Ch1微型计算机概述

1、第第1章章 微型计算机概述微型计算机概述v1.1 微型计算机的分类微型计算机的分类v1.2 嵌入式计算机概述嵌入式计算机概述v1.3 微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构v1.4 微型计算机的工作原理微型计算机的工作原理1.1计算机的分类计算机的分类v通用计算机(general-purpose computer)v专用计算机/嵌入式计算机(embedded systems)1.1计算机的分类计算机的分类vDefinition: Embedded system: any device that includes a programmable computer but is not itself

2、a general-purpose computer.v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嵌入式计算机概述嵌入式计算机概述运算器运算器存储器存储器控制器控制器输输入入设设备备输输出出设设备备程序程序数据数据结果结果计算机的五大功能之间的关系：计算机的五大功能之间的关系：微处理器、微控制器、微处理器、微控制器、数字信号处理器数字信号处理器v1 微处理器(MPU：Micro-Processor Unit, 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

3、为单板机。 X861.2 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类2 微控制器(MCU：Micro-Controller Unit) 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。 Intel 8051, ARM7系列1.2 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类3 数字信号处理器(DSP: Digital Signal Processor) 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。 TI TMS320C301.3 微

4、型计算机硬件结构微型计算机硬件结构微机系统基本组成微机系统基本组成任何一个计算机系统都是由：任何一个计算机系统都是由：硬件系统（硬件系统（Hardware）软件系统（软件系统（Software） 硬件系统和软件系统相辅相成，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好的硬件系统也要好的软件系统支持运算器运算器存储器存储器控制器控制器输输入入设设备备输输出出设设备备程序程序数据数据结果结果计算机硬件五大功能之间的关系：计算机硬件五大功能之间的关系：1.3 微型计算机硬件结构微型计算机硬件结构存存储储器器I/O接

5、接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU微机的硬件由微机的硬件由CPU、存储器存储器、输入输入/输出设备输出设备构成；构成；输入输入/输出设备通过输出设备通过输入输入/输出接口输出接口与系统相连；与系统相连； ( 输入输入/输出接口简称输出接口简称I/O接口接口 )各部件通过各部件通过总线总线连接。连接。构构成成部部件件n总线总线n中央处理器中央处理器CPUn内存内存n

6、外设和输入外设和输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口）(1)总线总线l 总线是连接多个功能部件的一组公共信号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微机中各功能部件之间的信息是通过总线传输总线总线 BUS存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口输输出出设设备备CPUISA插插槽槽PCI插槽插槽AGP插插槽槽北桥北桥芯片组芯片组南桥南桥芯片组芯片组内存插槽内存插槽CPU插槽插槽IDE接口接口软驱接口软驱接口并口连接器并口连接器串口连接器串口连接器ROM BIOS鼠标键盘鼠标键盘USB接口接口主板主板电源电源插座插座550MHzIDE

7、2Pentium III北桥北桥440BXAGP南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM1COM2LPT1550MHzL1CacheL2Cache处理机总线处理机总线 100MHz100MHzPCI 总线总线 33MHzPCI 插槽插槽ISA 插槽插槽ISA总线总线 8MHz内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱软驱软驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM66MHz显卡显卡l 按信号的作用，总线分为三类：按信号的作用，总线分为三类： 地址总线、数据总线、控制总线地址总线、数据总线、控制总线 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接

8、接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU地址总线地址总线 AB ( Address Bus) ：单向单向用来传送用来传送CPU输出的地址信号，输出的地址信号，确定被访问的存储单元、确定被访问的存储单元、I/O端口。端口。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU地址总线的条数地址总线的条数 决定决定CPU的寻址能力。的寻址能力。10根根 210 1024 1K 20根根 220 1024K 1M32根根 232 22 230 4G36根根

9、236 26 230 64G数据总线数据总线 DB ( Data Bus )：双向双向 用来在用来在CPU与存储器、与存储器、I/O接口之间进行数据传送。接口之间进行数据传送。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU数据总线数据总线的条数决定一次可最多传送数据的宽度。的条数决定一次可最多传送数据的宽度。 8 根根 一次传送一次传送 8位位16 根根 一次传送一次传送 16位位 32 根根 一次传送一次传送 32位位 64 根根 一次传送一次传送 64位位控制总线控制总线CB ( Contro

10、l Bus ) ： 用于传送各种控制信号。用于传送各种控制信号。存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU 有的是有的是CPU发出，如读控制信号、写控制信号；发出，如读控制信号、写控制信号； 有的是发向有的是发向CPU，如外设向，如外设向CPU发出的中断申请信号。发出的中断申请信号。(2) 中央处理器中央处理器CPUl 计算机的核心部件计算机的核心部件 用来实现指令的自动装入和自动执行，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。实现计算机本身的自动化。存存储储器器I/O接接口

11、口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPUCPU结构示意图结构示意图地址信号地址信号标标 志志寄存器寄存器指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP数据信号数据信号控制信号控制信号ALUALU控制器控制器DSESSSCSIP数据暂存器数据暂存器执执 行行 部部 件件控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器总线总线接口接口控制控制电路电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSP

12、ALBLCLDL寄存器组寄存器组BIUABDBCB地地址址加加法法器器指指令令队队列列PSW标志寄存器标志寄存器EU运运算算器器DSESSSCSIP数据暂存器数据暂存器执执 行行 部部 件件控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器总线总线接口接口控制控制电路电路AXBXCXDXAHBHCHDHSIDIBPSPALBLCLDL寄存器组寄存器组ABDBCB地地址址加加法法器器指指令令队队列列PSW标志寄存器标志寄存器运运算算器器8088 编程结构编程结构 指令指针指令指针控制控制ROM控制部件控制部件地址生成地址生成(U流水线流水线)地址生成地址生成(V流水线流水线)ALU(U流水线流水线)AL

13、U(V流水线流水线)整数寄存器组整数寄存器组桶形移位器桶形移位器8K字节数据字节数据 高速缓存高速缓存TLB浮点部件浮点部件控制控制寄存器组寄存器组加法加法除法除法乘法乘法总总线线部部件件 页页面面部部件件预取缓冲器预取缓冲器指令译码器指令译码器8K字节代码字节代码 高速缓存高速缓存TLB 分支目标分支目标缓冲器缓冲器 分支检验分支检验与目标地址与目标地址 预取预取地址地址控制控制64位位数据总线数据总线32位位地址总线地址总线32位地址总线位地址总线64位数据总线位数据总线256323232323232Pentium内部结构内部结构(3) 内存内存 内存是存储程序和数据的部件，内存是存储程序

14、和数据的部件， 由地址译码器、内存单元等构成。由地址译码器、内存单元等构成。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111内存结构示意图内存结构示意图l 内存单元内存单元 l 内存单元的地址内存单元的地址l 内存单元的内容内存单元的内容l 对内存的读对内存的读/写操作写操作l 内存单元内存单元 存储信息的基本单元。存储信息的基本单元。 每片内存芯片有若干个内存单元。每片内存芯

15、片有若干个内存单元。 每个单元可存储每个单元可存储8位二进制数。位二进制数。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111l 内存单元的地址内存单元的地址 为区分各内存单元，每个内存单元对应有一个地址。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根根CPU地址线地址线AB数据线

16、数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111l 内存单元的内容内存单元的内容 每个内存单元所存储的二进制数据。每个内存单元所存储的二进制数据。n根根CPU地址线地址线AB数据线数据线DB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111

17、l 对内存的读对内存的读/写操作写操作 CPU发出地址信号，选中相应的内存单元。发出地址信号，选中相应的内存单元。 若是若是读操作读操作，CPU发出内存读控制信号，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被选中的内存单元将其内容经数据总线送入CPU。 若是若是写操作写操作，CPU发出内存写控制信号，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。将欲写的内容经数据总线，写入被选中的内存单元。n根根CPU地址线地址线AB控制线控制线CB地地址址译译码码器器1100110000110011101010101111000010001000地址地址00.0

18、000地址地址00.0001地址地址00.0010地址地址00.0011地址地址111111数据线数据线DB(4) 外设和输入外设和输入/输出接口（输出接口（I/O接口）接口） 外设的电信号、运行速度与外设的电信号、运行速度与CPU不匹配，不匹配， 不能与不能与CPU直接相连，必须通过直接相连，必须通过I/O接口与接口与CPU相连。相连。 存存储储器器I/O接接口口输输入入设设备备I/O接接口口数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地址总线地址总线 AB输输出出设设备备CPU键键 盘盘 键盘接口键盘接口 显示器显示器 显示卡显示卡鼠鼠 标标 串行接口串行接口 网网 络络 网卡网卡 打印机

19、打印机 并行接口并行接口 音箱、麦可风音箱、麦可风 声卡声卡IDE2Pentium III北桥北桥440BX南桥南桥PIIX4ECMOS & RTCUSB超级超级I/OIDE1COM2LPT1L1CacheL2CachePCI 插槽插槽ISA 插槽插槽内存条内存条ROM BIOS显显示示器器硬盘硬盘光驱光驱键盘鼠标键盘鼠标打印机打印机MODEM显卡显卡I/O接口结构示意图接口结构示意图CPU通过对通过对I/O端口进行读端口进行读/写操作，实现对外设的控制。写操作，实现对外设的控制。I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBC

20、BCPUl I/O端口端口l I/O端口的地址端口的地址l I/O端口的内容端口的内容l 对对I/O端口的读端口的读/写操作写操作l I/O端口端口 I/O接口内部通常有一个或多个寄存器，接口内部通常有一个或多个寄存器， 用以存放各种信息，称用以存放各种信息，称I/O寄存器或寄存器或I/O端口。端口。I/O端口端口1I/O端口端口2I/O端口端口3地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPUl I/O端口的地址端口的地址 为区分各为区分各I/O端口，每个端口对应有一个端口地址。端口，每个端口对应有一个端口地址。I/O端口端口1 (23H端口端口)I/O端口端口2(

21、24H端口端口)I/O端口端口3(25H端口端口地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPUl I/O端口的内容端口的内容1001 0101 (状态状态端口端口)0110 1010(数据端口数据端口)1100 0110(控制端口控制端口)地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBCBCPU根据存放内容的不同，又可分为：状态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，数据端口，控制端口端口 指指I/O端口存放的二进制数据。端口存放的二进制数据。l 对对I/O端口的读端口的读/写操作：写操作： （与内存的读（与内存的读/写操作相类

22、似）写操作相类似） CPU发出地址信号，选中相应的发出地址信号，选中相应的I/O端口。端口。 若是若是读操作读操作，CPU发出发出I/O端口读控制信号，端口读控制信号， 被选中的被选中的I/O端口将其内容经数据总线送入端口将其内容经数据总线送入CPU。 若是若是写操写操作，作，CPU发出发出I/O端口写控制信号，端口写控制信号， CPU将欲写的内容经数据总线，写入被选中的将欲写的内容经数据总线，写入被选中的I/O端口中。端口中。I/O端口端口1 (23H端口端口)I/O端口端口2(24H端口端口)I/O端口端口3(25H端口端口地址地址译码译码数据数据缓冲缓冲控制控制电路电路外外设设ABDBC

23、BCPU1.4 微型计算机的工作过程微型计算机的工作过程计算机的工作原理是：计算机的工作原理是：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP微机的工作过程分三阶段：微机的工作过程分三阶段：l 取指

24、令取指令l译码译码l 执行指令执行指令l取指令阶段取指令阶段（ CPU读内存操作）：读内存操作）： 地址经地址寄存器地址经地址寄存器 地址总线地址总线 地址译码器地址译码器, 选中指令所在的内存单元选中指令所在的内存单元 CPU发出内存读控制信号发出内存读控制信号 指令从内存指令从内存 数据总线数据总线 数据暂存器数据暂存器 指令寄存器指令寄存器 指令译码器对指令进行译码指令译码器对指令进行译码 由由IP给出指令在内存的地址给出指令在内存的地址标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指

25、令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IPl执行指令阶段：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。经译码后的指令，由控制电路发出控制信号去执行。CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂

26、存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP不同的指令，不同的指令，CPU的具体执行过程不同。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。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当一条指令需要从内存或I/O端口取得或存放数据时，端口取得或存放数据时，CPU在执行阶段，在执行阶段， 需对指令指定的内存单元或需对指令指定的内存单元或I/O端口进行读端口进行读/写操作。写操作。例例 指令指令1：将寄存器：将寄存器R1与与R3的内容相加，结

27、果存在的内容相加，结果存在R3中。中。 指令指令1在在CPU 内部即可完成内部即可完成CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4、数据数据1数据数据2数据数据3、指令寄存器指令寄存器数据暂存器数据暂存器控制电路控制电路指令译码器指令译码器地地址址寄寄存存器器指指 令令指指 针针寄存器寄存器R1R2R3R4寄存器组寄存器组运运算算器器IP工作寄存器的读写例例 指令指令2：将内存中的数据：将内存中的数据2送至送至CPU的寄存器的寄存器R2中中指令指令2的执行阶段包括一个到内存取数的执行阶段包括一个到内存取数(即读内存即读内存)的过程。的过程。CPU 总线总线 内存内存标标 志志寄存器寄存器地址总线地址总线 AB程程序序数数据据数据总线数据总线 DB控制总线控制总线 CB地地址址译译码码器器、指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4