微处理器系统原理与应用.ppt

微处理器系统原理与应用,数据处理器,可以把微处理器系统定义为一个数据处理器。它是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据的黑匣子,可编程数据处理器,程序是用来告诉数据处理器对数据进行处理的指令集合,微处理器系统,信息数据处理系统,冯诺伊曼模型,鉴于程序和数据在逻辑上是相同的，因此程序也能储存在处理器系统的存储器中,冯诺伊曼模型中存储的程序,要求程序必须存储在内部存储器中 完成某一任务的程序是通过操作一系列的开关或改变其配线来实现的 处理器系统的存储单元主要用来存储程序及其响应数据。这意味着数据和程序应该具有相同的格式,冯诺伊曼模型中指令的顺序执行,一段程序是由一组数量有限的指令组成 微处理器中的控制单元从内部存储器中提取一条指令，解释指令，接着执行指令 指令的顺序执行是基于冯诺伊曼模型的初始条件 现代处理器系统以最高效的顺序来执行程序,微处理器系统,微处理器,是用来实现运算和控制功能的部件 由算术逻辑单元（ALU）、控制单元和寄存器组三个基本单元组成,算术逻辑单元（ALU）,算术逻辑单元（ALU）对数据进行逻辑、移位和算术运算 逻辑运算。如：与、或、非和异或等 移位运算 。逻辑移位运算和算术移位运算 算术运算 。整数和实数的一些算术运算，通常这些运算都通过高效率的硬件来实现,控制单元,控制着系统各个子系统的操作 根据指令的要求向系统各个部件发出一系列相应的控制信息，使它们协调有序地工作,寄存器组,寄存器是用来暂时存放数据的高速独立的存储单元 数据寄存器 使用几十个寄存器来提高运算速度，并且需要一些寄存器来保存这些运算的中间结果 指令寄存器（IR） 从内部存储器中逐条取出指令，并将取出的指令寄存在指令寄存器中，解释并执行指令 程序寄存器（PC） 是微处理器中一个通用寄存器。保存着当前正在执行的指令，当前的指令执行完后，计数器将自动加1，指向下一条指令的内部存储器地址,存储器,存储器是存储单元的集合 每一个存储单元都有唯一的标识，称为地址 数据以称为字的位组形式在内存中传入和传出 字可以是8位、16位、32位或64位 计算机中定义字是8位，称为一个字节,数值的表示,二进制 0和1组合表达一个数值 微处理器内部的基本数制 十进制 09共十个数字组合表达一个数值 常用于编程使用 十六进制 09、A、B、C、D、E、F共十六个数字和字母组合表达一个数值，以0x为前辍 常用于编程使用,数值的类型,字节 8位（B7B6B5B4B3B2B1B0） 双字节 16位（ B15-B8 B7-B0） 高字节：B15B14B13B12B11B10B9B8 低字节： B7B6B5B4B3B2B1B0 四字节 32位（ B31-B24 B23-B16 B15-B8 B7-B0） 高字节：B31B30B29B28B27B26B25B24 次高字节：B23B22B21B20B19B18B17B16 次低字节： B15B14B13B12B11B10B9B8 低字节： B7B6B5B4B3B2B1B0,数值的存放,寄存器 长度可以是8位、16位、32位，甚至64位。 读写速度快，但结构复杂，不适合大量使用，断电后数据消失。 通常用来暂时保存数据和容量非常小的存储空间。 存储器 以字节为编址单位，可以进行字节、双字节、四字节三种方式的访问，还可以八字节方式访问。 访问：读取或写存 通过专用的电信号线进行读写，速度相对较慢，但容量大，有的断电后数据不丢失。 通常用来保存大量数据，构建容量较大的存储空间。 若干个寄存器构成寄存器组，可以直接访问，也可以通过专用辅助电路构成类似存储器结构，由专用电信号线来访问。,存储单元,存储器以字节为基本存储单元，统一编址 每个存储单元都有唯一的地址与之相对应 每个字节的数占用一个存储单元 每个双字节的数占用两个连续的存储单元 低字节保存在低地址，高字节保存在高地址 每个四字节的数占用四个连续的存储单元 低字节保存在低地址，高字节保存在高地址,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10,0x20001000,0x20001001,0x20001002,0x20001003,0x20001004,0x20001005,0x20001006,0x20001007,0xfe,0xdc,0x98ba,0x10325476,存储地址,存储器每个存储单元都有唯一地址 每个数据的地址都采用低地址来标识 0xfe地址为0x20001000 0xdc地址为0x20001001 0x98ba地址为0x20001002 0x10325476地址为0x20001004,0xfe,0xdc,0xba,0x98,0x76,0x54,0x32,0x10,0x20001000,0x20001001,0x20001002,0x20001003,0x20001004,0x20001005,0x20001006,0x20001007,0xfe,0xdc,0x98ba,0x10325476,地址空间,在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符 程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的集合） 硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的 所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数称为地址空间 一个存储器所能存储的全部信息量称为存储器容量。通常，以字节数来表示存储容量,存储容量,存储容量是存储器的一个重要指标 存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量 存储容量=字数字长 PC中的存储器是以字节（8 位）进行编址的，一个字节是“基本”的字长,表1.1 容量的字符通常意义,位模式的地址,如果一个处理器系统有N个字的存储空间的话，那就需要有log2N位的无符号整数来确定每一个存储单元 内部存储器地址用无符号二进制整数定义,问题,处理器系统存储器有64MB。需要多少位地址来寻址存储器中的任意一个字节？,存储器类型,随机存取存储器（Random Access Memory， RAM） 是指机器运行期间可读也可写的存储器。RAM中的信息断电后即丢失，是易失性的 按信息存储方式分为静态RAM（Static RAM, 简称SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM, 简称DRAM） 只读存储器（Read Only Memory，ROM） ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失。是非易失性的 按功能分为掩模式ROM(简称ROM)、可编程序只读存储器PROM(Progammable ROM)和可改写的只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM),输入/输出子系统,输入/输出子系统（I/O）设备允许微处理器与外部设备进行通信 输入设备任务是把程序和原始数据送入计算机中，并且将它们转换成处理器内部所能识别和接收的信息方式 输出设备任务是将处理器的运算操作结果以人或其他设备所能接收的形式输出,总线,是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息 处理器系统中采用总线结构，即可以大大减少信息传输线的数目，又可以提高处理器系统扩充存储器及外部设备的灵活性 处理器系统设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求,处理器通过总线与各部分连接,I/O设备不能直接和总线相连接 I/O控制器或接口是保证信息和数据在处理器与I/O设备之间正常传送的电路,总线（BUS）,地址总线（Address Bus）由单方向的多根信号线组成，用于CPU向存储器、外设传输地址信息； 数据总线（Data Bus）由双方向的多根信号线组成，用于CPU从存储器、外设读入数据，也可以由CPU向存储器、外设发送数据； 控制总线（Control Bus）由双方向的多根信号线组成，用于CPU向存储器、外设发送控制命令和从存储器、外设读入反馈信息,微处理器系统构架,字长 内部寄存器的位数，一次数据处理能力 总线 访问存储单元所需的所有电信号 地址 数据 控制,外部设备 输入和输出设备 内部寄存器组构成接口，供访问。,数的含义,二进制数既可表明进行何种操作，即指令，也可以是操作对象的值，即数据。 指令 有特殊含义，用来指明具体操作的方式、数据操作的对象。 若干个指令按一定顺序排列构成程序，完成指定的数据处理功能。 有一定规则的数，不是任意数可以作为指令的。 数据 仅代表具体的数值 任意数都可以作为数据,指令,由译指部件解释，并由控制部件产生相应的电信号来指挥其它单元进行相应的操作。 常规指令结构 操作码 目的操作数, 源操作数列表 操作数分为寄存器操作数和存储器操作数 指令长度 16位或32位，依赖于具体格式参数 指令的地址为偶数，由PC提供所需要读取的指令地址，处理器自动将指令从存储器中读入指令寄存器，再进行译指和执行。,数据,实质是指令所指定的操作数的值 寄存器操作数，由控制部件根据指令要求直接使用指定的寄存器中保存的值 存储器操作数，由控制部件根据指令要求指挥总线单元从存储器中访问指定地址的数据。 数据访问时只能为8位、16位、32位和64位。 数值本身没有正负之分，由指令本身来决定。,指令与数据,示例 0xF04F0001 数据 32位数，值为4031709185或-263258111 指令 32位指令 MOV r0, #1（将值1赋给寄存器r0） 0x4601 数据 16位数，值为17921 指令 16位指令 MOV r1, r0（将寄存器r0值赋给寄存器r1） 0xff01 数据 16位数，值为65281或-255,指令和数据的存储,指令 用来描述具体算法，指挥处理器进行各种操作。 预先存放在ROM中。 处理器加电后，通过读取存储器来获得指令，进而进行预定的各种操作。 数据 各种操作的对象。 既需要读取又需要保存的数据只能存放RAM中。 只需要读取的数据可以保存ROM或RAM中。 RAM中数据的初始值只能保存在ROM中，加电后通过指令一一读出并保存在RAM的数据中。,存储结构,存储方式 ROM 保存不易失的信息，如启动代码和用户程序 ROM地址在启动时首地址必须为0x0，否则无法获取运行所需要的参数。 RAM 保存程序运行中所需要的临时使用的数据或临时使用的程序。 存储类型 指令：ROM（启动后直接运行的）、RAM（运行过程中用户加载的） 数据：ROM（只读数据）、RAM（可读取数据）,微处理器结构,算术逻辑单元（ALU） 进行算术运算、逻辑运算和移位操作，用来进行数值计算和产生存储器访问地址。 寄存器组 进行必要运行信息和临时数据的保存 总线控制单元 产生对指令或数据读取的电信号及时间顺序（时序）,微处理器处理流程,微处理器周而复始地进行“取指译指执行”这三个基本工作。 微处理器将程序计数器（PC）的值作为下一条要读取的指令的地址，从该地址读取规定数目的字节后保存在指令寄存器（IR）中。与此同时自动增加PC值，使其指向后续指令的地址。 译指电路对其进行译码，将数值转换成规定的控制信号。 逻辑控制单元通过输出相应的控制信号指挥ALU、寄存器组和数据总线单元进行相应操作。,处理器指令运行控制流程,处理器利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束,程序存储与执行,微处理器主要工作是执行算法程序的代码，按照代码进行信息处理 代码是人为编制的，需要保存在一种存储设备中，不管是否加电都要能够保存,解决的方法,一个微处理器系统必须拥有ROM 算法程序代码可以放在ROM中，也可以放在外部海量存储器中 存放在外部海量存储器中的算法程序代码必须加载到RAM中才可以执行 外接外部海量存储器的微处理器系统中，ROM必须有这样的功能程序代码，它能够驱动外部海量存储器、加载其中的程序代码到RAM中和执行RAM中的程序代码等功能,41,2019/11/4,冯诺依曼结构与哈佛结构的存储器设计思想,根据程序（指令序列）和数据的存放形式，存储器设计思想可分为冯诺依曼结构与哈佛结构,42,2019/11/4,冯诺依曼结构,冯诺依曼结构也称为普林斯顿结构，是一种传统的存储器设计思想 即指令和数据是不加区别地混合存储在同一个存储器中的，共享数据总线 CPU与共享存储器间的信息交换成了影响高速计算机和系统性能的“瓶颈” Intel公司的80x86CPU，ARM公司的ARM7，MIPS公司的MIPS等,冯诺依曼体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,44,2019/11/4,哈佛结构,哈佛结构的指令和数据是完全分开的 哈佛结构至少有两组总线： I-BUS：程序存储器（PM）的数据总线和地址总线 D-BUS：数据存储器（DM）的数据总线和地址总线 由于指令和数据分开存放，可以使指令和数据有不同的数据宽度 Motorola公司的MC68系列，ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。大多数数字信号处理器（DSP）,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,CPU,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,46,2019/11/4,应用,现代微型计算机中的高速缓冲存储器（Cache）采用哈佛结构，将Cache分为指令Cache和数据Cache两个部分 将冯诺依曼结构和哈佛结构结合起来，不仅可以提高存储器的利用率，而且可以提高程序执行的效率，缩短指令执行的时钟周期,不同的指令体系结构,指令的强弱是处理器的重要指标 指令集是提高处理器效率的最有效工具之一 现阶段的指令体系结构，指令集分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两部分,复杂指令集(CISC),是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的芯片设计体系 CISC体系微处理器包括Intel的 80x86和Motorola的68K系列等 CISC体系指令特征使用庞大的指令集 减少编程所需要的代码行数，能够有效缩短新指令的设计时间 允许设计师实现CISC体系机器的向上相容 指令的格式与高阶语言相匹配，编译器并不一定要重新编写 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,精简指令集(RISC),是为了提高处理器运行的速度而设计的芯片体系 关键技术在于流水线操作，即在一个时钟周期里完成多条指令 指令集包含了简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令 每条指令的长度都是相同的，可以在一个单独操作里完成 RISC处理器比相对应的CISC处理器设计更简单，指令执行速度更快。开发的下一代处理器所需要的时间将变得更短 缺点是多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外RISC体系的处理器需要更快记忆体,ARM处理器核简介,ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核