微机原理及接口技术CH

微机原理及接口技术CH第1页/共44页

机械式计算机的发展岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机第2页/共44页电子技术和半导体技术的诞生电子管(vacuumtube)时代晶体管(transistor)时代第一个晶体管的诞生第3页/共44页第一代电子管计算机ENIAC第4页/共44页集成电路的诞生第一块IC诞生之后，基尔比在IRE(美国无线电工程师学会)的一次会议上宣布了“固体电路”(Solidcircuit)的出现，这就是以后的“集成电路”的代名词。第5页/共44页ENIAC(1946)掌上电脑按性能和体积可分为：巨型机，大型机，中型机，小型机，微机笔记本电脑PC机第6页/共44页1972年8位CPU8008，后升级为8080。1971年4位微处理器1993年32位微处理器2006年双核微处理器1978年16位微处理器1982年16位微处理器1985年32位微处理器…?1946年第一台数字电子计算机2008年四核微处理器第7页/共44页GordonMoore：Intel的创始人之一摩尔定律：

集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18个月就翻一番，而性能提高一倍。英特尔(Intel)名誉董事长戈登·摩尔（GordonMoore）第8页/共44页

GordonMoore1965的预言已经40多年了，这条IT第一定律还能走多远？英特尔CEO克雷格·贝瑞特第9页/共44页计算机发展的主要阶段第零代（1642～1945年）机械计算器和继电器计算器第一代（1946～1955年）电子管计算机

以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。第二代（1955～1965年）晶体管计算机

以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。第三代（1965～1980年）集成电路计算机

以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用OS，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络第四代（1980年至今）个人计算机

以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。第五代无所不在的计算机

生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、…第10页/共44页计算机系统的层次结构第11页/共44页（a）软硬件层次（b）语言层次计算机系统的层次结构（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解问题的过程；软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（如微程序）；（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器微体系结构层（微程序或硬连逻辑）操作系统层语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）硬核级数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机机器语言级微程序级寄存器级（硬件）第12页/共44页体系结构(Architecture)：程序员关心的计算机概念结构与功能特性。

如：确定指令集中是否有乘法指令；计算机组织(Organization)：从硬件角度关注物理机器的逻辑实现，是计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

如：乘法指令由专用乘法器（设计乘法逻辑）还是用加法器（加法逻辑）实现乘法；（如3×2）计算机实现：计算机体系结构的物理实现，即底层的器件技术和微组装技术

如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术；计算机体系结构、组成及实现第13页/共44页相关概念说明

“计算机体系结构”

（computerarchitecture）一词的含义有多种说法,并无统一的定义。它是Amdahl（阿姆达尔）等人在1964年提出的。他们把体系结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。这实际上是计算机系统的外特性。按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。第14页/共44页相关概念说明

这些属性如：·机器的数据表示，即机器硬件能直接识别和处理的数据类型。·寄存器组，包括各种寄存器的定义、数量和使用方式等。·指令系统，包括机器提供的各种指令集及寻址方式等。·数据通路，机器不同部件进行数据传输的通路。·中断系统，包括中断的类型和中断的处理方法等。·存储系统，主存容量，程序员可用的最大存储空间和存储保护等。·输入输出，输入输出的连接方式、输入输出的传输控制方式等。这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，机器语言程序员在了解了这些属性后才能设计出正确的计算机系统。第15页/共44页相关概念说明

透明(transparency)：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。由此看出，在层次结构各个级上都有相应的系统结构。第16页/共44页要求牢固掌握计算机体系结构、计算机组织结构、计算机实现三者之间的关系！第17页/共44页计算机体系结构角度的多层结构从概念性结构和功能特性上进行层次结构分析第18页/共44页计算机组织角度的多层结构系统设计层逻辑设计层指令系统层从逻辑实现上进行层次结构分析第19页/共44页计算机组织的描述模型用PMS描述逻辑结构：

P处理器、M存储器、S开关用RTL(RegisterTransferLevel)描述逻辑结构：

系统设计的一个特定级别，用RTL语言描述控制过程（寄存器一级的描述）第20页/共44页一个中央处理器(CPU)的RTL模型第21页/共44页指令执行过程-RTL模型第22页/共44页计算机体系结构的演进：并行处理技术冯·诺伊曼结构（P5、P28）

串行性：指令执行串行、存储器读写串行哈佛结构（P7）

引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取流水线结构（P14）并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠（timeinterleaving）、资源重复（resourcereplicaiton）和资源共享（resourcesharing）。第23页/共44页冯•诺依曼结构

2023/4/524/36输入设备控制器输出设备

CPU

存储器运算器ALU冯诺依曼计算机的结构与工作原理：“存储程序”+“程序控制”工作原理：先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行输出设备第24页/共44页主要特点

1、计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大基本部件

组成。 2、计算机内部的指令和数据均采用二进制表示。3、基本工作原理：程序存储和程序控制原理。程序（指令）被预先放置在存储器中，计算机工作时控制器自动从存储器中依次取出程序指令并执行。第25页/共44页基于冯氏结构产品

缺点：速度上的瓶颈等等…第26页/共44页哈佛结构

哈佛结构冯氏结构关键区别：

程序空间和数据空间是否分开（注意：不是物理存储器是否分开）第27页/共44页指令的顺序执行和流水线执行2023/4/528/36第28页/共44页存储器结构存储器是计算机的核心部件之一。如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。现代计算机系统通常把不同容量、不同速度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。第29页/共44页存储器分层结构第30页/共44页存储器分层结构设计目标整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn二.操作策略映像规则：用于确定一个新的块（页）被调入本级存储器时应放在什么位置上。查找规则：用于确定需要的块（页）是否存在本级存储器中以及如何查找。替换规则：用于确定本级存储器不命中且已满时应替换哪一块（页）。写规则：用于确定写数据时应进行的操作。第31页/共44页不同的CPU设计策略：CISC与RISC一.CISC（ComplexInstructionSetComputer，

复杂指令集计算机）不断增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。二.RISC（ReducedInstructionSetComputer，

精简指令集计算机）通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，从而提高指令的执行速度CISC：如IntelCPU、RISC如ARM处理器第32页/共44页CISC的缺陷美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明：许多复杂指令很少被使用，“2-8原则”控制器硬件复杂（指令多，且具有不定长格式和复杂的数据类型），占用了大量芯片面积，且容易出错，VLSI设计困难。指令操作繁杂，执行速度慢。指令规整性不好，不利用优化编译。第33页/共44页RISC的设计思想及特点RISC机的设计应当遵循以下五个原则。①指令条数应当少，格式简单，易于译码；②提供足够的寄存器，只允许load和store指令访问内存；③指令由硬件直接执行，在单个周期内完成；④充分利用流水线；⑤强调优化编译器的作用；第34页/共44页CISC

PKRISKCISC：优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语言接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。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。RISC：优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数用1个16位数或32位数表示，指令整齐。CPU时钟频率可以做得很高，指令执行速度快。缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理地选择编译器。第35页/共44页计算机系统的性能测定

计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，通常可利用标准测试程序来测定性能。用MIPS(MillionInstructionsPerSecond,每秒百万条指令)或MFLOPS(每秒百万次浮点操作)的数值来衡量计算机系统的硬件速度。用CPU执行时间T来量化硬软件结合系统的有效速度。MIPS=f(MHz)/CPIT(s)=(IC×CPI)/f(Hz)f（时钟频率）：CPU在单位时间内发出的脉冲数IC（指令数目）：运行程序的指令总数CPI（CyclesPerInstruction）：指令执行的平均周期数，可从运行大量测试程序或实际程序产生的统计数据中计算出来第36页/共44页计算机系统性能量度值计算假设一台计算机的时钟频率是100MHz(每秒百万周期)，具有4种类型的指令，它们的使用率和CPI分别如下表所示。求该计算机的MIPS值以及运行一个具有107条指令的程序所需的CPU时间。第37页/共44页1.3嵌入式系统第38页/共44页IEEE定义

devicesusedtocontrol,monitor，orassisttheoperationequipment,machinery