嵌入式系统基础第1章-微型计算机基础知识

1、1第第1 1章章 微型计算机基础知识微型计算机基础知识 3 3学时学时本章的主要内容本章的主要内容1、数字电子电路是计算机硬件的基础、数字电子电路是计算机硬件的基础2、二进制数制及机器数、二进制数制及机器数3、有符号数的表示及溢出的概念、有符号数的表示及溢出的概念4、存储器的基本电路及其作用，存储器、存储器的基本电路及其作用，存储器存储单元的编址存储单元的编址25、运算器、控制器的基本概念、运算器、控制器的基本概念6、指令及指令系统，计算机程序的执行、指令及指令系统，计算机程序的执行过程过程7、计算机的硬件组成、计算机的硬件组成8、CISC和和RISC架构架构9、微型计算机的桌面系统应用与嵌入

2、式、微型计算机的桌面系统应用与嵌入式应用应用31.1 1.1 微型计算机的发展历程微型计算机的发展历程 计算机的发展经历了电子管、晶体管、计算机的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路等几个阶段。成电路等几个阶段。 计算机可分为巨型机、大型机、中计算机可分为巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机五类。型机、小型机和微型机五类。 人们接触最多的是被叫做人们接触最多的是被叫做“微机微机”的微型计算机。的微型计算机。4 微型计算机出现在微型计算机出现在2020世纪世纪7070年代。年代。19711971年，以年，以IntelIntel

3、公司设计的世界上第一公司设计的世界上第一个微处理器芯片个微处理器芯片Intel 4004Intel 4004为标志，数字为标志，数字电子计算机的发展便进入了微型计算机时电子计算机的发展便进入了微型计算机时代。代。 在短短的几十年经过了从第一代到第在短短的几十年经过了从第一代到第五代的发展历程：五代的发展历程：5（1 1）第一代是以）第一代是以40044004、40404040和和80088008微处微处理器为代表的字长为理器为代表的字长为4 4位和位和8 8位的微型计算位的微型计算机。机。（2 2）第二代是以微处理器）第二代是以微处理器Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800和

4、和Apple-Apple-等为代表的中高档等为代表的中高档8 8位位机。机。（3 3）第三代是以）第三代是以80868086、80888088、8028680286微微处理器为代表的处理器为代表的1616位机。位机。6（4 4）第四代是以）第四代是以8038680386、8048680486、PentiumPentium、Pentium Pentium 、Pentium Pentium 、 Pentium Pentium 等等微处理器为代表的微处理器为代表的3232位机。位机。（5 5）第五代则是以）第五代则是以ItaniumItanium、 MIPSMIPS和其和其它具有精简指令架构（它具有

5、精简指令架构（RISCRISC）的微处理）的微处理器为代表、目前正在飞速发展的器为代表、目前正在飞速发展的6464位机。位机。71.2 1.2 数字电路与计算机数字电路与计算机 数字电子计算机数字电子计算机是一种用电子装是一种用电子装置构成，能够按照机器操作者输入的命令置构成，能够按照机器操作者输入的命令进行数字信息处理的机器。进行数字信息处理的机器。 从功能上看，它具有两个基本功能：从功能上看，它具有两个基本功能：一是表示和存储数字数据的功能；二是对一是表示和存储数字数据的功能；二是对数字数据进行运算的功能。数字数据进行运算的功能。8 从物理构成的角度来看，它是一种由从物理构成的角度来看，它

6、是一种由数字电子器件和电路构成运算装置。数字电子器件和电路构成运算装置。1.2.1 1.2.1 数据在计算机中的表示数据在计算机中的表示二进制二进制 用用“0 0”和和“1 1”来表示，以来表示，以“逢逢2 2进进1 1”为加法运算规则，以为加法运算规则，以“借借1 1当当2 2”为减法规为减法规则的二进制数制。则的二进制数制。1.2.2 1.2.2 运算器及二进制运算运算器及二进制运算9 计算机的核心任务是进行数的运算，计算机的核心任务是进行数的运算，该功能是由一个叫做该功能是由一个叫做“算术逻辑单元算术逻辑单元（ALUALU）”的电路来实现的。的电路来实现的。1 1、算术逻辑运算单元、算术

7、逻辑运算单元ALUALU的概念的概念 最基本的算术运算是加法运算，其他最基本的算术运算是加法运算，其他各种运算都可以通过加法运算来完成，因各种运算都可以通过加法运算来完成，因此二进制数的加法运算就是计算机的核心此二进制数的加法运算就是计算机的核心运算功能。运算功能。10 半加器、全加器、程序状态寄存器等半加器、全加器、程序状态寄存器等概念。概念。2 2、机器数、机器数 二进制数也常常被叫做机器数。二进制数也常常被叫做机器数。 凡使用机器来计数的装置都有一个共凡使用机器来计数的装置都有一个共同的特点：它们的字长是有限的，或者说同的特点：它们的字长是有限的，或者说它们的计数范围是有限的，即当计数计

8、到它们的计数范围是有限的，即当计数计到最大值再进行加法计数时，其和返回（回最大值再进行加法计数时，其和返回（回卷）到卷）到0 0重新计数。重新计数。113 3、有符号数的机器数表示及其运算、有符号数的机器数表示及其运算（1 1）真值）真值 把有符号数所对应的十进制值叫做机把有符号数所对应的十进制值叫做机器数的真值。器数的真值。（2 2）反码）反码 就是把一个二进制数按位取反所得到就是把一个二进制数按位取反所得到的数码。的数码。12（3 3）补码）补码（4 4）溢出）溢出 程序状态寄存器。程序状态寄存器。4 4、二进制数据的十六进制表示、二进制数据的十六进制表示 二进制、八进制、十进制、十六进制

9、。二进制、八进制、十进制、十六进制。1.2.3 1.2.3 数据的存储数据的存储131 1、存储器的基本电路、存储器的基本电路 原则上说，任何能接收并保存数字信原则上说，任何能接收并保存数字信号的装置都可以作为计算机的存储装置。号的装置都可以作为计算机的存储装置。而数字电路中的双稳态电路就是这样一种而数字电路中的双稳态电路就是这样一种可以存储二进制信息的装置。可以存储二进制信息的装置。142 2、存储器及存储单元的地址、存储器及存储单元的地址 由存储单元组成的存储装置叫做存储由存储单元组成的存储装置叫做存储器。器。 译码器实现了存储单元的编码，这译码器实现了存储单元的编码，这个编码就叫做存储单

10、元的地址。个编码就叫做存储单元的地址。1.2.4 1.2.4 指令及指令译码指令及指令译码1 1、指令、指令15 所谓指令，就是向系统发出的、指示所谓指令，就是向系统发出的、指示系统做某种操作的命令。系统做某种操作的命令。 由于计算机只能用二进制形式的编码由于计算机只能用二进制形式的编码来表示指令，所以也把指令叫做代码。来表示指令，所以也把指令叫做代码。2 2、指令译码、控制器及指令集、指令译码、控制器及指令集（1 1）指令译码）指令译码 由指令译码器完成，它负责对指令进由指令译码器完成，它负责对指令进行解释和翻译。行解释和翻译。16（2 2）控制器）控制器 发出控制信息，指挥运算器和存储器发

11、出控制信息，指挥运算器和存储器协同完成指令所要求的操作。协同完成指令所要求的操作。（3 3）指令集）指令集 凡是计算机系统的指令译码器所能凡是计算机系统的指令译码器所能解释的指令，就是该系统所能够使用的解释的指令，就是该系统所能够使用的合法指令，这些合法指令的集合叫做这合法指令，这些合法指令的集合叫做这个计算机系统的指令集。个计算机系统的指令集。173 3、指令的助记符、指令的助记符 常常用一些有一定语义的英文缩写来常常用一些有一定语义的英文缩写来表示一条指令的操作码，并把指令按一定表示一条指令的操作码，并把指令按一定的格式进行书写。的格式进行书写。ADD AADD A，0X22E0X22E1

12、.2.5 1.2.5 程序及程序计数器程序及程序计数器PCPC1 1、程序及程序的首地址、程序及程序的首地址18（1 1）什么叫程序）什么叫程序 为完成一个完整的运算任务，按执行为完成一个完整的运算任务，按执行步骤用计算机指令编写的指令集合就叫做步骤用计算机指令编写的指令集合就叫做计算机程序。计算机程序。（2 2）什么叫程序首地址）什么叫程序首地址 把程序第一条指令所在的存储单元地把程序第一条指令所在的存储单元地址叫做程序的起始地址，或首地址。址叫做程序的起始地址，或首地址。192 2、程序计数器、程序计数器PCPC 计算机有一个存放程序首地址的存计算机有一个存放程序首地址的存储装置，这个存储

13、装置就叫做程序计数储装置，这个存储装置就叫做程序计数器，或器，或PCPC。3 3、指令的执行过程、指令的执行过程 分为三个阶段：取指令、译码指令分为三个阶段：取指令、译码指令（分析指令）、执行指令。（分析指令）、执行指令。201.2.6 1.2.6 计算机指令程序的过程计算机指令程序的过程211.3 1.3 微型计算机系统的基本组成微型计算机系统的基本组成 计算机系统由物理设备构成的硬件部计算机系统由物理设备构成的硬件部分和由各种程序构成的软件部分组成。分和由各种程序构成的软件部分组成。 硬件部分叫做计算机的硬件系统，软硬件部分叫做计算机的硬件系统，软件部分叫做计算机的软件系统。件部分叫做计算

14、机的软件系统。1.3.1 1.3.1 冯冯. .诺依曼计算机结构诺依曼计算机结构 1945 1945年数学家冯年数学家冯. .诺依曼提出的，这诺依曼提出的，这种计算机有如下主要特点：种计算机有如下主要特点：22（1 1）计算机由运算器、存储器、控制器、）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五部分组成。输入设备和输出设备五部分组成。（2 2）指令与数据以同等地位存放在存储）指令与数据以同等地位存放在存储器中，并可按地址对它们进行访问。器中，并可按地址对它们进行访问。（3 3）指令在存储器中顺序存放。）指令在存储器中顺序存放。（4 4）机器以运算器为中心，数据的传输）机器以运算器为中

15、心，数据的传输必须经过运算器。必须经过运算器。23241.3.2 1.3.2 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 由于运算器和控制器在逻辑和电路上由于运算器和控制器在逻辑和电路上结合非常紧密，在大规模集成电路制作工结合非常紧密，在大规模集成电路制作工艺出现之后，这两个部件通常被制作在同艺出现之后，这两个部件通常被制作在同一个芯片上，这个芯片叫做中央处理器一个芯片上，这个芯片叫做中央处理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit），简称），简称CPUCPU或处理器。或处理器。 计算机硬件系统的框图如下所示：计算机硬件系统的框图如下所示：2526

16、 CPU CPU和存储器合起来又叫做主机。和存储器合起来又叫做主机。1 1、中央处理器、中央处理器CPUCPU 除了存储器之外的所有功能模块被集除了存储器之外的所有功能模块被集中制作成一个复杂的数字电子部件，它是中制作成一个复杂的数字电子部件，它是计算机系统的核心部分，所以把叫做计算机系统的核心部分，所以把叫做“中中央处理器央处理器”，简称，简称CPUCPU。 除了除了CPUCPU、存储器之外，还有寄存器；、存储器之外，还有寄存器；寄存器大体上分为两类：寄存器大体上分为两类：27（1 1）一类是处理器自己使用的寄存器，）一类是处理器自己使用的寄存器，如地址寄存器、数据寄存器、指令寄存器如地址寄

17、存器、数据寄存器、指令寄存器等。这些寄存器都是程序设计人员看不到等。这些寄存器都是程序设计人员看不到（透明）的寄存器。（透明）的寄存器。（2 2）另一类是程序设计人员看得到并使）另一类是程序设计人员看得到并使用的寄存器，如程序计数器、通用寄存用的寄存器，如程序计数器、通用寄存器等。器等。 对于程序设计人员看得到的寄存器还对于程序设计人员看得到的寄存器还可以分为两类：可以分为两类：28（1 1）一类是存放专门数据的专用寄存器，）一类是存放专门数据的专用寄存器，如程序计数器如程序计数器PCPC和堆栈指针和堆栈指针SPSP。（2 2）另一类是可以由程序设计人员自行）另一类是可以由程序设计人员自行指定

18、用途的通用寄存器。指定用途的通用寄存器。2 2、内存、内存 能存储大量数据且通过总线可由能存储大量数据且通过总线可由CPUCPU直接进行读直接进行读/ /写操作的存储器叫做计算机写操作的存储器叫做计算机的内部存储器，简称内存或主存。的内部存储器，简称内存或主存。29 内存的速度比寄存器速度慢得多。内存的速度比寄存器速度慢得多。3 3、系统总线、系统总线（1 1）总线）总线是在计算机内部个部件之是在计算机内部个部件之间或计算机与外界之间进行信息传输的标间或计算机与外界之间进行信息传输的标准化公共通道。准化公共通道。（2 2）数据总线（）数据总线（ DBDB）用来在计算用来在计算机各部件之间传输数

19、据及指令代码。机各部件之间传输数据及指令代码。30（3 3）地址总线（）地址总线（ABAB）用于传输用于传输 CPUCPU要要访问的存储单元或接口的地址信号。访问的存储单元或接口的地址信号。（4 4）控制总线（）控制总线（CBCB）是在计算机各是在计算机各部件之间传输部件之间传输“读读”、“写写”之类控制信之类控制信号。号。4 4、外部设备及接口、外部设备及接口（1 1）外设种类）外设种类（2 2）什么叫接口）什么叫接口31 把外设与计算机连接起来时，常常需把外设与计算机连接起来时，常常需要在这些外设和计算机之间配备一些中间要在这些外设和计算机之间配备一些中间电路进行缓冲和信号变换。这些中间电

20、路电路进行缓冲和信号变换。这些中间电路就叫做接口电路，简称接口。就叫做接口电路，简称接口。5 5、外部存储器（辅存）、外部存储器（辅存） 硬盘、软盘、光盘和硬盘、软盘、光盘和U U盘等。盘等。1.3.3 1.3.3 计算机的软件系统计算机的软件系统321、系统软件、系统软件 用来保证计算机正常工作和提供用户用来保证计算机正常工作和提供用户工作基本条件的软件集合叫做计算机系统工作基本条件的软件集合叫做计算机系统软件。软件。 如操作系统、实用程序等。由于这些如操作系统、实用程序等。由于这些软件是一个完整计算机系统必备的软件，软件是一个完整计算机系统必备的软件，已经构成了计算机系统的一部分。已经构成

21、了计算机系统的一部分。2 2、应用软件、应用软件33 用来完成特定工作的软件系统叫做应用来完成特定工作的软件系统叫做应用软件。用软件。 如如WORDWORD、WPSWPS等。等。341.4 1.4 计算机体系结构的发展计算机体系结构的发展 计算机系统的硬件结构大体上如下：计算机系统的硬件结构大体上如下：351.4.1 RISC1.4.1 RISC 精简指令系统计算机（精简指令系统计算机（Reduced Reduced Instruction Set ComputerInstruction Set Computer，RISCRISC）是）是2020世纪世纪7070年代中期由年代中期由IBMIBM

22、公司提出的一种计公司提出的一种计算机系统架构，与其对应的是复杂指令系算机系统架构，与其对应的是复杂指令系统计算机（统计算机（ Complex Instruction Set Complex Instruction Set ComputerComputer，CISC CISC ）。）。RISCRISC已经成了现代已经成了现代计算机发展的一个重要方向。计算机发展的一个重要方向。361 1、RISCRISC的产生的产生 据介绍，当时的据介绍，当时的Intel80386Intel80386的设计就的设计就要耗时要耗时3 3年之久，耗资达年之久，耗资达1.51.5亿美圆。亿美圆。 程序中经常用的指令有程

23、序中经常用的指令有80%80%左右是简左右是简单指令，而复杂指令的使用率只不过单指令，而复杂指令的使用率只不过20%20%左右。左右。2 2、实现、实现RISCRISC的主要方法的主要方法37 实现实现RISCRISC思想的主要方法为：思想的主要方法为：（1 1）减少指令的种类）减少指令的种类 RISC RISC的指令系统只提供完成简单操作的指令系统只提供完成简单操作的指令，复杂的操作则由编译器或者程序的指令，复杂的操作则由编译器或者程序员通过多条简单指令的组合来完成。员通过多条简单指令的组合来完成。（2 2）Load/StoreLoad/Store结构结构 为了提高速度，在为了提高速度，在R

24、ISCRISC中设置了独中设置了独立于处理器的寄存器和存储器之间的直立于处理器的寄存器和存储器之间的直接数据传输通道。接数据传输通道。38（3 3）采用指令流水线技术）采用指令流水线技术（4 4）在处理器中配置更多的通用通用寄）在处理器中配置更多的通用通用寄存器存器3 3、RISCRISC与与CISCCISC的比较的比较（1 1）CISCCISC系统系统39（2 2）RISCRISC系统系统40 从指令的兼容性来看，从指令的兼容性来看，CISCCISC大多数都大多数都能实现软件兼容，即高档机包含了低档机能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令并并可以扩充。的全部指令并并可以扩充。 RIS

25、C RISC由于简化了指令系统，从而使机由于简化了指令系统，从而使机器指令数目少而且格式也不同于老机器，器指令数目少而且格式也不同于老机器，因此因此RISCRISC机一般不能与老机器相兼容。机一般不能与老机器相兼容。 目前商品化的目前商品化的RISCRISC架构的计算机通常并架构的计算机通常并不是纯不是纯RISCRISC机，常常会根据实际需要在机，常常会根据实际需要在RISCRISC架构上做一些比较使用的变化。架构上做一些比较使用的变化。411.4.2 1.4.2 指令流水线指令流水线 一条指令的执行过程分为取指、译码、一条指令的执行过程分为取指、译码、执行执行3 3个步骤。个步骤。42431

26、.4.3 1.4.3 高速缓存高速缓存 高速缓冲存储器是位于高速缓冲存储器是位于CPUCPU与主内存与主内存间的一种容量较少但速度很高的存储器。间的一种容量较少但速度很高的存储器。1.4.4 1.4.4 协处理器协处理器 协处理器或者叫数学协处理器，其协处理器或者叫数学协处理器，其主要功能就是负责浮点运算。目前协处主要功能就是负责浮点运算。目前协处理器的功能也不再局限于增强浮点运算，理器的功能也不再局限于增强浮点运算，现现44在在CPUCPU的浮点单元（协处理器）往往对多的浮点单元（协处理器）往往对多媒体指令进行了优化。媒体指令进行了优化。1.4.5 1.4.5 片上系统片上系统 把多个固定的

27、芯片组合集成在一个把多个固定的芯片组合集成在一个芯片上而形成一种功能更强大的芯片的芯片上而形成一种功能更强大的芯片的想法，按照这种思想制作的芯片就叫做想法，按照这种思想制作的芯片就叫做片上系统（片上系统（System on ChipSystem on Chip，SoCSoC）。）。451.5 1.5 微型计算机的两种主要应用方向微型计算机的两种主要应用方向1.5.1 1.5.1 桌面系统桌面系统461.5.2 1.5.2 嵌入式系统嵌入式系统 为了区别于原有的通用计算机系统，为了区别于原有的通用计算机系统，人们把嵌入到对象体系中，为实现对象体人们把嵌入到对象体系中，为实现对象体系智能化控制的计

28、算机系统，称为嵌入式系智能化控制的计算机系统，称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。计算机系统，简称嵌入式系统。 嵌入式计算机系统与通用型计算机系嵌入式计算机系统与通用型计算机系统相比，具有以下特点：统相比，具有以下特点：47（1 1）专用性强）专用性强（2 2）可裁减性好）可裁减性好（3 3）实时性与可靠性）实时性与可靠性（4 4）功耗低）功耗低481.6 1.6 计算机程序设计语言计算机程序设计语言 程序设计语言通常简称为编程语言，程序设计语言通常简称为编程语言，是一套包含语法、词汇和含义的正式规范，是一套包含语法、词汇和含义的正式规范，是计算机程序设计者用来向计算机表达解是计算机程序设计

29、者用来向计算机表达解决问题步骤的工具。大体上分为两类：低决问题步骤的工具。大体上分为两类：低级语言和高级语言。级语言和高级语言。1.6.1 1.6.1 低级语言低级语言49 二进制代码与其助记符形式的语言是二进制代码与其助记符形式的语言是低级语言，它们都是直接对硬件进行操作。低级语言，它们都是直接对硬件进行操作。 二进制代码语言不经任何翻译就可直二进制代码语言不经任何翻译就可直接为计算机硬件接收和执行，所以也称为接为计算机硬件接收和执行，所以也称为机器语言。机器语言。 助记符语言只不过是为了更容易识别助记符语言只不过是为了更容易识别和记忆而采用的以英文缩写的标识符来和记忆而采用的以英文缩写的标识符来表表50示难以记忆的二进制代