讲计算机学科体系结构与嵌入式系统PPT课件.ppt

第6章计算机学科知识体系与嵌入式系统 本章学习目标本次课主要讲解计算机学科整个体系的知识层次与系统 介绍计算机学科的专业特点与要点 并介绍了一种重要的计算机体系系统结构 嵌入式系统 通过本次课的学习 应该掌握以下内容 1 嵌入式系统的概念及应用 2 计算机学科的体系结构 3 计算机的数制与编码 1 6 1嵌入式计算机 嵌入式系统以应用为中心 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 2 嵌入式系统一般指非PC系统 它包括硬件和软件两部分 硬件包括嵌入式微处理器 存储器及外设器件和I O端口 图形控制器等 软件部分包括操作系统软件 OS 和应用程序编程 应用程序控制着系统的运作和行为 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用 3 1 嵌入式微处理器 嵌入式计算机的核心是嵌入式微处理器 如图6 1所示 嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点 2 具有功能很强的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化 而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用 需要设计强大的存储区保护功能 同时也有利于软件诊断 1 对实时多任务有很强的支持能力 能完成多任务并且有较短的中断响应时间 从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度 4 3 可扩展的处理器结构 能扩展出满足应用需求的高速嵌入式微处理器 4 嵌入式微处理器功耗低 适合用于便携式的无线及移动的计算和通信设备 图6 1嵌入式微处理器 5 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外部设备中就包含了若干个嵌入式微处理器 键盘 鼠标 软驱 硬盘 显卡 显示器 Modem 网卡 声卡 打印机 扫描仪 数字相机 USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的 在制造工业 过程控制 通讯 仪器 仪表 汽车 船舶 航空 航天 军事装备 消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域 下面介绍几种具体的应用 2 嵌入式计算机的应用领域 6 所谓的移动数据库是支持移动计算机的数据库 有两层含义 一是用户在移动的过程中可以联机访问数据库资源 二是用户可以带着数据库移动 典型的应用场合例如 在行驶的救护车上查询最近的医院 该系统由前台移动终端 后台同步服务器组成 移动终端上有嵌入式实时操作系统和嵌入式数据库 其他包括手机 PDA 掌上电脑等各种移动设备 用掌上电脑 或PDA 上网 人们可以随时随地获取信息 1 嵌入式移动数据库 7 智能家居网络 E Home 指在一个家居中建立一个通信网络 为家庭信息提供必要的通路 在家庭网络操作系统的控制下 通过相应的硬件和执行机构 实现对所有家庭网络中家电和设备的控制和监测 家用电器将向数字化和网络化发展 电视机 微波炉 电话等都将嵌入计算机并通过家庭控制中心与Internet连接 转变为智能网络家电 其网络结构的组成必然有家庭网关 家庭网关主要实现控制网络和信息网络的信号综合 并具有与外界联络的接口 以便作远程控制和信息交换 不论是网关还是各家电上的控制模块 都需要有嵌入式操作系统 这些操作系统必须有内嵌入式 实时性好 多用户的特点 2 嵌入式系统在智能家居网络中的应用 8 嵌入式语音芯片基于嵌入式操作系统 采用语音识别和语音合成 语音学层次结构体系和文本处理模型等技术 可以应用在手持设备 智能家电等多个领域 如果赋予这些设备人性化的交互方式和便利的使用方法 也可应用于玩具中 实现声控玩具 仿真宠物 与人对话的玩具 也能应用于车载通信设备实现人机交流 3 嵌入式语言芯片 9 以蓝牙为代表的小范围无线接入协议与嵌入式系统的结合 必将推动嵌入式系统的广泛应用 近来 基于这些协议的嵌入式产品层出不穷 包括各种电话系统 无线公文包 各类数字电子设备以及在电子商务的应用 这些产品以其微型化和低成本的特点为它们在家庭和办公室自动化 电子商务 工业控制 智能化建筑和各种特殊场合的应用开辟了广阔的前景 4 基于小范围无线通信协议的嵌入式产品 10 我国的工业生产需要完成智能化 数字化改造 智能控制设备 智能仪表 自动控制等为嵌入式系统提供了很大的市场 而工业控制 仿真 数据采集 军用等领域一般都要求操作系统支持实时响应 在服务业和交通系统 嵌入式也在发挥着越来越重要的作用 5 其他工业控制和仿真领域 嵌入式设备也早已得到广泛应用 11 嵌入式系统通常是面向特定应用而设计的 与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常都具有低功耗 体积小 集成度高等特点 而且能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 增强其移动能力 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不断创新的知识集成系统 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步进行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 3 嵌入式计算机系统与通用型计算机系统的比较 12 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中 而不是存贮于磁盘等载体中 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开发 13 6 2计算机科学与技术学科 计算机科学技术是研究计算机的设计与制造和利用计算机进行信息获取 表示 存储 处理 控制等的理论 原则 方法和技术的学科 它包括科学与技术两方面 科学侧重于研究现象 揭示规律 技术则侧重于研制计算机和研究使用计算机进行信息处理的方法与技术手段 科学是技术的依据 技术是科学的体现 技术得益于科学 它又向科学提出新的课题 科学与技术相辅相成 互为作用 二者高度融合是计算机科学技术学科的突出特点 计算机科学技术除了具有较强的科学性外 还具有较强的工程性 因此 它是一门科学性与工程性并重的学科 表现为理论性和实践性紧密结合的特征 14 1 计算机科学与技术学科的根本问题及研究范畴 计算机科学与技术学科包含计算机科学 计算机工程 软件工程 信息工程等领域 计算机科学技术的迅猛发展 除了源于微电子学等相关学科的发展外 主要源于其应用的广泛性与强烈需求 计算机科学与技术学科的根本问题是 什么能被有效地自动化 问题的符号表示及其处理过程的机械化 严格化的固有特性 决定了数学是计算机科学与技术学科的重要基础之一 数学及其形式化描述 严密的表达和计算是计算机科学与技术学科所用的重要工具 建立物理符号系统并对其实施变换是计算机科学与技术学科进行问题描述和求解的重要手段 计算机科学技术的研究范畴包括计算机理论 硬件 软件 网络及应用等 按照研究的内容 也可以划分为基础理论 专业基础和应用三个层面 15 2 计算机理论的研究 离散数学算法分析理论形式语言与自动机理论程序设计语言理论程序设计方法学 16 3 计算机硬件的研究 元器件与存储介质微电子技术计算机组成原理微型计算机技术计算机体系结构 17 4 计算机软件的研究 程序设计语言的设计数据结构与算法程序设计语言翻译系统操作系统数据库系统算法设计与分析软件工程学可视化技术 18 5 计算机网络的研究 网络结构数据通信与网络协议网络服务网络安全 19 6 计算机应用的研究及人 机工程 软件开发工具完善既有的应用系统开拓新的应用领域人 机工程研究人与计算机的交互和协同技术 20 7 计算机科学与技术学科的教育 计算机科学与技术学科的发展速度是非常快的 计算机软 硬件系统的不断更新 使得学科的教育已经完全不能通过跟踪流行系统的变化来跟踪学科的发展 更不能以流行的系统来确定我们的教学内容 对计算机科学和技术学科而言 有限的在校时间与不断增长的知识的矛盾 更为突出 另一方面 经过几十年的发展 本学科目前正在逐步走向深入 这给计算机科学与技术学科的教育既提出了新的要求 也提供了新的思路 21 8 技术的变化 影响计算机科学与技术学科变化的因素来自技术的进步 Intel公司创始人戈登 摩尔在1965年预测 微处理器芯片的密度将每十八个月翻一番 称之为摩尔定律 网络技术迅速发展给人们的工作和生活提供了新的方式 近期在技术方面变化比较大的主要有如下一些方面 网络技术 包括基于TCP IP的技术 万维网及其应用图形学和多媒体技术嵌入式系统数据库技术面向对象程序设计复杂的应用程序接口的使用人机交互软件安全保密与密码学 22 9 文化的变化及教育观念的变化 计算机科学与技术的教育除了受到计算机技术发展的影响外 同时还受到文化与社会发展的影响 新技术带来的教学法的改变全世界计算机数量和用户直接可用的计算功能大幅增加 使得人们对计算机技术有了更多更新的认识 计算机技术增长的经济影响 学科的拓宽教育观念的变化 23 10 计算机科学与技术学科毕业生的基本要求 知识 能力和素质 知识 是基础 是载体 是表现形式 知识还具有 载体 的属性 能力和素质的培养与教育必须部分地通过具体知识的传授来实施 在许多场合下 能力与素质 是通过知识表现出来的 能力 是技能化的知识 是知识的综合体现 应强调运用知识发现问题 分析问题 解决问题的能力 要保证知识运用的综合性 灵活性与探索性 就需要有丰富的知识为支撑 素质 是知识和能力的升华 高素质可使知识和能力更好地发挥作用 同时还可促使知识和能力得到不断的扩展和增强 知识 能力 素质是进行高科技创新的基础 只有将三者融会贯通于教育的全过程 才可能培养出高水平人才 爱因斯坦说过 想象力比知识更重要 24 11 检验标准 为毕业生建立一个统一的标准是困难的 但给出一个基本标准是有意义的 掌握计算机科学与技术的理论和本学科的主要知识体系 在确定的环境中能够理解并且能够应用基本的概念 原理 准则 具备对工具及技巧进行选择与应用的能力 完成一个项目的设计与实现 该项目应该涉及到问题的标识 描述与定义 分析 设计和开发等 为完成的项目撰写适当的文档 该项目的工作应该能够表明自己具备一定的解决问题和评价问题的能力 并能表现出对质量问题的适当的理解和认识 具备在适当的指导下进行单独工作的能力 以及作为团队成员和其他成员进行合作的能力 能够综合应用所学的知识 能够保证所进行的开发活动是合法的和合乎道德的 25 12 信息化社会的挑战 信息化社会的特征 建立完善的信息基础设施采用先进的信息技术建立广泛的信息产业拥有高素质的信息人才构建良好的信息环境信息化社会不仅是科学技术进步的产物 而且也是社会管理体制和政策激励的结果 如果没有现代化的市场体制和相关的政策 法规 信息化社会将无法正常运作 26 1 进位计数制 根据不同的进位原则 可以得到不同的进位制 在日常生活中 人们广泛使用的是十进制数 有时也会遇到其他进制的数 例如 钟表上 六十秒钟为一分钟 六十分钟为一小时 即为六十进制 在计算机中 最常使用的是 1 十进制 2 二进制 3 八进制 4 十六进制 7 1数制与编码 7 1 1进制及其相互转换 27 1 十进制十进制记数法有两个特点 1 有十个不同的记数符号 0 1 2 9 每一位数只能用这十个记数符号之一来表示 称这些记数符号为数码 2 采用逢十进一的原则计数 小数点前面自右向左 分别为个位 十位 百位 千位等 相应地 小数点后面自左向右 分别为十分位 百分位 千分位等 各个数码所在的位置称为数位 28 例如 十进制数666 66个位的6表示其本身的数值 而十位的6 表示其本身数值的十倍 即6 10 百位的6 则代表其本身数值的一百倍 即6 100 而小数点右边第一位小数位的6表示的值为6 0 1 第二位小数位的6表示的值为6 0 01 因此这个十进制数可以用多项式展开写成 666 66 6 102 6 101 6 100 6 10 1 6 10 2 29 如果用ai表示某一位的不同数码 对任意一个十进制数A 可用多项式表示为 A an 110n 1 a1101 a0100 a 110 1 a m10 m在上式中 m n为正整数 n为小数点左边的位数 m为小数点右边的位数 即m n为相应的数位值 各个数码由于所在数位不同而乘以10的若干次幂称为相应数位的 权 权 的底数称为进位制的基数 在这里 因为是十进制数 所以基数是10 以上是十进制数的计数机理 在正常书写时 各数码的 权 隐含在数位之中 即 A an 1an 2 a1a0 a 1 a m 30 2 二进制二进制记数法有两个特点 1 有两不同的记数符号 即数码 0和1 2 采用逢二进一的原则计数 也就是说 进位基数是2 数码在不同的数位所代表的值也是不相同的 各数位的 权 是以2为底的幂 31 例如 10110 1 2 1 24 0 23 1 22 1 21 0 20 1 2 1 22 5 10任意一个二进制数B 可以展开成多项式之和 即B bn 12n 1 bn 22n 2 b121 b020 b 12 1 b m2 m 32 其中 bI的取值为0或1 n为小数点左边的位数 m为小数点右边的位数 二进制记数法各数位的 权 整数部分从小数点开始向左分别为1 2 4 8 16 32 小数部分的 权 从小数点向右分别为0 5 0 25 0 125 二进制的基数是2 数位的 权 是以2为底数的幂 一般书写时 各数码的 权 隐含在数位之中 即 B bn 1bn 2 b1b0 b 1 b m 33 3 八进制数八进制记数法的两个特点是 1 采用八个不同的记数符号 即数码 0 7 2 采用逢