chap1,2概述 计算机系统组成与工作原理

1、微处理器系统结构及嵌入式系统设计第1 2章1概 述信息在计算机中的表示 计算机结构与组成微机发展概况 计算机系统展望 2现代信息科学的六大组成部分信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分 从计算机学科的角度分析，嵌入式系统在一定程度上代表了未来计算机发展的方向计算机在信息的后五部分都起到关键作用计算机的发展一直和数字电路设计的发展相辅相成，互相促进3信息在计算机中的表示信息(数据)在计算机中的存在形式 电位的高低状态（ H 、L ） 二进制逻辑的 0 、1 记忆 表示数值（ 数制 ） 表示符号（ 码制 ） 信息在计算机中的表示形式数值的运算（数值数据）符号的编码（

2、非数值数据）4信息在计算机中的表示二进制的特点 计数特点简单 更加贴近生活 电子记忆方便0、1 ；L、H；低、高对立、统一饱和、截止5数的符号表示拉丁文汉文意大利文英文1、2、3、4、5、6、7、8、9一、二、三、四、五、六、七、八、九、 one、two、three 、four、five、six、 6进制的认识 人类对数制认识非常深刻，应用广泛。每一个人每天都会用到不同的数制。例如：一天有 24 小时，即逢 24 进 1；一小时有 60 分，即逢 60 进 1。 数量是确定的，而表示数量进制是可变的，例如：我们常说的“半斤八两”表示的数量相同，而“半斤” 是十进制； “八两” 是十六进制。 7

3、数的多项式表示法 （N）R = Ki Ri = Kn-1Rn-1 + Kn-2Rn-2 + + K0R0 + K-mR-m i = -mi = n-1 R：进制的基数，例：二进制R = 2；八进制R = 8； 十进制R = 10；十六进制R = 16。 Ri ：进制的位权，i 愈大则位权愈大。 Ki ：位权的系数，Ki值在进制集合的符号中。 n： 整数部分的数位。 m： 小数部分的数位。8数的多项式表示法多项式表示例（572）10 = 510271012100 （110）2 = 122121020 =（6）10 （12B）16 = 1162216111160 = 256 3211 =（299）

4、10 （10.11）2 = 121020 12-1 12-2 = 2 00.50.25 = （2.75）10 9数制中的进制表示 二进制表示 十进制表示八进制表示十六进制表示符号 0、1 集合，尾符 B例00010101B符号 0 9 集合，尾符 D 或缺省例21D 或 21符号 0 9、A F 集合，尾符 H例1AH符号 0 7 集合，尾符 Q例27Q （Binary）（Decimal）（Hexadecimal）（Octal）10进制间的转换常用类型常用方法210、216、 1016多项式法： 210、 1610、 N10权位法： 210、 1016定位法： 216、 2811进制间的转换

5、11= 0010 1011 1101 0001 0011 1111 = 2 B D 1 3 F4 位二进制数与 1 位十六进制数定位法00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111FE7H = 1110，0111 = 11100111B12进制间的转换二进制 十进制间的权位法b7b6b5b4b3b2b1b02726252423222120128643216842101101101B = 6432841 = 109114 = 6432162 = 01110010B13进制间的转换十六进

6、制 十进制间的权位法h1h01611601615BH = 516 111 = 8011 = 91114 = 716 21 = 72H14无符号数与有符号数无符号数有符号数计算机中所有二进制位均有值的作用计算机中二进制数的高位表示值的符号(约定)例10001000 B= 136例10001000 B= - 8注：b7 = 0 表示正数、b7 = 1 表示负数15有符号数的表示原码表示反码表示补码表示+8 = 00001000B、-8 = 10001000B+8 = 00001000B、-8 = 11110111B+8 = 00001000B、-8 = 11111000B注：正数的原、反、补相同

7、负数的原、反、补不同求反码方法：原码的符号位保持，其他数值位求反求补码方法1：反码+1；法2：在原码基础上，从右开始找第一个“1”，符号位和这个1之间的数值位求反。概念：模和补数16机器数与真值计算机中所有符号（机器）数用补码表示根据机器数求真值根据真值得机器数00001000 = +811111000 = - 8+12 = 00001100- 12 = 1111010017无符号数的表值范围8 位二进制无符数的表值范围二进制表示 00000000B 11111111B十进制表示 0 255十六进制表示 00H FFH18有符号整型数的表值范围8 位二进制有符数的表值范围原码表示 - 127

8、+ 127反码表示 - 127 + 127补码表示 - 128 + 127数的补码表示中已经约定：10000000B表示（128）D19二进制数的运算算术运算法则逻辑运算法则 000、 011、 101、 110 000、 011、 101、 1100A 0、 1 AA （ A 为 0 或 1 ）0AA 、1 A100 0、 11 0、 01 1、 10 1/01、/1020二进制数的运算两二进制数的补码运算计算机中仅有加法器 ALU，用补码可变减为加【XY】补 【X】补【Y】补【XY】补 【X】补【Y】补【 【X】补】补 【X】原21补码运算例设 X37、Y51， 求【X】补、【Y】补、【X

9、】补、【Y】补、 【XY 】补、【 XY】补、【 XY】补解：【X】补、【X】补 【Y】补、【Y】补 【XY 】补【X】补【Y】补 （）补 8822补码运算例解：【X】补、【X】补 【Y】补、【Y】补 【XY 】补【X】补【Y】补 （）补 （）原 1423补码运算例解：【X】补、【X】补 【Y】补、【Y】补 【XY 】补【X】补【Y】补 （1 10101000）补 （）原 8824计算机中的数据类型 二进制位与二进制字节常用数据类型的表示（老教材及IBM PC汇编）b 位（ bit ）B 字节（Byte ）B 字节数据（Byte ） “ 8 位”W 字数据（Word ） “ 16 位”DW 双

10、字数据（ Double Word ）“ 32 位”QW 四字数据（ Quad Word ） “ 64 位”常用数据类型的表示（新教材及ARM汇编）半字“ 16 位” 单字“32位” 双字“64位”25符号实型数的定点、浮点表示定点表示浮点表示小数点的位置在数的表示中是固定的 小数点的位置在数的表示中是浮动的 注：处理小数点的表示方法26定点表示法定点纯小数 定点纯整数 符号位 纯小数 小数点固定位置符号位 纯整数 小数点固定位置27实型数的表示十进制实型数表示二进制实型数表示+542.689 = +0.542689 103 -0.00689 = -0.689 10-2 -1011.0110B

11、= -0.10110110 24B +0.000110 B= +0.110 2-3B 注：实型数可用纯小数和指数表示28实型数的表示一般公式N = M 2E 尾符尾数阶符阶码注：实型数的浮点表示由四部分组成浮点表示阶符阶码尾符尾数注：阶符、尾符由一位二进制数 0 或 1 组成， 阶码、尾数由多位二进制数 01 序列组成。29浮点表示法（1）-1011.0110 的浮点表示 设阶符、尾符各占 1bit；阶码、尾数各占 7bit，阶码、尾数用原码表示。-1011.0110 = -0.10110110 2+4 阶符 = 0 阶码 = 0000100尾符 = 1 尾数 = 101101116 bit

12、浮点表示为 0130浮点表示法（1）浮点表示的特点 要扩大浮点数的表值范围，增加阶码的位数 要提高浮点数的表值精度，增加尾数的位数 注：在实际应用中浮点表示的方法有所不同。31浮点表示法（2）用指数和尾数来表示实数表示式 （-1）S 2 E（ b0 b1b2b3bp-1 ）规格化的形式 其中：（-1）S 是该数的符号位 S = 0 表正数；S = 1 表负数 E 为指数及位数 （b0b1b2b3bp-1）是 P 位尾数 表示隐含的小数点位置 S E1E2E3 b1b2b3bp-1符号 指数 尾数 注：b0=1，与小数点一起被隐含 32浮点数的三种机内类型 浮点数中的参数 单精度浮点 双精度浮点

13、扩充精度浮点 浮点数总长度 326480尾数长 p 长度235264符号位 S 长度111指数 E 长度81115最小指数 - 126- 1022- 16382最大指数 + 127+ 1023+ 16383指数的偏移量值 + 127+1023+ 16383注：浮点数总长度越多精度越高33【例】将十进制数 + 219.125 用单精度浮点数表示。 解： + 219.125D = + 11011011.001B 规格化形式： + 11011011.001 = + 1.1011011001 27 符号位 S = 0（ 1位 ） 指数 E = + 7 + 127 = 134 = 10000110 （

14、8位 ） 尾数 P = 1 （ 23位 ） 单精度浮点表示： + 219.125 = 0 10000110 134【例】求单精度浮点数 1111000000 的真值。 解： 分为三部分：1111000000 求符号位 S ：S = 1 为负数 求指数 E ：10010000 = 144、E = 144 127 = 17 求尾数 P ：1101011000100 真值 ： - 11010110001 217 = - 1100000 = - 219264 35计算机中常用码制 BCD 码 (Binary Coded Decimal)ASCII 码 汉字编码 用 4 位二进制数表示 1 位十进制数用

15、 7 位二进制数表示常用符号（ 基本 ASCII 码 ）用 8 位二进制数表示特殊符号（ 扩展 ASCII 码 ）用 16 位二进制数表示 1 个汉字符号注：符号编码具有数据压缩功能36BCD 码:Binary-Coded Decimal 8421码5421码余3码格雷码0000010001200103001140100501016011070111810009100137012345670NULDLESP0Pp1SOHDC1!1AQaq2STXDC2“2BRbr3ETXDC3#3CScs4EOTDC4$4DTdt5ENQNAK%5EUeu6ACKSYN&6FVfv7BELETB7GWgw8B

16、SCAN(8HXhx9HTEM)9IYiyALFSUB*:JZjzBVTESC+;KkCFFFS,NnFSIUS/?O_oDEL输入ASCII 字符表（7位码）HLNUL 空SOH 标题开始STX 正文结束ETX 本文结束EOT 传输结束ENQ 询问ACK 承认BEL 报警符BS 退格HT 横向列表LF 换行VT 垂直制表FF 走纸控制CR 回车SO 移位输出SI 移位输入DLE 数据链换码DC1 设文字备控制1DC2 设备控制2DC3 设备控制3DC4 设备控制4NAK 否定SYN 空转同步ETB 信息组传送结束CAN 作废EM 纸尽SUB 减ESC 换码FS 分隔符GS 组分隔符RS 记录

17、分隔符US 单元分隔符SP 空格DEL 作废38输入 ASCII 码的特点常用符号的 ASCII 码 输入 ASCII 码的分类 0 9 的 ASCII 码 30H 39H A Z 的 ASCII 码 41H 5AH a z 的 ASCII 码 61H 7AH 符号 ASCII 码 21H 7EH（共 94个） 控制 ASCII 码 00H 20H、7FH （共 34个）39 0123456789ABCDEF0NLSP0Pp 1!1AQaq 2 “2BRbr 3 #3CScs 4 $4DTdt 5 %5EUeu 6 &6FVfv 7 7GWgw 8 (8HXhx 9 )9IYiy A *:JZ

18、jz B+;Kk C,Nn F /?O_o 输出ASCII 字符表40ASCII 码表基本 ASCII 码表（b7 = 0） 扩展 ASCII 码表（b7 = 1） 输入 ASCII 码表 输出 ASCII 码表 别国符号的 ASCII 码表 图形符号的 ASCII 码表 国际标准扩展应用41汉字编码标准GB2312 1980仅定义近七千个汉字及符号的编码定义了二万多个汉字及符号的编码与国际标准相适应的汉字及符号的编码台湾繁体汉字编码微软简体汉字编码方案GB13000 1993GB18030 2000BIG5ISO2022-CN42汉字编码方案区位码 共分 94 个区，每区 94 个（位）汉字

19、区码 + 20H，位码 + 20H区码 + 20H + 80H，位码 + 20H + 80H注：跳过 ASCII 控制符编码注：保证 b7 位 = 1国标码机内码43汉字字模编码16 16 汉字字模及编码 注：区位码 2 字节 字模码 32字节44汉字编码汉字区位码、国标码、机内码的转换啊 区位码：1601区码：16 = 10H、位码：01 = 01H 国标码：30H、21H10H + 20H = 30H、01H + 20H = 21H 机内码：B0H、A1H10H + A0H = B0H、01H + A0H = A1H45图符编码的意义1 个点阵字模信息传送1 个符号的编码信息传送内含字库内

20、含字库英文字符 1 字节 汉字符号 2 字节英文字符 8 字节 汉字符号 32 字节英46第1、2章 计算机结构与组成1.计算机发展机械式计算机、电子技术和半导体技术2.现代计算机系统组成与工作原理计算机层次结构 Hiberarchy计算机体系结构 ArchitectureCPU指令集、存储器存取方式、I/O控制方式计算机组成原理 OrganizationCPU控制单元和数据通路、存储器分层/体结构、总线及I/O接口计算机性能评测 Performance3.嵌入式系统 概念、特点、组成、发展趋势47岩石上的刻痕、算盘、机械加法机/乘法机/最大公约数机、通用图灵机48电子管(vacuum tub

21、e)时代晶体管(transistor)时代第一个晶体管的诞生4950 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 。5152 英特尔新一代45nm处理器代号为“Nehalem” 53P处理器 M存储器 C缓存 Dsp核 re可重构逻辑 L专用逻辑 S交换开关 rni资源网络接口System on chipNet on chip54系统级芯片 (SOC) 技术单芯片系统 系统知识 (硬件与软件)电路设计 (DAC、ADC 等)晶圆工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)制造工

22、艺(300mm 晶圆)A/DA/D数字射频处理器数字滤波与控制混合信号处理器 数字 基带混合信号处理器65nm 晶体管55 IC技术：SSI/MSI- LSI- VLSI- ULSI- GLSI 晶圆尺寸：100mm- 125mm- 150mm- 200mm- 300mm- 400mm； 芯片特征尺寸：3m- 2m- 1.2m- 0.8m- 0.5m- 0.35m- 0.25m- 0.18m- 0.13m- 90nm- 65nm56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

23、手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。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。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。软件广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络57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。第五代

24、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、58（a）软硬件层次 （b）语言层次计算机系统的层次结构（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；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） ；（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构层（微程序或硬连逻辑）操作系统层语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）硬核级数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机机器语言

25、级微程序级寄存器级（硬件）59计算机体系结构、组成与实现体系结构：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；计算机组成：从硬件角度关注物理机器的组织如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现乘法；计算机实现：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；系列机60计算机体系结构角度的多层结构2022/7/11硬件向上提供的接口：指令系统异常事件端口定义61 计算机组织角度的多层结构2022/7/1162计算机体系结构冯诺依曼体系结构以存储器为中心（五大部分）二进制存储程序原理对冯诺依曼体系结构的改进CPU指令集存储器子系统输入/输出子系统63计算机

26、工作原理冯. 诺依曼（J.Von Neumann） 程序存储和程序控制原理冯. 诺依曼原理 1913年出生于匈牙利1957年逝世于美国 64冯. 诺依曼计算机基本结构输入设备存储器运算器控制器输出设备 CPU 运算器、控制器、寄存器、接口单元 存储器 内存储器（半导体器件）、外存储器（磁光材料） I/O设备 输入设备、输出设备（并行及串行功能） 65计算机的系统结构 CPUMEM I/O数据总线 DB控制总线 CB地址总线 AB注：CPU 在某一时刻仅能访问总线上的一个部件 66三总线描述地址总线 AB （Address Bus） 由 CPU 输出的一组地址通信线，用于确定存储器单元地址或I/

27、O 端口地址。 CPU 与存储器、I/O 接口间的数据通信线，用于CPU与存储器单元或 I/O 端口间读写数据。 CPU 与存储器、I/O 接口间多种且独立的控制通信线，完成CPU与存储器、 I/O 接口间的特定操作控制。 数据总线 DB （Data Bus） 控制总线 CB （Control Bus）67微型计算机系统总线CPU 芯片内部功能单元的信号连接总线计算机系统主板各芯片间的信号连接总线计算机系统主板与外设间的信号连接总线计算机系统间的信号连接总线 片总线 内总线 外总线 片内总线 68计算机的总线类型单总线结构 注：存储器、I/O 共用总线 69计算机的总线类型双总线结构 注：存储

28、器、I/O 各用总用 70计算机的总线类型双重总线结构 注：全局总线与局部总线 71冯诺依曼和哈佛体系结构 冯诺依曼总线结构 哈佛总线结构 程序、数据共用总线，CPU 取指或读写数据需分时操作。 程序、数据各用总线，CPU 取指或读写数据可同时操作。注：哈佛体系结构的典型应用: DSP 芯片 72冯诺依曼体系结构硬件组成五大部分运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备以存储器为中心73二. 信息表示：二进制 计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储器中。三. 工作原理：存储程序/指令(控制)驱动 编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并保存在存储器中；

29、计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。74对冯诺依曼体系结构的改进改进CPU指令集 指令功能、指令格式、寻址方式 存储器子系统 分层结构 输入/输出子系统 总线/接口+多种I/O方式改变改变串行执行模式，发展并行技术；改变控制驱动方式，发展数据驱动、需求驱动、模式驱动等其它驱动方式； 重点75计算机体系结构的演进：并行处理技术冯诺伊曼结构串行性：指令执行串行、存储器读写串行哈佛结构引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取流水线结构多机（核）并行 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 int

30、erleaving）、资源重复（resource replicaiton）和资源共享（resource sharing）。76多机并行系统大规模并行处理机（MPP）是一种价格昂贵的超级计算机，它由许多CPU通过高速专用互联网络连接。机群（cluster）由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务。刀片（blade）通常指包含一个或多个CPU、内存以及网络接口的服务器主板。通常一个刀片柜共享其它外部I/O和电源，而辅助存储器则由距离刀片柜较近的存储服务器提供。网格（Network）是一组由高速网络连接的不同的计算机系统，可以相互合作也可独立工作。网格计算

31、机将接受中央服务器分配的任务，然后在不忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。77多核处理器Freescale MSC8144Freescale MSC815678/327879计算机体系结构的分类Flynn分类：根据指令流和数据流的多少进行分类单指令单数据SISD单指令多数据SIMD多指令单数据MISD多指令多数据MIMDCU控制部件PU处理部件MM存储单元CS为控制流DS为数据流IS为指令流传统的顺序处理机、标量流水线处理机、超标量流水线处理机阵列处理机、向量处理机无实际机型对应多处理机系统79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。1、用MIPS (Million