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微处理器系统概述

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微型计算机系统

微型计算机系统

微型计算机系统数字电子计算机经历了电子管、晶体管、集成电路为主要部件的时代。

随着大规模集成电路的应用，计算机的功能越来越强大、体积却越来越微小，微型计算机（简称为微型机或微机）应运而生，并获得广泛应用。

本章以Intel 80x86微处理器和微机为实例，介绍微处理器的发展和微型计算机的组成结构。

1.1 微处理器发展在巨型机、大型机、小型机和微机等各类计算机中，微机（Microc- omputer）是性能、价格、体积较小的一类，常应用在科学计算、信息管理、自动控制、人工智能等领域。

工作学习中使用的个人微机，生产生活中运用的各种智能化电子设备都是典型的微机系统。

微机的运算和控制核心，即所谓的中央处理单元（Central Processing Unit，CPU），被称为微处理器（Microprocessor）。

它是一块大规模集成电路芯片，代表着整个微机系统的性能。

所以，通常就将采用微处理器为核心构造的计算机称为微机。

1.1.1微处理器历史微处理器的性能经常用字长、时钟频率、集成度等基本的技术参数来反映。

字长（Word）表明微处理器每个时间单位可以处理的二进制数据位数，例如一次进行运算、传输的位数。

时钟频率表明微处理器的处理速度，反映了微处理器的基本时间单位。

集成度表明微处理器的生产工艺水平，通常用芯片上集成的晶体管数量来表达。

1．通用微处理器1971年，美国Intel（英特尔）公司为日本制造商设计了一个微处理器芯片。

该芯片成为世界上第一个微处理器4004。

它字长4位，集成了约2300个晶体管，时钟频率为108kHz（赫兹）。

以它为核心组成的MCS-4计算机也就是世界上第一台微型计算机。

4004随后被改进为4040。

1972年Intel公司研制出字长8位的微处理器芯片8008，其时钟频率为500kHz，集成度约3500个晶体管。

随后的几年当中，微处理器开始走向成熟，出现了以Motorola 公司M6800、Zilog公司Z80和Intel公司8080/8085为代表的中、高档8位微处理器。

微处理器-最大系统最小系统

微处理器-最大系统最小系统
含有
• 例如：IO/M*、WR*、RD*等 • 其它信号的情况看详图
其它
2.4.2 最大组态的引脚定义
• 8088的数据/地址等引脚在最大组态与最小组态时 相同
• 有些控制信号不相同，主要是用于输出操作编码信 号，由总线控制器8288译码产生系统控制信号：
– S2*、S1*、S0*——3个状态信号 – LOCK*——总线封锁信号 – QS1、QS0——指令队列状态信号 – RQ*/GT0*、RQ*/GT1*——2个总线请求/同意信号
（ 采 （ 采 （A1用 2用 3D） ））7DD数3～TE2系A个 8/NAR据0*L位*D统位三E收0数控地态发据制址透器总信总明8线号线TOS锁2TE—8B——*存688—22——进器8862O行8E2*驱8动2进行AD77锁～～存AD00和驱动
由8088引脚直接提供
（1） 20位地址总线的形成
• 总线操作是指CPU通过总线对外的 各种操作
• 8088的总线操作主要有：
– 存储器读、I/O读操作
– 存储器写、I/O写操作
– 中断响应操作
什么是总线周期？
– 总线请求及响应操作
– CPU正在进行内部操作、并不进行实 际对外操作的空闲状态Ti
2.5 8088的总线时序（续2）
• 总线周期是指CPU通过总线操作与外部 （存储器或I/O端口）进行一次数据交换 的过程
IORC*
IOR*
AIOWC*
IOW*
INTA*
INTA*
2.5 8088的总线时序
• 时序（Timing）是指信号高低电 平（有效或无效）变化及相互间 的时间顺序关系。
• 总线时序描述CPU引脚如何实现
总线操作
什么是总线操作？

微机系统概述及其选购

微机系统概述及其选购

(8)光盘驱动器
使用只读型光盘(CD-ROM)，目前较为流行的是24速和32速 等高速光盘驱动器。
(9)机箱和电源
微机中的主要设备都放在主机箱内，除了显示器、键盘和 鼠标外，以上所提到的设备都放在主机箱中。主机箱内还 带有电源，用来给主板及外设供电。
(1)硬磁盘机
微机的基本配置为一个硬磁盘机，一台微机最多可以配置4 个硬磁盘机。一般情况下，光盘驱动器占用了一个硬磁盘机 的接口，因此可选配置中可使用2或3个硬磁盘机。 (2)内存 内存的配置与内存的发展有很大的关系，一般的微机上有4 个内存扩展槽，而内存条的容量有16MB、32MB、64MB、 128MB和256MB，用户应该根据实际的需求进行配置。若使 用Windows 2000/XP作为操作系统的话，建议使用128MB以 上的内存。 (3)打印机 可选配24针窄行或宽行打印机，也可选配喷墨打印机或激光 打印机。
(4)声卡
声卡又称音效卡，能实现模拟信号与数字信号之间的转换。声 卡上有话筒插口、立体声输入/输出端口和MIDI接口等。
(5)网卡
需要上网的用户都需要配置网卡，而且现在部分主板上集成了 网卡。
(6)调制解调器(modem)
modem是微机通信中必不可少的外部设备，在微机与电话系统 之间连接好modem后便可以利用电话系统实现微机之间的远程 通信。modem有内置和外置两种，内置modem是一块可以插在 主板扩展槽上的电路板，包括调制解调器和串行端口电路。外 置modem是一个立体盒子，其后面板上有电源线、与微机串口 连接的接口和与电话连接的端口，前面板是一排指示灯，用于 标识其工作状态。
(1)操作系统的配置
操作系统是每台微机必须配备的系统软件。目前微机中流行 的操作系统有Windows 98、Windows 2000和 Windows XP； 用户可根据自己的情况来选择。Windows 98对微机硬件的要 求不高，系统与以前的版本的兼容性好，对于学校来讲使用 较为广泛；Windows 2000有网络版，有NT的升级版本，用 它来组建网络很方便；Windows XP对微机硬件要求较高， 界面及系统的稳定性好，新配置的微机由于性能较好通常使 用这种操作系统。 (2)语言处理程序配置

精品课件-- Intel系列微处理器

精品课件-- Intel系列微处理器
5
2.指令流水线和存储器的分段模式 (1) 指令流水线
由于EU和BIU两个独立的功能部件可以并行工作，改变了以前8位微处理 器执行程序时的串行工作方式，使得取指令操作码和分析、执行操作重叠进 行，从而形成了两级指令流水线结构，提高了微处理器的运行速度。如图。
6
(2)存储器的分段模式 8086/8088引入了“分段”的概念。即把1MB的物理存储空间分成若干个逻
图2-5 80486的流水线工作示意图
15
2.内部寄存器组 80486的寄存器按功能可分为四类：基本寄存器、系统级寄存器、调
试和测试寄存器、浮点寄存器。 (1)基本寄存器
图2-6 基本寄存器
16
(2)系统级寄存器 系统级寄存器包括4个控制寄存器和4个系统地址寄存器。
1）控制寄存器 80486有4个32位的控制寄存器(CR0、CR1、CR2和CR3)，它们的作用是保存全局
物理地址=段基址×l6＋段内偏移地址
BIU中的4个16位的段寄存器CS、SS、 DS和ES分别存放着4个当前段(代码段,堆 栈段,数据段,附加段)的段基址。
7
2.1.2 80286微处理器 80286是继8086之后推出的一种增强型标准16位微处理器。与8086/8088
相比，它在结构上有很大改进，性能上有明显提高。主要表现在： (1) 内部由执行单元EU（Execution Unit）、总线单元BU（Bus Unit）、
13
2.2.2 80486微处理器的内部结构 1.内部结构
图2-4 80486微处理器的内部结构示意图
14
由图2-4可见,80486微处理器的内部结构主要由8个逻辑单元组成：总 线接口单元、指令预取单元、指令译码单元、指令执行单元、段管理单 元、页管理单元、高速缓冲存储器单元和浮点运算单元。

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案

《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。

第一章微型计算机系统概述

第一章微型计算机系统概述
2. 字长
计算机一次能处理的二进制数字的位数。取决于微处理 器的内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度
3. 微处理器的集成度
微处理器芯片上集成的晶体管的密度。 Pentium 310万管/片
4. 内存容量
是CPU可以直接访问的存储器，内存大小反映了计 算机即时存储信息的能力；
以上只是一些主要性能指标，还须综合考虑其他因素。
一、 二，八，十，十六进制数
十进制数的两个主要特点：
1. 有十个不同的数字符号：0, 1, 2, … 9。 2. 遵循“逢十进一”原则。
一般地，任意一个十进制数N都可以表示为：
N=Kn-1×10n-1+Kn-2 ×10n-2+······+K1×101+K0×100
+
m
K-1×10-1+K-2×10-2+······+K-m×10-m = Ki 10 i
i n 1
*基数：数制所使用的数码的个数
*权：数制中每一位所具有的位值.
整数部分 小数部分
式中，10称为十进制数的基数，i表示数的某一位，10i 称该位 的权，Ki 表示第I位的数码。 Ki 的范围为0~9中的任意一个数
设基数用R表示，则对于二进制，R=2, Ki为0或1， 逢二进一。
m
N= Ki 2i i n1
4. 按体积大小分：
(1) 台式机(又称桌上型) (2) 便携式(又称可移动微机、笔记本型、
膝上型、口袋型、掌上型和钢笔型)
四、微型计算机的主要性能指标
1. 运算速度
通常所说的计算机运算速度(平均运算速度)，是指每秒 钟所能执行的指令条数，一般用“百万条指令／秒”(MIPS) 来描述。

微处理器系统结构课程介绍


04 微处理器的工作原理
微处理器的时钟系统
时钟信号
时钟信号是微处理器中最重要的 信号之一，它控制着微处理器的
工作节奏和同步操作。
时钟源
时钟源是产生时钟信号的源头，通 常由晶体振荡器或石英振荡器提供 稳定的时钟频率。
时钟分频与倍频
为了满足微处理器内部不同模块的 工作需求，时钟信号需要进行分频 或倍频处理，以提供合适的时钟周 期。
微处理器的发展历程
第一代微处理器
第二代微处理器
第三代微处理器
第四代微处理器
64位微处理器
1971年，Intel公司推出 了第一款商用微处理器 4004，它由2300个晶体 管组成，字长4位，标志 着微处理器时代的开始。
随着技术的不断发展，8 位微处理器如Z80和 8080等相继问世，广泛 应用于家用和工业控制 等领域。
微处理器的应用领域
工业控制
微处理器可以用于各种工业控 制系统中，如自动化生产线、 智能仪表等。
通信设备
微处理器在通信设备中用于实 现信号处理、调制解调、协议 控制等功能。
计算机系统
微处理器是计算机系统的核心 部件，负责计算机的运算和控 制功能。
汽车电子
现代汽车中广泛应用微处理器 实现发动机控制、安全气囊、 ABS防抱死刹车等功能。
微处理器系统结构课程介绍
目 录
• 课程介绍 • 微处理器基础知识 • 微处理器系统结构 • 微处理器的工作原理 • 微处理器的编程与优化 • 微处理器的发展趋势与未来展望
01 课程介绍
课程目标
掌握微处理器系统结构的基本原理和概念。
理解微处理器内部结构、指令集、存储器层次结 构等关键要素。
培养学生对微处理器系统设计和应用的能力，提 高解决实际问题的能力。

微处理器与系统结构PPT详细讲解


•29 •HLDA* •28 •WR*
有效，三态)
•27 •M/IO* 测试信号(输入、低电
•26 •DT/R* •25 •DEN*
平有效)
•24 •23 •22
•ALE* •INTA* •TEST
READY 准备就绪(输入 、高电平有效)
•21 •READY
•RESET
状态信号指示当前使用段
一、8086通用引脚信号
•1
•40 •VCC
•2
•39 •AD15 INTR可屏蔽中断请求
•3 •4
•38 •A16/S3 •37 •A17/S4
信号(输入、高有效)
•5 •6
•36 •35
•A18/S5 •A19/S6
NMI非屏蔽中断请求(
•7 •8
•34 •BHE/S7 •33 •MN/M
输入，上升沿触发)
•GND •AD14 •AD13 •AD12 •AD11 •AD10 •AD9 •AD8 •AD7 •AD6 •AD5 •AD4 •AD3 •AD2 •AD1 •AD0 •NMI •INTR •CLK •GND
二、8086最小模式引脚信号
M/ 存储器/IO控制信号
•1 •2 •3
•40 •39 •38
微处理器与系统结构PPT详 细讲解
第二章学习要点
重点掌握内容： 1．微处理器的基本结构。 2．Intel 8086微处理器的基本结构，包括： 功能结构、寄存器结构和总线结构。 3．Intel 8086微处理器系统的组成： 控制核心单元＋存储器组织＋I/O端口组织 4．Intel 8086微处理器在最小模式下的典型总线 操作和时序。 5．几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。

第2章 ARM微处理器概述



工业控制领域：
作为32位 的RISC 架构，基于ARM 核的微控制器芯片不
但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也 逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM 微控制器的低 功耗、高性价比，向传统的8 位/16 位微控制器提出了挑 战。

无线通讯领域：
目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM 技术，
ARM体系结构的变种

（4）J变种（Java加速器Jazelle）
ARM的Jazelle技术将Java的优势和先进的32位RISC芯
片完美地结合在一起。Jazelle技术提供了Java加速功能， 可以得到比普通Java虚拟机高得多的性能。与普通的 Java虚拟机相比，Jazelle使Java代码运行速度提高了8 倍，而功耗降低了80％。 Jazelle技术使得程序员可以在一个独立的处理器上同时 运行Java应用程序、已经建立好的操作系统、中间件以 及其他的应用程序。与使用协处理器和双处理器相比， 使用单独的处理器可以在提供高性能的同时保证低功耗 和低成本。 J变种首先在ARM体系版本4TEJ中使用，用字母J表示。
使用电池供电的高性能的便携式设备。这些 设备一方面需要处理器提供高性能，另一方 面又需要功耗很低。SIMD功能扩展为包括音 频/视频处理在内的应用相同提供了优化功能。 它可以使音频/视频处理性能提高4倍。 Version 6首先在2002年春季发布的ARM11 处理器中使用。
2.2.3 ARM体系结构的变种及版本 命名格式
Version 4（v4）
该版本增加了下列指令：
半字加载和存储指令； 加载带符号的字节和半字数据的指令； 增加mb状态； 增加了处理器的特权模式。 该版本不再强制要求与以前的26位地址空间 兼容。

微处理器系统设计与应用

产业升级
微处理器技术的不断进步，推动了电子信息产业 的升级，为各行各业的数字化转型提供了强大的 技术支持。
社会影响
微处理器广泛应用于智能终端、物联网、云计算 等领域，极大地改变了人们的生活方式和社会生 产模式。
对未来微处理器系统设计与应用的展望
更高效能
随着半导体工艺的持续进步，未来微处理器将具备更高的 运算效能和能效比，满足更复杂、更智能的应用需求。
网络通信
物联网设备之间需要进行数据传 输和通信，微处理器需要支持多 种通信协议（如Wi-Fi、蓝牙、 ZigBee等），以便设备能够与互 联网和其他设备进行连接和交互 。
04 微处理器未来发展趋势
微处理器技术发展方向
01
02
03
更高性能
随着技术的进步，微处理 器将具备更高的运算速度 和更低的功耗，以满足不 断增长的计算需求。
微处理器系统性能优化
流水线优化
通过优化流水线的调度和管理 ，可以提高处理速度。
缓存优化
通过合理使用缓存，可以减少 对内存的访问时间，提高处理 速度。
并行计算
通过使用多核处理器或多线程 技术，可以实现并行计算，提 高处理速度。
功耗优化
通过降低功耗和提高能效，可 以延长微处理器的使用寿命和
降低运行成本。
物联网中的微处理器应用
物联网设备
微处理器在物联网设备中发挥着 重要作用，如智能家居设备、智 能穿戴设备、智能农业设备等。 这些设备通过微处理器实现智能 化控制和数据处理，提高了设备 的便利性和功能性。
低成本与低功耗
在物联网设备中，成本和功耗是 重要的考虑因素。低成本和低功 耗的微处理器能够降低设备的生 产成本和维护成本，提高设备的 续航能力。
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1.1 系统基本结构
• 微处理器 • 内部存储器 • 外部设备
完整的微处理系统的基本构架
DMA控制器
微处理器
AB DB CB
中断 控制器
存储器
外设
16位PC-8086微处理器结构
硬盘 光驱 IDE控 制器 CMOS RAM ROM 8237 RAM 8286 8086 8282 8288 8042 键盘 8255 打印 机
• 微处理器通过总线对它们进行数据的读取 和写入，即读操作和写操作
微处理器系统
• 是完成信息处理，主要处理操作为数据传送、 数学计算和流程控制 • 处理过程采用格式化的二进制代码描述构成程 序，并保存在存储设备中 • 程序可以存放在内存中，也可以存放在外部存 储器中 • 当需要执行这些程序时，必须先将这些程序读 入内存 • 微处理器可以自动通过系统总线从内存中读取 这些代码，并能够自动通过系统总线来获取和 保存操作中所需要和产生的数值
• 微操作控制信号。由指令部件提供的译码 信号、时序部件提供的时序信号和备控制 功能部件所反馈的状态及条件综合形成的
中断控制逻辑
• 用来控制中断处理的硬件逻辑
存储结构
• 微处理器所执行的指令和操作数据都是放 在存储器中 • 主要有两种结构： • 哈佛结构：微处理器连接一个指令存储器 和一个数据存储器，指令和数据是独立存 储的； • 冯· 诺伊曼结构：微处理器只接一个存储器， 该存储器中既有指令又有数据
• 执行条件是可选的，没有给出条件就意味 着无条件或者认为条件恒成立 • 处理动作主要是数据传送、数学运算和流 程控制这三大类 • 处理内容则是数据传送的源和目的、运算 的输入输出和流程控制的参数等
功能实现结构
• 信息处理：操作及操作对象 • 从电路设计角度来看，逻辑功能单元和存 储功能单元 • 存储功能单元：寄存器单元和存储器单元 • 逻辑功能单元：运算器和控制器
• 缺点：指令集以及晶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
• 是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系 • 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 • 同样长度的指令；单机器周期指令 • 优点：在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系 统的运行速度将是CISC的2～4倍。RISC处理器比相对应的 CISC处理器设计更简单
专用寄存器
• 至少要有5个专用的寄存器：
指令寄存器（IR） 程序计数器（PC） 地址寄存器（AR） 数据缓冲寄存器（DR） 状态条件寄存器（PSW）
存储总线
• 存储器。由大量可以存储一个二进制代码 的存储元构成
A0 A1
„
行 地 址 译 码 器
存储矩阵
„
Ai D0 Ai+1 An-1 CS R/W 列地址译码器 读/写控制电路 „ I/O0 I/Om-1
缓冲器
三总线结构运算器
总线A 总线B
通用 寄存器
总线C
ALU
特殊 寄存器
总线 旁路器
控制器
• 读取指令 • 翻译、分析指令 • 执行指令
微操作命令序列 „„ I/O状态信息 控制台信息 运行状态
状态寄存器 节拍发生器 微操作信号发生器 程序计数器（PC）
+1 送MAR或ALU
„„
译码器 地址形成部件
„„
中断控制逻辑 时钟 操作码 地址码
指令寄存器（IR）
启停 逻辑 脉冲 源
指令结束
中断请求
指令部件
• 程序计数器（PC）：用来保存当前正在执 行的一条指令或接着要执行的下一条指令 的地址； • 指令寄存器（IR）：用来存放从存储器中取 出的指令； • 指令译码器（ID）：用来解释指令、产生相 应的控制信号提供给微操作信号发生器；
• 从内部上看是哈佛结构，即有独立的指令 和数据缓存，指令与数据是分开存储的， 指令执行速度快
新微处理器结构
微处理器
寄存器
总线 （数据）
高速缓存 （数据）
运算器
总线
存储器
控制器
总线 （指令）
高速缓存 （指令）
高速缓存（Cache）
• 最大特点：存取速度快，但容量较小
• 将当前使用频率较高的程序和数据通过一 定的替换机制从存储器放入Cache
• 地址形成部件：根据指令不同寻址方式， 形成操作数的有效地址。
时序部件
• 产生一定的时序信号，以保证系统的各功 能部件有节奏地进行信息传送、加工和信 息存储
微操作信号发生器
• 微操作。一条指令的取出和执行可以分解 成很多最基本的操作，这种最基本的不可 再分割的操作称为微操作信号发生器 • 控制单元（CU）。它是控制器的核心。不 同的机器指令具有不同的微操作序列
通 用 通用 寄存器 寄存器
特 殊 特殊 寄存器 寄存器
ALU
运算器内部总线
• • • • 主要有3种结构形式 单总线结构运算器 双总线结构运算器 三总线结构运算器
单总线结构运算器
内部总线 锁存器 A 锁存器
通 用 通用 寄存器 寄存器
特 殊 特殊 寄存器 寄存器
ALU
双总线结构运算器
总线A 通 用 寄存器 特 殊 寄存器 特 殊 寄存器 ALU 总线B
微处理器系统概述
“好奇号”火星探测器的硬件和软件
• 北京时间2012年8月6日13：31分，美国宇 航局好奇号火星车在火星着陆，它将展开 为期两年的任务，主要任务是探索火星过 去或者现在的环境是否适宜生命存在
好奇号
“好奇号”微处理器系统
硬件
• 两套完全相同的微处理器系统 • CPU为BAE RAD750（1040万晶体管，核心频 率110到200 MHz），基于IBM的PowerPC 750设计而来，速度达到400 MIPS（勇气号 和机遇号为35 MIPS），可以承受-55和70度 气温变化以及1000gray的辐射水平 • 256K EEPROM、256MB内存、2GB闪存
控制器。完成对整个计算机系统操作的协调与 指挥 运算器。数据加工处理部件，所进行的全部操 作由控制器发出的控制信号指挥
寄存器
• 通用寄存器和专用寄存器
• 通用寄存器。用来存放原始数据和运算结 果，有时还可以作为计数器和地址指针等
• 专用寄存器。专门用来完成某一种特殊功 能的寄存器，通常不允许编程直接操作， 必须通过专用指令来修改，有的只是内部 使用，无法编程更改
8259
8051
RS232 串口
显示 器
显示 控制 器
AB DB CB
8254
扬声 器
程序 存储
IA 程序 存储 器 IC ID
指令 flg
指令 读取 指令 执行 指令 译码 SB C R0 OP
运算
AR
数据访问
数据 存储
数据 存储 器
DA 通用运算器 DC SA 数据 读写 控制 DD Rn D RD
„
„
Dm-1
存储器
• 通常为单独器件，指令和数据都存放在存 储器中
地址 总 线 地址总线 数据总线 控制总线
存储器
寄存器 暂存器
控制
运算器
• ALU、操作数通道单元、判别逻辑和控制单 元等构成了运算器
• 运算器不仅可以完成算术逻辑运算，还可 以作为数据信息的传送通道 • 向ALU提供操作数的实现方法有两种：
指令执行过程
• 一条指令运行的过程可分为3个阶段：
取指令阶段 分析取数阶段 执行阶段
微处理器指令运行控制流程
启动 等待 程序执行完了吗 ？ 否 取出指令 是
分析指令
执行指令 否
是否有中断请求 ？ 是 转中断处理程序 返回
取指令阶段
• 完成的任务是将现行指令从主存储器中取出来并送至指令 寄存器（IR）中去，具体操作如下： • 将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器 （AR），并送地址总线（AB）； • 由控制单元（CU）经控制总线（CB）向存储器发读命令； • 从主存储器中取出指令通过数据总线（DB）送到数据寄存 器（DR）； • 将DR的内容送至指令寄存器（IR）中； • 将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。
哈佛结构
微处理器
寄存器 总线 （数据） 存储器 （数据）
运算器
控制器
总线 （指令）
存储器 （指令）
冯· 诺伊曼结构
微处理器
寄存器
运算器
总线
存储器
控制器
微处理结构
• 利用二者各自优点进行折衷构建现在流行 的带高速缓存的 • 从外部上看是冯· 诺伊曼结构，即程序和数 据都存在一个存储器中，接口总线只有一 套，接口简单且存储成本低
外设 寄存 器
微处理器
• 用来实现运算和控制功能的部件，由运算器、控制器和 寄存器三个基本单元组成 • 运算器用于完成数据的算术和逻辑运算 • CPU内部的寄存器用来暂存参加运算的操作数和运算结 果 • 控制器通常由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成 • 指令是一组二进制编码信息，主要包括两个内容：
微处理器系统
• 硬件和软件两个部分组成 • 硬件实现具体操作过程 • 软件实现处理过程，即操作流程
微处理器
• 在功能上主要体现为数据传送、数学运算 和流程控制 • 在形式上体现为数据和指令 • 在结构上由数学运算单元、寄存器、指令 控制单元和存储控制单元组成
处理的格式化描述
• 每个处理包括三个部分：执行条件、处理 动作、处理内容。
• 寄存器保存数据需要时钟信号，时钟是操作的节 拍，所有操作都是以时钟为最基本时间进行的 • 处理速度取决于每个节拍的时钟周期
冯诺依曼结构的处理器时序图
ALU输入端加多路选择器 ALU输入端加一级暂存器（锁存器）