ch1-微型計算機概述

第1章微型計算機概述1.1微型計算機的分類

1.2嵌入式計算機概述1.3微處理器的分類1.4微型計算機的硬件結構1.5微型計算機的工作原理1.1微型計算機分類通用計算機(general-purposecomputer)1.1微型計算機分類專用計算機/嵌入式計算機(embeddedsystems)Definition:Embeddedsystem:anydevicethatincludesaprogrammablecomputerbutisnotitselfageneral-purposecomputer.嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統1.2嵌入式計算機概述2.1.1嵌入式系統的應用范圍1.2.2嵌入式系統的處理器1.2.2嵌入式系統的處理器1.2.2嵌入式系統的處理器1.2.3嵌入式開發(fā)系統所使用的語言1.2.4嵌入式系統的操作系統1.3微處理器的分類1微處理器(MPU：Micro-ProcessorUnit,CPU)必須在電路板上完成嵌入式系統功能。將MPU和其必要外設裝配在一起的電路板稱為單板機。X862微控制器(MCU：Micro-ControllerUnit)將整個計算機硬件系統集成到一個芯片中，內部以某種微處理器為核心，并對ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器/計數器、I/O、串行口、A/D轉換、D/A轉換等必要外設加以集成。Intel8051,ARM7系列1.3微處理器的分類單片機3數字信號處理器(DSP:DigitalSignalProcessor)對系統結構和指令進行特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也快。TITMS320C301.3微處理器的分類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，美國調研公司Gartner公司發(fā)布了2011年全球半導體銷售年報。根據年報，2011年全球半導體的銷售額為3068億美元，較2010年增長1.8%。

1.4微型計算機硬件結構微機系統基本組成任何一個計算機系統都是由：硬件系統（Hardware）軟件系統（Software）硬件系統和軟件系統相輔相成，好的軟件系統要好的硬件系統支持，好的硬件系統也要好的軟件系統支持存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU1.4微型計算機硬件結構微機的硬件由CPU、存儲器、輸入/輸出設備構成；輸入/輸出設備通過輸入/輸出接口與系統相連；

(輸入/輸出接口簡稱I/O接口)各部件通過總線連接。構成部件(1)總線

總線是連接多個功能部件的一組公共信號線微機中各功能部件之間的信息是通過總線傳輸總線BUS存儲器I/O接口輸入設備I/O接口輸出設備CPUISA插槽PCI插槽AGP插槽北橋芯片組南橋芯片組內存插槽CPU插槽IDE接口軟驅接口并口連接器串口連接器ROMBIOS鼠標鍵盤USB接口主板電源插座550MHzIDE2PentiumIII北橋440BXAGP南橋PIIX4ECMOS&RTCUSB超級I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache處理機總線100MHz100MHzPCI總線33MHzPCI插槽ISA插槽ISA總線8MHz內存條ROMBIOS顯示器硬盤光驅軟驅鍵盤鼠標打印機MODEM66MHz顯卡

按信號的作用，總線分為三類：地址總線、數據總線、控制總線存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU(1)總線地址總線AB(AddressBus)：單向用來傳送CPU輸出的地址信號，確定被訪問的存儲單元、I/O端口。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU(1)總線地址總線的條數決定CPU的尋址能力。10根→21010241K

20根→2201024K1M32根→232

22

×2304G36根→

23626

×23064G(1)總線數據總線DB(DataBus)：雙向用來在CPU與存儲器、I/O接口之間進行數據傳送。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU(1)總線數據總線的條數決定一次可最多傳送數據的寬度。8根→一次傳送8位16根→一次傳送16位32根→一次傳送32位64根→一次傳送64位(1)總線控制總線CB(ControlBus)：用于傳送各種控制信號。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU

有的是CPU發(fā)出，如讀控制信號、寫控制信號；有的是發(fā)向CPU，如外設向CPU發(fā)出的中斷申請信號。(1)總線(2)中央處理器CPU

計算機的核心部件用來實現指令的自動裝入和自動執(zhí)行，實現計算機本身的自動化。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPUCPU結構示意圖地址信號標志寄存器指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP數據信號控制信號ALUALU控制器DSESSSCSIP數據暫存器執(zhí)行部件控制電路指令譯碼器總線接口控制電路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器組BIUABDBCB地址加法器指令隊列PSW標志寄存器EU運算器DSESSSCSIP數據暫存器執(zhí)行部件控制電路指令譯碼器總線接口控制電路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器組ABDBCB地址加法器指令隊列PSW標志寄存器運算器8088編程結構

指令指針控制ROM控制部件地址生成(U流水線)地址生成(V流水線)ALU(U流水線)ALU(V流水線)整數寄存器組桶形移位器8K字節(jié)數據高速緩存TLB浮點部件控制寄存器組加法除法乘法總線部件

頁面部件預取緩沖器指令譯碼器8K字節(jié)代碼高速緩存TLB

分支目標緩沖器

分支檢驗與目標地址

預取地址控制64位數據總線32位地址總線32位地址總線64位數據總線256323232323232Pentium內部結構內存是存儲程序和數據的部件，由地址譯碼器、內存單元等構成。n根CPU地址線AB數據線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111內存結構示意圖(3)內存

內存單元內存單元的地址內存單元的內容對內存的讀/寫操作存儲信息的基本單元。每片內存芯片有若干個內存單元。每個單元可存儲8位二進制數。n根CPU地址線AB數據線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111(3)內存

內存單元的地址為區(qū)分各內存單元，每個內存單元對應有一個地址。地址線上的數據經譯碼后只有唯一的內存單元被選中。n根CPU地址線AB數據線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111

內存單元的內容每個內存單元所存儲的二進制數據。n根CPU地址線AB數據線DB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111

對內存的讀/寫操作

CPU發(fā)出地址信號，選中相應的內存單元。若是讀操作，CPU發(fā)出內存讀控制信號，被選中的內存單元將其內容經數據總線送入CPU。若是寫操作，CPU發(fā)出內存寫控制信號，

CPU將欲寫的內容經數據總線，寫入被選中的內存單元。n根CPU地址線AB控制線CB地址譯碼器1100110000110011101010101111000010001000地址00...0000地址00...0001地址00...0010地址00...0011地址11…1111數據線DB外設的電信號、運行速度與CPU不匹配，不能與CPU直接相連，必須通過I/O接口與CPU相連。存儲器I/O接口輸入設備I/O接口數據總線DB控制總線CB地址總線AB輸出設備CPU(4)外設和輸入/輸出接口（I/O接口）鍵盤→鍵盤接口顯示器→顯示卡鼠標→串行接口網絡→網卡

打印機→并行接口音箱、麥可風→聲卡IDE2PentiumIII北橋440BX南橋PIIX4ECMOS&RTCUSB超級I/OIDE1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI插槽ISA插槽內存條ROMBIOS顯示器硬盤光驅鍵盤鼠標打印機MODEM顯卡I/O接口結構示意圖CPU通過對I/O端口進行讀/寫操作，實現對外設的控制。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU

I/O端口

I/O端口的地址

I/O端口的內容對I/O端口的讀/寫操作I/O接口內部通常有一個或多個寄存器，用以存放各種信息，稱I/O寄存器或I/O端口。I/O端口1I/O端口2I/O端口3地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU

I/O端口的地址為區(qū)分各I/O端口，每個端口對應有一個端口地址。I/O端口1(23H端口)I/O端口2(24H端口)I/O端口3(25H端口地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPUI/O端口的內容10010101(狀態(tài)端口)01101010(數據端口)11000110(控制端口)地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU根據存放內容的不同，又可分為：狀態(tài)端口，數據端口，控制端口

指I/O端口存放的二進制數據。

對I/O端口的讀/寫操作：（與內存的讀/寫操作相類似）

CPU發(fā)出地址信號，選中相應的I/O端口。若是讀操作，CPU發(fā)出I/O端口讀控制信號，被選中的I/O端口將其內容經數據總線送入CPU。若是寫操作，CPU發(fā)出I/O端口寫控制信號，

CPU將欲寫的內容經數據總線，寫入被選中的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端口地址譯碼數據緩沖控制電路外設ABDBCBCPU1.5微型計算機的工作過程計算機的工作原理是：“存儲程序”+“程序控制”CPU總線內存標志寄存器地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數據1數據2數據3、、、指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP微機的工作過程分三階段：

取指令譯碼執(zhí)行指令取指令階段（CPU讀內存操作）：

地址經地址寄存器→地址總線→地址譯碼器,選中指令所在的內存單元CPU發(fā)出內存讀控制信號

指令從內存→數據總線→數據暫存器→指令寄存器

指令譯碼器對指令進行譯碼

由IP給出指令在內存的地址標志寄存器地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數據1數據2數據3、、、指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP執(zhí)行指令階段：經譯碼后的指令，由控制電路發(fā)出控制信號去執(zhí)行。CPU總線內存標志寄存器地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數據1數據2數據3、、、指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP不同的指令，CPU的具體執(zhí)行過程不同。CPU可執(zhí)行的操作通常有數據傳送、算術邏輯運算等等。當一條指令需要從內存或I/O端口取得或存放數據時，CPU在執(zhí)行階段，需對指令指定的內存單元或I/O端口進行讀/寫操作。例

指令1：將寄存器R1與R3的內容相加，結果存在R3中。

指令1在CPU內部即可完成CPU總線內存標志寄存器地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線CB地址譯碼器、、、指令1指令2指令3指令4、、、、、、數據1數據2數據3、、、指令寄存器數據暫存器控制電路指令譯碼器地址寄存器指令指針寄存器R1R2R3R4寄存器組運算器IP工作寄存器的讀寫例

指令2：將內存中的數據2送至CPU的寄存器R2中指令2的執(zhí)行階段包括一個到內存取數(即讀內存)的過程。CPU總線內存標志寄存器地址總線AB程序數據數據總線DB控制總線