理方法等。 存储系统，主存容量，程序员可用的最大存储空间和存储保护等。 输入输出，输入输出的连接方式、输入输出的传输控制方式等。 这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，机器语言 程序员在了解了这些属性后才能设计出正确的计算机系统。 相关概念说明 透明(transparency)：在计算机技术中，一种本来是存 在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性 现象。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结 构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。由此看出 ，在层次结构各个级上都有相应的系统结构。 要求 牢固掌握计算机体系结构、计算机组 织结构、计算机实现三者之间的关系！ 计算机体系结构角度的多层结构 从概念 性结构 和功能 特性上 进行层 次结构 分析 计算机组织角度的多层结构 系统设计层 逻辑设计层 指令系统层 从逻 辑实 现上 进行 层次 结构 分析 计算机组织的描述模型 用PMS描述逻辑结构： P处理器、M存储器、S开关 用RTL(Register Transfer Level)描述逻辑 结构： 系统设计的一个特定级别，用RTL语 言描述控制过程（寄存器一级的描述） 一个中央处理器(CPU)的RTL模型 指令执行过程-RTL模型 计算机体系结构的演进：并行处理技术 冯诺伊曼结构（P5、P28） 串行性：指令执行串行、存储器读写串行 哈佛结构（P7） 引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取 流水线结构（P14） 并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思 想包括时间重叠（time interleaving）、资源重复（resource replicaiton）和资源共享（resource sharing）。 冯诺依曼结构 *24/36 输 入 设 备 控制器 输 出 设 备 CPU 存储器 运算器ALU 冯诺依曼计算机的结构与工作原理： “存储程序” + “程序控制” 工作原理： 先将程序存入存储器中，再由 控制器自动读取并执行 输 出 设 备 主要特点 1、计算机硬件由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大基本部件 组成。 2、计算机内部的指令和数据均采用二进制表示。 3、基本工作原理：程序存储和程序控制原理。 程序（指令）被预先放置在存储器中，计算机工作时控制 器自动从存储器中依次取出程序指令并执行。 基于冯氏结构产品 缺点：速度上的瓶颈 等等 哈佛结构 哈佛结构 冯氏结构 关键区别： 程序空间和数据空间是否分开（注意：不是物理存储器是 否分开） 指令的顺序执行和流水线执行 *28/36 存储器结构 存储器是计算机的核心部件之一。如何以 合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存 储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键 问题之一。 现代计算机系统通常把不同容量、不同速 度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以 解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。 存储器分层结构 存储器分层结构 一.设计目标 整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn 二. 操作策略 映像规则：用于确定一个新的块（页）被调 入本级存储器时应放在什么位置上。 查找规则：用于确定需要的块（页）是否存 在本级存储器中以及如何查找。 替换规则：用于确定本级存储器不命中且已 满时应替换哪一块（页）。 写规则：用于确定写数据时应进行的操作。 不同的CPU设计策略：CISC与RISC 一.CISC（Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机） 不断增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新 指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功 能的硬化。 二.RISC（Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机） 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设 计复杂度，从而提高指令的执行速度 CISC：如Intel CPU、RISC如ARM处理器 CISC的缺陷 美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明： 许多复杂指令很少被使用，“2-8原则” 控制器硬件复杂（指令多，且具有不定长格式和复杂的数 据类型），占用了大量芯片面积，且容易出错，VLSI设计 困难。 指令操作繁杂，执行速度慢。 指令规整性不好，不利用优化编译。 RISC的设计思想及特点 RISC机的设计应当遵循以下五个原则。 指令条数应当少，格式简单，易于译码； 提供足够的寄存器，只允许load和store指令访问 内存； 指令由硬件直接执行，在单个周期内完成； 充分利用流水线； 强调优化编译器的作用； CISC PK RISK CISC： 优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语言 接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。 缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同的 指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整 台机器的执行效率。 RISC： 优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数用1个16位数 或32位数表示，指令整齐。CPU时钟频率可以做得很高，指令执 行速度快。 缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理地 选择编译器。 计算机系统的性能测定 计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决 定，通常可利用标准测试程序来测定性能。 用MIPS (Million Instructions Per Second,每秒百万条指 令)或MFLOPS(每秒百万次浮点操作)的数值来衡量计算机系 统的硬件速度。 用 CPU执行时间T来量化硬软件结合系统的有效速度。 MIPS = f(MHz)/CPI T(s) = (IC CPI)/f(Hz) f（时钟频率）： CPU在单位时间内发出的脉冲数 IC（指令数目）：运行程序的指令总数 CPI（Cycles Per Instruction）：指令执行的平均周期数，可从运 行大量测试程序或实际程序产生的统计数据中计算出来 计算机系统性能量度值计算 假设一台计算机的时钟频率是100 MHz(每秒百万周期)，具有4种 类型的指令，它们的使用率和CPI分别如下表所示。求该计算机的 MIPS值以及运行一个具有107条指令的程序所需的CPU时间。 1.3 嵌入式系统 IEEE定义 devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants 2国内普遍认同的定义 以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统 以应用为中心 软、硬件可裁剪 对体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本等有严格约束 芯片级（MCU、SoC） 板级（单板、模块） 设备级（工控机） Embedded System Embedded Computer System Embedded Real-time System Embedded Device 定义 板级