微处理器分类和应用.doc

微处理器(Processor)分类和应用处理器的简史2计算机系统简介2系统是一种根据固定的计划、程序或者规则进行工作，组织或者执行一项或多项任务的组织结构。2而计算机系统是一个包含以下或者更多硬件组成部分，可以完成种类多样的特定任务的组织结构。2（1）：微处理器2（2）：存储器2（a）：主存储器（半导体存储器RAM、ROM、以及可快速访问的高速缓存）2（b）：辅助存储器(硬盘，光存储器等)2（3）：输入单元，开关，鼠标等2（4）：输出单元，LED，显示器等2系统中的处理器31处理器的结构32处理器的内部构造53通用处理器的分类介绍64处理器周边硬件电路介绍95处理器的结构单元11随着时代的发展，我们的生活与电子产品的联系越来越密切。今天，微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。处理器的简史：计算机系统的思想并不是新的，远在公元前500年巴比伦人发明了用串珠实现计算功能的工具用来管理粮食。1889年，Herman Hollerith研制了存储数据的穿孔卡片和使用卡片的计算器。这引起了英国政府的兴趣，并使用此工具存储了1890年的人口普查的数据。1896年Hollerith创建的Tabulating Machine Company, 经过多次合并后成为了现在的International Bossiness Machines Corporation, 现在称为IBM. 第一台通用可编程计算机是由宾西法尼亚大学研制的ENIAC.1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004。4位微处理器。随后英特尔又推出了8008。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。1985年10月17日，英特尔划时代的产品80386DX正式发布了，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。2000年英特尔公司发布基于超线程技术的奔腾4处理器。尽管不是真正意义上的双核，但这种开创性的理念拉开了多核时代的大幕。计算机系统简介 系统是一种根据固定的计划、程序或者规则进行工作，组织或者执行一项或多项任务的组织结构。而计算机系统是一个包含以下或者更多硬件组成部分，可以完成种类多样的特定任务的组织结构。（1）：微处理器（2）：存储器（a）：主存储器（半导体存储器RAM、ROM、以及可快速访问的高速缓存）（b）：辅助存储器(硬盘，光存储器等)（3）：输入单元，开关，鼠标等（4）：输出单元，LED，显示器等小型计算机系统硬件构成系统专用电路ASIC电源回路，Reset回路输出设备驱动电路处理器程序存储器和数据存储器定时器MPU串口中断控制器总线控制器输入设备驱动电路系统中的处理器1处理器的结构处理器(processor)是计算机系统中的核心。绝大多数处理器的硬件设计主要是基于以下两种结构: 冯.诺伊曼结构与哈佛结构。冯.诺伊曼结构冯.诺伊曼结构主要有以下3个关键概念：（1）：数据与指令存储在单一的读写存储器中；（2）：存储器的内容通过位置寻址，而不考虑它容纳的数据是什么；（3）：以顺序的形式从一条指令到下一条指令来（除了使用跳转指令）执行。在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。对冯.诺曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。哈佛结构哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。哈佛结构的目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。其主要的架构为哈佛结构 哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存； 使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。后来，又提出了改进的哈佛结构改进型哈佛结构改进型哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理； 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输； 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。冯.诺伊曼结构与哈佛结构效率比较：冯.诺伊曼结构执行指令哈佛结构执行指令冯.诺伊曼结构与哈佛结构存储器使用率比较：在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯.诺伊曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机如果应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。总结：相对于冯诺依曼结构，哈佛结构更加适合于那些程序固化、任务相对简单的，对数据处理时间有苛刻要求的嵌入式控制系统中。而冯诺依曼结构的处理器更适用与通用处理系统中。2处理器的内部构造Processor主要有两个基本单元:：程序流控制单元(CU)和执行单元(EU)。CU中包含了一个取指令单元，用于从存储器中取指令。EU中含有执行指令的电路，用于数据转移操作以及数据从一种形式的转换操作。EU包含算术逻辑单元(ALU) Arithmetic Logic Unit，还包含执行程序控制任务指令的电路，例如挂起、中断或者跳转到其他指令集。它还可以执行调用或者跳转到另外一个程序并进行函数调用。处理器一般是IC芯片的形式，它也可以是ASIC或者SOC中的一个核。核是VLSI(Very Large Scale Integrated circuit)芯片上功能电路的一部分。微处理器芯片可以是下列之一：（1）：通用处理器GPP(General Purpose Processor)(a): 微处理器(b): 微控制器(c): 嵌入式处理器(d): 数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)（2）：作为附加处理器的专用系统处理器ASSP（3）：使用通用处理器以及专用指令处理器的多核处理器（4）：嵌入到一个专用集成电路(ASIC)中或者一个大规模继承电路(VLSI)中的核，或者VLSI芯片中集成了处理器单元的FPGA(Field-Programmable Gate Array)。对于系统设计者来说，选择处理器时，需要考虑以下几点：（1）：指令集(RISC CISC）（2）：单个算术或者逻辑操作中操作数的最大位宽（8、16、或者32位）。（3）：以MHz表示的时钟频率和百万指令/秒MIPS（Million Instruction Per Second），（4）：处理器对用于满足复杂算法的解决能力。名词解释:RISC: RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起源于80年代的MIPS主机（即RISC机），RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。纽约约克镇IBM研究中心的John Cocke证明，计算机中约20%的指令承担了80%的工作，于1974年，他提出RISC的概念。RISC的一些优点有：如果一个新的微处理器其目标之一是不那么复杂，那么其开发与测试将会更快。使用微处理器指令的操作系统及应用程序的程序员将会发现，使用更小的指令集使得代码开发变得更加容易。RISC的简单使得在选择如何使用微处理器上的空间时拥有更多的自由。比起从前，高级语言编译器能产生更有效的代码，因为编译器使用RISC机器上的更小的指令集。CISC: 复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer，CISC）早期的计算机部件比较昂贵，主频低，运算速度慢。为了提高运算速度，人们不得不将越来越多的复杂指令加入到指令系统中，以提高计算机的处理效率，这就逐步形成复杂指令集计算机体系。为了在有限的指令长度内实现更多的指令，人们又设计了操作码扩展。然后，为了达到操作码扩展的先决条件减少地址码，设计师又发现了各种寻址方式，如基址寻址、相对寻址等，以最大限度地压缩地址长度，为操作码留出空间。3通用处理器的分类介绍（1）：微处理器微处理器是一个集中取指令和处理一组通用指令的单元。指令集包含数据转移操作、ALU(Arithmetic Logic Unit)、堆栈操作，输入和输出操作以及程序控制和管理操作。任何一个CPU必须具备下列基本功能单元。（a）：一个控制单元，用于取指和控制一个给定命令或指令的顺序执行，并与系统其余部分进行通信。（b）：一个ALU单元，用于对字节或者字的算术和逻辑操作。它可以立即处理8,16,32或者64位的数据。微处理器是一个VLSI(Very Large Scale Integrated circuit)芯片，芯片中有一个CPU，还可以有其他附加的单元(如高速缓存Cache，浮点处理算术单元，流水线和超标量单元)，这样可以提高处理器的效率。名词解释:高速缓存：由于CPU的运算速度愈来愈快，主存储器(DRAM)的数据存取速度通常无法跟上CPU的速度，因而影响计算机的执行效率，如果在CPU与主存储器之间，使用速度最快的SRAM作为CPU的数据待取区，将可大幅提升系统的执行效率，而且透过Cache来事先读取CPU可能需要的数据，可避免主存储器与速度更慢的辅助内存的频繁存取数据，对系统的执行效率也大有帮助。例如当CPU处理数据时，它会先到高速缓存中去寻找，如果数据因之前的操作已经读取而被暂存其中，就不需要再从主内存中读取数据由于CPU的运行速度一般比主内存快，因此若要经常存取主内存的话，就必须等待数个CPU周期从而造成浪费。浮点处理算术单元：浮点数：浮点数是属于有理数中某特定子集的数的数字表示，在计算机中用以近似表示任意某个实数。具体的说，这个实数由一个整数或定点数（即尾数）乘以某个基数（计算机中通常是2）的整数次幂得到，这种表示方法类似于基数为10的科学记数法。一个浮点数a由两个数m和e来表示：a = m be。在任意一个这样的系统中，我们选择一个基数b（记数系统的基）和精度p（即使用多少位来存储）。m（即尾数）是形如d.ddd.ddd的p位数（每一位是一个介于0到b-1之间的整数，包括0和b-1）。如果m的第一位是非0整数，m称作规格化的。有一些描述使用一个单独的符号位（s 代表+或者-）来表示正负，这样m必须是正的。e是指数。在计算机中表示一个浮点数，其结构如下：尾数部分（定点小数） 阶码部分（定点整数） 数符尾数m阶符阶码e流水线：计算机流水线（Pipeline）技术是目前广泛应用于微处理芯片（CPU）中的一项关键技术，计算机流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容。在低档的CPU中，指令的执行是串行的，而具有流水线的CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。这在CPU技术上是一个质的飞跃。超标量：超标量（superscalar）是指在CPU中有一条以上的流水线，并且每时钟周期内可以完成一条以上的指令，这种设计就叫超标量技术。超标量是通过内置多条流水线来同时执行多个处理器，其实质是以空间换取时间。而超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。例如Pentium 4的流水线就长达20级。将流水线设计的步(级)越长，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。但是流水线过长也带来了一定副作用，很可能会出现主频较高的CPU实际运算速度较低的现象，Intel的奔腾4就出现了这种情况，虽然它的主频可以高达1.4G以上，但其运算性能却远远比不上AMD 1.2G的速龙甚至奔III 。（2）：微控制器正如微处理器是计算机系统的一个最基本的部分一样，微控制器是控制单元的一个最基本的组成部分。微控制器尤其适用于具有片上程序存储器和设备的用于实时控制应用的嵌入式系统。嵌入式系统中应用的重要的控制芯片通常有以下5个流派流派控制器系列厂商CISC/RISC168HC11*,HC12*,HC16*MotorolaCISC28051系列Motorola、Inter等CISC380*86InterCISC4PIC系列MicrochipCISC5ARM7,AMR9TI、AD等RISC微处理器的内部基本结构A/D转换器DMA控制器串行端口UART中断控制器I/O端口控制、驱动电路非易失性存储器EPROMEEPROM定时/计数器和看门狗定时器内部RAM的数据和堆栈处理器微处理器的功能电路（3）：复杂系统的微控制器对于复杂处理，精确计算，多样化驱动设计的来说，刚才提到的微控制器是不够的。例如LAN控制器，PDA，雷达预警装置等。其主要的控制器有ARM7,ARM9,Intel i960,AMD29050等。不同流派微控制器的应用场合表复杂简单ARM7 ARM968HC05PIC16F8X805180868096068HC05CA（4）：数字信号处理器数字信号处理器是在须要进行数字信号处理的控制器内使用的核心单元。数字信号处理(Digital Signal Process)具有极强的数学运算功能。数字信号处理器具有特殊的乘法累加器MAC(Multiplication Accumulation Controller)。在执行特殊运算（如卷积）时效率得到了极大的提高。4处理器周边硬件电路介绍（1）电源：电压范围一般为：5V, 3.3V, 2.0V, 1.5V。（2）时钟振荡电路/时钟单元时钟是系统中的一个重要单元，它决定了控制器的机器周期。而定时器的精度，UART的波特率完全取决与时钟电路。机器周期用于：（a）：从存储器中取指令和数据，然后在处理器上对其进行译码和执行。（b）：将结果传回到存储器中。处理单元需要有一个高度稳定的振荡器，处理器的时钟输出信号为所有系统单元提供同步时钟。（3）：定时器和计数器为定时器进行基本配置后就能依据时钟频率产生误差很小的特定时间。在溢出后产生的溢出中断子程序中重新配置定时器就能产生需要的系统时钟(system-clock)，也称实时时钟RTC（Real Time Clock）。例如配置完定时器后0.1us产生一个时钟输出，则每秒有10000个中断产生。系统可能需要多个使用系统时钟的定时器来满足个中需求。（4）：复位电路、加点复位和Watchdog定时器复位复位意味着处理器从起始地址开始执行指令。这个地址是处理器加电时默认设置的。处理器复位完成之后，从存储起的这个地址开始取程序指令。复位电路激活的固定的周期数处于无效状态。通过下列方法可以激活复位电路：（a）：外部复位电路，在加电时被触发。（b）：软件指令，或者watchdog定时器的时钟输出。Watchdog定时器是一个定时设备，会在事先定义超时之后将系统进行复位。这个时间通常是配置的。通过watchdog定时器进行复位是基本的，因为如果产生了错误或者程序运行到未知区域时，它会帮助恢复系统。大多数的微控制器上都有watchdog定时器。（5）：存储器在一个系统中有各种类型的存储器。具体见下图：预留的存储器地址系统存储器的各种形式微控制器内RAM片上扩展的RAM微控制器内部Cache外部RAM芯片Flash/EEPROMROM/FROM各类存储器的用途所需要的存储器功能ROM用来存储应用程序，处理器从中取指令代码。存储用来进行系统引导和初始化的代码、初始的输入数据和字符串。存储RTOS(Real Time Operate System)的代码。存储指向不同服务例程的指针。RAM和用于缓冲的RAM在程序运行时存储变量并存储堆栈。EEPROM存储非易失性的处理结果高速Cache用来存储处理器将要进行运算的数据与指令。在快速处理时用来存储临时结果。（6）：I/O端口、总线、接口系统功过输入端口来获得外部信息或者命令，从而进行不同处理。每一个输入端口都有唯一确定的端口地址用来识别。系统还具有输出端口，通过这些端口可以向外部发送数据和启动或者关闭外部回路。同样的，每一个输出端口都有唯一确定的端口地址用来识别。而端口又分为两类：并行端口和串行端口。并行端口一般为普通的I/O端口，例如8051的P0P4端口。串行端口可以是一个串行UART端口、一个串行同步接口或者其他类型的总线接口(例如I2C，CAN，USB，ISA，EISA和PCI) 。（7）：中断处理器一个系统可