ch1-微型计算机概述

第1章微型计算机概述1.1微型计算机的分类

1.2嵌入式计算机概述1.3微处理器的分类1.4微型计算机的硬件结构1.5微型计算机的工作原理1.1微型计算机分类通用计算机(general-purposecomputer)1.1微型计算机分类专用计算机/嵌入式计算机(embeddedsystems)Definition:Embeddedsystem:anydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer.嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统1.2嵌入式计算机概述2.1.1嵌入式系统的应用范围1.2.2嵌入式系统的处理器1.2.2嵌入式系统的处理器1.2.2嵌入式系统的处理器1.2.3嵌入式开发系统所使用的语言1.2.4嵌入式系统的操作系统1.3微处理器的分类1微处理器(MPU：Micro-ProcessorUnit,CPU)必须在电路板上完成嵌入式系统功能。将MPU和其必要外设装配在一起的电路板称为单板机。X862微控制器(MCU：Micro-ControllerUnit)将整个计算机硬件系统集成到一个芯片中，内部以某种微处理器为核心，并对ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器/计数器、I/O、串行口、A/D转换、D/A转换等必要外设加以集成。Intel8051,ARM7系列1.3微处理器的分类单片机3数字信号处理器(DSP:DigitalSignalProcessor)对系统结构和指令进行特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也快。TITMS320C301.3微处理器的分类1.3.2常用微控制器1.3.2常用微控制器1.3.2常用微控制器4月17日，美国调研公司Gartner公司发布了2011年全球半导体销售年报。根据年报，2011年全球半导体的销售额为3068亿美元，较2010年增长1.8%。

1.4微型计算机硬件结构微机系统基本组成任何一个计算机系统都是由：硬件系统（Hardware）软件系统（Software）硬件系统和软件系统相辅相成，好的软件系统要好的硬件系统支持，好的硬件系统也要好的软件系统支持存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU1.4微型计算机硬件结构微机的硬件由CPU、存储器、输入/输出设备构成；输入/输出设备通过输入/输出接口与系统相连；

(输入/输出接口简称I/O接口)各部件通过总线连接。构成部件(1)总线

总线是连接多个功能部件的一组公共信号线微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输总线BUS存储器I/O接口输入设备I/O接口输出设备CPUISA插槽PCI插槽AGP插槽北桥芯片组南桥芯片组内存插槽CPU插槽IDE接口软驱接口并口连接器串口连接器ROMBIOS鼠标键盘USB接口主板电源插座550MHzIDE2PentiumIII北桥440BXAGP南桥PIIX4ECMOS&RTCUSB超级I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache处理机总线100MHz100MHzPCI总线33MHzPCI插槽ISA插槽ISA总线8MHz内存条ROMBIOS显示器硬盘光驱软驱键盘鼠标打印机MODEM66MHz显卡

按信号的作用，总线分为三类：地址总线、数据总线、控制总线存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU(1)总线地址总线AB(AddressBus)：单向用来传送CPU输出的地址信号，确定被访问的存储单元、I/O端口。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU(1)总线地址总线的条数决定CPU的寻址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G36根→

23626

×23064G(1)总线数据总线DB(DataBus)：双向用来在CPU与存储器、I/O接口之间进行数据传送。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU(1)总线数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。8根→一次传送8位16根→一次传送16位32根→一次传送32位64根→一次传送64位(1)总线控制总线CB(ControlBus)：用于传送各种控制信号。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU

有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；有的是发向CPU，如外设向CPU发出的中断申请信号。(1)总线(2)中央处理器CPU

计算机的核心部件用来实现指令的自动装入和自动执行，实现计算机本身的自动化。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPUCPU结构示意图地址信号标志寄存器指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP数据信号控制信号ALUALU控制器DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组BIUABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器EU运算器DSESSSCSIP数据暂存器执行部件控制电路指令译码器总线接口控制电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组ABDBCB地址加法器指令队列PSW标志寄存器运算器8088编程结构

指令指针控制ROM控制部件地址生成(U流水线)地址生成(V流水线)ALU(U流水线)ALU(V流水线)整数寄存器组桶形移位器8K字节数据高速缓存TLB浮点部件控制寄存器组加法除法乘法总线部件

页面部件预取缓冲器指令译码器8K字节代码高速缓存TLB

分支目标缓冲器

分支检验与目标地址

预取地址控制64位数据总线32位地址总线32位地址总线64位数据总线256323232323232Pentium内部结构内存是存储程序和数据的部件，由地址译码器、内存单元等构成。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111内存结构示意图(3)内存

内存单元内存单元的地址内存单元的内容对内存的读/写操作存储信息的基本单元。每片内存芯片有若干个内存单元。每个单元可存储8位二进制数。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111(3)内存

内存单元的地址为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。地址线上的数据经译码后只有唯一的内存单元被选中。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111

内存单元的内容每个内存单元所存储的二进制数据。n根CPU地址线AB数据线DB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111

对内存的读/写操作

CPU发出地址信号，选中相应的内存单元。若是读操作，CPU发出内存读控制信号，被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU。若是写操作，CPU发出内存写控制信号，

CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。n根CPU地址线AB控制线CB地址译码器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111数据线DB外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不能与CPU直接相连，必须通过I/O接口与CPU相连。存储器I/O接口输入设备I/O接口数据总线DB控制总线CB地址总线AB输出设备CPU(4)外设和输入/输出接口（I/O接口）键盘→键盘接口显示器→显示卡鼠标→串行接口网络→网卡

打印机→并行接口音箱、麦可风→声卡IDE2PentiumIII北桥440BX南桥PIIX4ECMOS&RTCUSB超级I/OIDE1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI插槽ISA插槽内存条ROMBIOS显示器硬盘光驱键盘鼠标打印机MODEM显卡I/O接口结构示意图CPU通过对I/O端口进行读/写操作，实现对外设的控制。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU

I/O端口

I/O端口的地址

I/O端口的内容对I/O端口的读/写操作I/O接口内部通常有一个或多个寄存器，用以存放各种信息，称I/O寄存器或I/O端口。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU

I/O端口的地址为区分各I/O端口，每个端口对应有一个端口地址。I/O端口1(23H端口)I/O端口2(24H端口)I/O端口3(25H端口地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPUI/O端口的内容10010101(状态端口)01101010(数据端口)11000110(控制端口)地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU根据存放内容的不同，又可分为：状态端口，数据端口，控制端口

指I/O端口存放的二进制数据。

对I/O端口的读/写操作：（与内存的读/写操作相类似）

CPU发出地址信号，选中相应的I/O端口。若是读操作，CPU发出I/O端口读控制信号，被选中的I/O端口将其内容经数据总线送入CPU。若是写操作，CPU发出I/O端口写控制信号，

CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的I/O端口中。I/O端口1(23H端口)I/O端口2(24H端口)I/O端口3(25H端口地址译码数据缓冲控制电路外设ABDBCBCPU1.5微型计算机的工作过程计算机的工作原理是：“存储程序”+“程序控制”CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP微机的工作过程分三阶段：

取指令译码执行指令取指令阶段（CPU读内存操作）：

地址经地址寄存器→地址总线→地址译码器,选中指令所在的内存单元CPU发出内存读控制信号

指令从内存→数据总线→数据暂存器→指令寄存器

指令译码器对指令进行译码

由IP给出指令在内存的地址标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP执行指令阶段：经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP不同的指令，CPU的具体执行过程不同。CPU可执行的操作通常有数据传送、算术逻辑运算等等。当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读/写操作。例

指令1：将寄存器R1与R3的内容相加，结果存在R3中。

指令1在CPU内部即可完成CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线CB地址译码器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、数据1数据2数据3、、、指令寄存器数据暂存器控制电路指令译码器地址寄存器指令指针寄存器R1R2R3R4寄存器组运算器IP工作寄存器的读写例

指令2：将内存中的数据2送至CPU的寄存器R2中指令2的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存)的过程。CPU总线内存标志寄存器地址总线AB程序数据数据总线DB控制总线