嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ) 第1章-微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)

1、1第第1 1章章 微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)微型計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 3 3學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容1、數(shù)字電子電路是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)、數(shù)字電子電路是計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)2、二進(jìn)制數(shù)制及機(jī)器數(shù)、二進(jìn)制數(shù)制及機(jī)器數(shù)3、有符號(hào)數(shù)的表示及溢出的概念、有符號(hào)數(shù)的表示及溢出的概念4、存儲(chǔ)器的基本電路及其作用，存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器的基本電路及其作用，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的編址存儲(chǔ)單元的編址25、運(yùn)算器、控制器的基本概念、運(yùn)算器、控制器的基本概念6、指令及指令系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行、指令及指令系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)程序的執(zhí)行過(guò)程過(guò)程7、計(jì)算機(jī)的硬件組成、計(jì)算機(jī)的硬件組成8、CISC和和RISC架構(gòu)架構(gòu)9、微型計(jì)算機(jī)的桌面系統(tǒng)應(yīng)用與嵌入

2、式、微型計(jì)算機(jī)的桌面系統(tǒng)應(yīng)用與嵌入式應(yīng)用應(yīng)用31.1 1.1 微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程 計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集集成電路、大規(guī)模集成電路和超大規(guī)模集成電路等幾個(gè)階段。成電路等幾個(gè)階段。 計(jì)算機(jī)可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中計(jì)算機(jī)可分為巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。型機(jī)、小型機(jī)和微型機(jī)五類。 人們接觸最多的是被叫做人們接觸最多的是被叫做“微機(jī)微機(jī)”的微型計(jì)算機(jī)。的微型計(jì)算機(jī)。4 微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)在2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代。年代。19711971年，以年，以IntelIntel

3、公司設(shè)計(jì)的世界上第一公司設(shè)計(jì)的世界上第一個(gè)微處理器芯片個(gè)微處理器芯片Intel 4004Intel 4004為標(biāo)志，數(shù)字為標(biāo)志，數(shù)字電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展便進(jìn)入了微型計(jì)算機(jī)時(shí)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展便進(jìn)入了微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。代。 在短短的幾十年經(jīng)過(guò)了從第一代到第在短短的幾十年經(jīng)過(guò)了從第一代到第五代的發(fā)展歷程：五代的發(fā)展歷程：5（1 1）第一代是以）第一代是以40044004、40404040和和80088008微處微處理器為代表的字長(zhǎng)為理器為代表的字長(zhǎng)為4 4位和位和8 8位的微型計(jì)算位的微型計(jì)算機(jī)。機(jī)。（2 2）第二代是以微處理器）第二代是以微處理器Z80Z80、I8085I8085、M6800M6800和

4、和Apple-Apple-等為代表的中高檔等為代表的中高檔8 8位位機(jī)。機(jī)。（3 3）第三代是以）第三代是以80868086、80888088、8028680286微微處理器為代表的處理器為代表的1616位機(jī)。位機(jī)。6（4 4）第四代是以）第四代是以8038680386、8048680486、PentiumPentium、Pentium Pentium 、Pentium Pentium 、 Pentium Pentium 等等微處理器為代表的微處理器為代表的3232位機(jī)。位機(jī)。（5 5）第五代則是以）第五代則是以ItaniumItanium、 MIPSMIPS和其和其它具有精簡(jiǎn)指令架構(gòu)（它具有

5、精簡(jiǎn)指令架構(gòu)（RISCRISC）的微處理）的微處理器為代表、目前正在飛速發(fā)展的器為代表、目前正在飛速發(fā)展的6464位機(jī)。位機(jī)。71.2 1.2 數(shù)字電路與計(jì)算機(jī)數(shù)字電路與計(jì)算機(jī) 數(shù)字電子計(jì)算機(jī)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)是一種用電子裝是一種用電子裝置構(gòu)成，能夠按照機(jī)器操作者輸入的命令置構(gòu)成，能夠按照機(jī)器操作者輸入的命令進(jìn)行數(shù)字信息處理的機(jī)器。進(jìn)行數(shù)字信息處理的機(jī)器。 從功能上看，它具有兩個(gè)基本功能：從功能上看，它具有兩個(gè)基本功能：一是表示和存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能；二是對(duì)一是表示和存儲(chǔ)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的功能；二是對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的功能。數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算的功能。8 從物理構(gòu)成的角度來(lái)看，它是一種由從物理構(gòu)成的角度來(lái)看，它

6、是一種由數(shù)字電子器件和電路構(gòu)成運(yùn)算裝置。數(shù)字電子器件和電路構(gòu)成運(yùn)算裝置。1.2.1 1.2.1 數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)中的表示二進(jìn)制二進(jìn)制 用用“0 0”和和“1 1”來(lái)表示，以來(lái)表示，以“逢逢2 2進(jìn)進(jìn)1 1”為加法運(yùn)算規(guī)則，以為加法運(yùn)算規(guī)則，以“借借1 1當(dāng)當(dāng)2 2”為減法規(guī)為減法規(guī)則的二進(jìn)制數(shù)制。則的二進(jìn)制數(shù)制。1.2.2 1.2.2 運(yùn)算器及二進(jìn)制運(yùn)算運(yùn)算器及二進(jìn)制運(yùn)算9 計(jì)算機(jī)的核心任務(wù)是進(jìn)行數(shù)的運(yùn)算，計(jì)算機(jī)的核心任務(wù)是進(jìn)行數(shù)的運(yùn)算，該功能是由一個(gè)叫做該功能是由一個(gè)叫做“算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元（ALUALU）”的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。的電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。1 1、算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、算術(shù)

7、邏輯運(yùn)算單元ALUALU的概念的概念 最基本的算術(shù)運(yùn)算是加法運(yùn)算，其他最基本的算術(shù)運(yùn)算是加法運(yùn)算，其他各種運(yùn)算都可以通過(guò)加法運(yùn)算來(lái)完成，因各種運(yùn)算都可以通過(guò)加法運(yùn)算來(lái)完成，因此二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算就是計(jì)算機(jī)的核心此二進(jìn)制數(shù)的加法運(yùn)算就是計(jì)算機(jī)的核心運(yùn)算功能。運(yùn)算功能。10 半加器、全加器、程序狀態(tài)寄存器等半加器、全加器、程序狀態(tài)寄存器等概念。概念。2 2、機(jī)器數(shù)、機(jī)器數(shù) 二進(jìn)制數(shù)也常常被叫做機(jī)器數(shù)。二進(jìn)制數(shù)也常常被叫做機(jī)器數(shù)。 凡使用機(jī)器來(lái)計(jì)數(shù)的裝置都有一個(gè)共凡使用機(jī)器來(lái)計(jì)數(shù)的裝置都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：它們的字長(zhǎng)是有限的，或者說(shuō)同的特點(diǎn)：它們的字長(zhǎng)是有限的，或者說(shuō)它們的計(jì)數(shù)范圍是有限的，即當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)

8、到它們的計(jì)數(shù)范圍是有限的，即當(dāng)計(jì)數(shù)計(jì)到最大值再進(jìn)行加法計(jì)數(shù)時(shí)，其和返回（回最大值再進(jìn)行加法計(jì)數(shù)時(shí)，其和返回（回卷）到卷）到0 0重新計(jì)數(shù)。重新計(jì)數(shù)。113 3、有符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示及其運(yùn)算、有符號(hào)數(shù)的機(jī)器數(shù)表示及其運(yùn)算（1 1）真值）真值 把有符號(hào)數(shù)所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值叫做機(jī)把有符號(hào)數(shù)所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值叫做機(jī)器數(shù)的真值。器數(shù)的真值。（2 2）反碼）反碼 就是把一個(gè)二進(jìn)制數(shù)按位取反所得到就是把一個(gè)二進(jìn)制數(shù)按位取反所得到的數(shù)碼。的數(shù)碼。12（3 3）補(bǔ)碼）補(bǔ)碼（4 4）溢出）溢出 程序狀態(tài)寄存器。程序狀態(tài)寄存器。4 4、二進(jìn)制數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制表示、二進(jìn)制數(shù)據(jù)的十六進(jìn)制表示 二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制

9、。二進(jìn)制、八進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制。1.2.3 1.2.3 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)131 1、存儲(chǔ)器的基本電路、存儲(chǔ)器的基本電路 原則上說(shuō)，任何能接收并保存數(shù)字信原則上說(shuō)，任何能接收并保存數(shù)字信號(hào)的裝置都可以作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)裝置。號(hào)的裝置都可以作為計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)裝置。而數(shù)字電路中的雙穩(wěn)態(tài)電路就是這樣一種而數(shù)字電路中的雙穩(wěn)態(tài)電路就是這樣一種可以存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的裝置?？梢源鎯?chǔ)二進(jìn)制信息的裝置。142 2、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)單元的地址、存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)單元的地址 由存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)裝置叫做存儲(chǔ)由存儲(chǔ)單元組成的存儲(chǔ)裝置叫做存儲(chǔ)器。器。 譯碼器實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)單元的編碼，這譯碼器實(shí)現(xiàn)了存儲(chǔ)單元的編碼，這個(gè)編碼就叫做存儲(chǔ)單

10、元的地址。個(gè)編碼就叫做存儲(chǔ)單元的地址。1.2.4 1.2.4 指令及指令譯碼指令及指令譯碼1 1、指令、指令15 所謂指令，就是向系統(tǒng)發(fā)出的、指示所謂指令，就是向系統(tǒng)發(fā)出的、指示系統(tǒng)做某種操作的命令。系統(tǒng)做某種操作的命令。 由于計(jì)算機(jī)只能用二進(jìn)制形式的編碼由于計(jì)算機(jī)只能用二進(jìn)制形式的編碼來(lái)表示指令，所以也把指令叫做代碼。來(lái)表示指令，所以也把指令叫做代碼。2 2、指令譯碼、控制器及指令集、指令譯碼、控制器及指令集（1 1）指令譯碼）指令譯碼 由指令譯碼器完成，它負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)由指令譯碼器完成，它負(fù)責(zé)對(duì)指令進(jìn)行解釋和翻譯。行解釋和翻譯。16（2 2）控制器）控制器 發(fā)出控制信息，指揮運(yùn)算器和存儲(chǔ)器發(fā)

11、出控制信息，指揮運(yùn)算器和存儲(chǔ)器協(xié)同完成指令所要求的操作。協(xié)同完成指令所要求的操作。（3 3）指令集）指令集 凡是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令譯碼器所能凡是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令譯碼器所能解釋的指令，就是該系統(tǒng)所能夠使用的解釋的指令，就是該系統(tǒng)所能夠使用的合法指令，這些合法指令的集合叫做這合法指令，這些合法指令的集合叫做這個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令集。個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的指令集。173 3、指令的助記符、指令的助記符 常常用一些有一定語(yǔ)義的英文縮寫來(lái)常常用一些有一定語(yǔ)義的英文縮寫來(lái)表示一條指令的操作碼，并把指令按一定表示一條指令的操作碼，并把指令按一定的格式進(jìn)行書寫。的格式進(jìn)行書寫。ADD AADD A，0X22E0X22E1

12、.2.5 1.2.5 程序及程序計(jì)數(shù)器程序及程序計(jì)數(shù)器PCPC1 1、程序及程序的首地址、程序及程序的首地址18（1 1）什么叫程序）什么叫程序 為完成一個(gè)完整的運(yùn)算任務(wù)，按執(zhí)行為完成一個(gè)完整的運(yùn)算任務(wù)，按執(zhí)行步驟用計(jì)算機(jī)指令編寫的指令集合就叫做步驟用計(jì)算機(jī)指令編寫的指令集合就叫做計(jì)算機(jī)程序。計(jì)算機(jī)程序。（2 2）什么叫程序首地址）什么叫程序首地址 把程序第一條指令所在的存儲(chǔ)單元地把程序第一條指令所在的存儲(chǔ)單元地址叫做程序的起始地址，或首地址。址叫做程序的起始地址，或首地址。192 2、程序計(jì)數(shù)器、程序計(jì)數(shù)器PCPC 計(jì)算機(jī)有一個(gè)存放程序首地址的存計(jì)算機(jī)有一個(gè)存放程序首地址的存儲(chǔ)裝置，這個(gè)存儲(chǔ)

13、裝置就叫做程序計(jì)數(shù)儲(chǔ)裝置，這個(gè)存儲(chǔ)裝置就叫做程序計(jì)數(shù)器，或器，或PCPC。3 3、指令的執(zhí)行過(guò)程、指令的執(zhí)行過(guò)程 分為三個(gè)階段：取指令、譯碼指令分為三個(gè)階段：取指令、譯碼指令（分析指令）、執(zhí)行指令。（分析指令）、執(zhí)行指令。201.2.6 1.2.6 計(jì)算機(jī)指令程序的過(guò)程計(jì)算機(jī)指令程序的過(guò)程211.3 1.3 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由物理設(shè)備構(gòu)成的硬件部計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由物理設(shè)備構(gòu)成的硬件部分和由各種程序構(gòu)成的軟件部分組成。分和由各種程序構(gòu)成的軟件部分組成。 硬件部分叫做計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，軟硬件部分叫做計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，軟件部分叫做計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)。件部分叫做計(jì)算

14、機(jī)的軟件系統(tǒng)。1.3.1 1.3.1 馮馮. .諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)諾依曼計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu) 1945 1945年數(shù)學(xué)家馮年數(shù)學(xué)家馮. .諾依曼提出的，這諾依曼提出的，這種計(jì)算機(jī)有如下主要特點(diǎn)：種計(jì)算機(jī)有如下主要特點(diǎn)：22（1 1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五部分組成。（2 2）指令與數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲(chǔ)）指令與數(shù)據(jù)以同等地位存放在存儲(chǔ)器中，并可按地址對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。器中，并可按地址對(duì)它們進(jìn)行訪問(wèn)。（3 3）指令在存儲(chǔ)器中順序存放。）指令在存儲(chǔ)器中順序存放。（4 4）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，數(shù)據(jù)的傳輸）機(jī)器以運(yùn)算器為中

15、心，數(shù)據(jù)的傳輸必須經(jīng)過(guò)運(yùn)算器。必須經(jīng)過(guò)運(yùn)算器。23241.3.2 1.3.2 計(jì)算機(jī)的硬件組成計(jì)算機(jī)的硬件組成 由于運(yùn)算器和控制器在邏輯和電路上由于運(yùn)算器和控制器在邏輯和電路上結(jié)合非常緊密，在大規(guī)模集成電路制作工結(jié)合非常緊密，在大規(guī)模集成電路制作工藝出現(xiàn)之后，這兩個(gè)部件通常被制作在同藝出現(xiàn)之后，這兩個(gè)部件通常被制作在同一個(gè)芯片上，這個(gè)芯片叫做中央處理器一個(gè)芯片上，這個(gè)芯片叫做中央處理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit），簡(jiǎn)稱），簡(jiǎn)稱CPUCPU或處理器?；蛱幚砥鳌?計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的框圖如下所示：計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的框圖如下所示：2526

16、 CPU CPU和存儲(chǔ)器合起來(lái)又叫做主機(jī)。和存儲(chǔ)器合起來(lái)又叫做主機(jī)。1 1、中央處理器、中央處理器CPUCPU 除了存儲(chǔ)器之外的所有功能模塊被集除了存儲(chǔ)器之外的所有功能模塊被集中制作成一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電子部件，它是中制作成一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字電子部件，它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部分，所以把叫做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部分，所以把叫做“中中央處理器央處理器”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱CPUCPU。 除了除了CPUCPU、存儲(chǔ)器之外，還有寄存器；、存儲(chǔ)器之外，還有寄存器；寄存器大體上分為兩類：寄存器大體上分為兩類：27（1 1）一類是處理器自己使用的寄存器，）一類是處理器自己使用的寄存器，如地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器如地址寄

17、存器、數(shù)據(jù)寄存器、指令寄存器等。這些寄存器都是程序設(shè)計(jì)人員看不到等。這些寄存器都是程序設(shè)計(jì)人員看不到（透明）的寄存器。（透明）的寄存器。（2 2）另一類是程序設(shè)計(jì)人員看得到并使）另一類是程序設(shè)計(jì)人員看得到并使用的寄存器，如程序計(jì)數(shù)器、通用寄存用的寄存器，如程序計(jì)數(shù)器、通用寄存器等。器等。 對(duì)于程序設(shè)計(jì)人員看得到的寄存器還對(duì)于程序設(shè)計(jì)人員看得到的寄存器還可以分為兩類：可以分為兩類：28（1 1）一類是存放專門數(shù)據(jù)的專用寄存器，）一類是存放專門數(shù)據(jù)的專用寄存器，如程序計(jì)數(shù)器如程序計(jì)數(shù)器PCPC和堆棧指針和堆棧指針SPSP。（2 2）另一類是可以由程序設(shè)計(jì)人員自行）另一類是可以由程序設(shè)計(jì)人員自行指定

18、用途的通用寄存器。指定用途的通用寄存器。2 2、內(nèi)存、內(nèi)存 能存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)且通過(guò)總線可由能存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)且通過(guò)總線可由CPUCPU直接進(jìn)行讀直接進(jìn)行讀/ /寫操作的存儲(chǔ)器叫做計(jì)算機(jī)寫操作的存儲(chǔ)器叫做計(jì)算機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存。的內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)存或主存。29 內(nèi)存的速度比寄存器速度慢得多。內(nèi)存的速度比寄存器速度慢得多。3 3、系統(tǒng)總線、系統(tǒng)總線（1 1）總線）總線是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部個(gè)部件之是在計(jì)算機(jī)內(nèi)部個(gè)部件之間或計(jì)算機(jī)與外界之間進(jìn)行信息傳輸?shù)臉?biāo)間或計(jì)算機(jī)與外界之間進(jìn)行信息傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化公共通道。準(zhǔn)化公共通道。（2 2）數(shù)據(jù)總線（）數(shù)據(jù)總線（ DBDB）用來(lái)在計(jì)算用來(lái)在計(jì)算機(jī)各部件之間傳輸數(shù)

19、據(jù)及指令代碼。機(jī)各部件之間傳輸數(shù)據(jù)及指令代碼。30（3 3）地址總線（）地址總線（ABAB）用于傳輸用于傳輸 CPUCPU要要訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或接口的地址信號(hào)。訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元或接口的地址信號(hào)。（4 4）控制總線（）控制總線（CBCB）是在計(jì)算機(jī)各是在計(jì)算機(jī)各部件之間傳輸部件之間傳輸“讀讀”、“寫寫”之類控制信之類控制信號(hào)。號(hào)。4 4、外部設(shè)備及接口、外部設(shè)備及接口（1 1）外設(shè)種類）外設(shè)種類（2 2）什么叫接口）什么叫接口31 把外設(shè)與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)時(shí)，常常需把外設(shè)與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)時(shí)，常常需要在這些外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間配備一些中間要在這些外設(shè)和計(jì)算機(jī)之間配備一些中間電路進(jìn)行緩沖和信號(hào)變換。這些中間電

20、路電路進(jìn)行緩沖和信號(hào)變換。這些中間電路就叫做接口電路，簡(jiǎn)稱接口。就叫做接口電路，簡(jiǎn)稱接口。5 5、外部存儲(chǔ)器（輔存）、外部存儲(chǔ)器（輔存） 硬盤、軟盤、光盤和硬盤、軟盤、光盤和U U盤等。盤等。1.3.3 1.3.3 計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)321、系統(tǒng)軟件、系統(tǒng)軟件 用來(lái)保證計(jì)算機(jī)正常工作和提供用戶用來(lái)保證計(jì)算機(jī)正常工作和提供用戶工作基本條件的軟件集合叫做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)工作基本條件的軟件集合叫做計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件。軟件。 如操作系統(tǒng)、實(shí)用程序等。由于這些如操作系統(tǒng)、實(shí)用程序等。由于這些軟件是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必備的軟件，軟件是一個(gè)完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必備的軟件，已經(jīng)構(gòu)成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一部分。已經(jīng)構(gòu)成

21、了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一部分。2 2、應(yīng)用軟件、應(yīng)用軟件33 用來(lái)完成特定工作的軟件系統(tǒng)叫做應(yīng)用來(lái)完成特定工作的軟件系統(tǒng)叫做應(yīng)用軟件。用軟件。 如如WORDWORD、WPSWPS等。等。341.4 1.4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大體上如下：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)大體上如下：351.4.1 RISC1.4.1 RISC 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（Reduced Reduced Instruction Set ComputerInstruction Set Computer，RISCRISC）是）是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期由年代中期由IBMIBM

22、公司提出的一種計(jì)公司提出的一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，與其對(duì)應(yīng)的是復(fù)雜指令系算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)，與其對(duì)應(yīng)的是復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（統(tǒng)計(jì)算機(jī)（ Complex Instruction Set Complex Instruction Set ComputerComputer，CISC CISC ）。）。RISCRISC已經(jīng)成了現(xiàn)代已經(jīng)成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要方向。361 1、RISCRISC的產(chǎn)生的產(chǎn)生 據(jù)介紹，當(dāng)時(shí)的據(jù)介紹，當(dāng)時(shí)的Intel80386Intel80386的設(shè)計(jì)就的設(shè)計(jì)就要耗時(shí)要耗時(shí)3 3年之久，耗資達(dá)年之久，耗資達(dá)1.51.5億美圓。億美圓。 程序中經(jīng)常用的指令有程

23、序中經(jīng)常用的指令有80%80%左右是簡(jiǎn)左右是簡(jiǎn)單指令，而復(fù)雜指令的使用率只不過(guò)單指令，而復(fù)雜指令的使用率只不過(guò)20%20%左右。左右。2 2、實(shí)現(xiàn)、實(shí)現(xiàn)RISCRISC的主要方法的主要方法37 實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)RISCRISC思想的主要方法為：思想的主要方法為：（1 1）減少指令的種類）減少指令的種類 RISC RISC的指令系統(tǒng)只提供完成簡(jiǎn)單操作的指令系統(tǒng)只提供完成簡(jiǎn)單操作的指令，復(fù)雜的操作則由編譯器或者程序的指令，復(fù)雜的操作則由編譯器或者程序員通過(guò)多條簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)完成。員通過(guò)多條簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)完成。（2 2）Load/StoreLoad/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 為了提高速度，在為了提高速度，在R

24、ISCRISC中設(shè)置了獨(dú)中設(shè)置了獨(dú)立于處理器的寄存器和存儲(chǔ)器之間的直立于處理器的寄存器和存儲(chǔ)器之間的直接數(shù)據(jù)傳輸通道。接數(shù)據(jù)傳輸通道。38（3 3）采用指令流水線技術(shù)）采用指令流水線技術(shù)（4 4）在處理器中配置更多的通用通用寄）在處理器中配置更多的通用通用寄存器存器3 3、RISCRISC與與CISCCISC的比較的比較（1 1）CISCCISC系統(tǒng)系統(tǒng)39（2 2）RISCRISC系統(tǒng)系統(tǒng)40 從指令的兼容性來(lái)看，從指令的兼容性來(lái)看，CISCCISC大多數(shù)都大多數(shù)都能實(shí)現(xiàn)軟件兼容，即高檔機(jī)包含了低檔機(jī)能實(shí)現(xiàn)軟件兼容，即高檔機(jī)包含了低檔機(jī)的全部指令并并可以擴(kuò)充。的全部指令并并可以擴(kuò)充。 RIS

25、C RISC由于簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，從而使機(jī)由于簡(jiǎn)化了指令系統(tǒng)，從而使機(jī)器指令數(shù)目少而且格式也不同于老機(jī)器，器指令數(shù)目少而且格式也不同于老機(jī)器，因此因此RISCRISC機(jī)一般不能與老機(jī)器相兼容。機(jī)一般不能與老機(jī)器相兼容。 目前商品化的目前商品化的RISCRISC架構(gòu)的計(jì)算機(jī)通常并架構(gòu)的計(jì)算機(jī)通常并不是純不是純RISCRISC機(jī)，常常會(huì)根據(jù)實(shí)際需要在機(jī)，常常會(huì)根據(jù)實(shí)際需要在RISCRISC架構(gòu)上做一些比較使用的變化。架構(gòu)上做一些比較使用的變化。411.4.2 1.4.2 指令流水線指令流水線 一條指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指、譯碼、一條指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指、譯碼、執(zhí)行執(zhí)行3 3個(gè)步驟。個(gè)步驟。42431

26、.4.3 1.4.3 高速緩存高速緩存 高速緩沖存儲(chǔ)器是位于高速緩沖存儲(chǔ)器是位于CPUCPU與主內(nèi)存與主內(nèi)存間的一種容量較少但速度很高的存儲(chǔ)器。間的一種容量較少但速度很高的存儲(chǔ)器。1.4.4 1.4.4 協(xié)處理器協(xié)處理器 協(xié)處理器或者叫數(shù)學(xué)協(xié)處理器，其協(xié)處理器或者叫數(shù)學(xué)協(xié)處理器，其主要功能就是負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算。目前協(xié)處主要功能就是負(fù)責(zé)浮點(diǎn)運(yùn)算。目前協(xié)處理器的功能也不再局限于增強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算，理器的功能也不再局限于增強(qiáng)浮點(diǎn)運(yùn)算，現(xiàn)現(xiàn)44在在CPUCPU的浮點(diǎn)單元（協(xié)處理器）往往對(duì)多的浮點(diǎn)單元（協(xié)處理器）往往對(duì)多媒體指令進(jìn)行了優(yōu)化。媒體指令進(jìn)行了優(yōu)化。1.4.5 1.4.5 片上系統(tǒng)片上系統(tǒng) 把多個(gè)固定的

27、芯片組合集成在一個(gè)把多個(gè)固定的芯片組合集成在一個(gè)芯片上而形成一種功能更強(qiáng)大的芯片的芯片上而形成一種功能更強(qiáng)大的芯片的想法，按照這種思想制作的芯片就叫做想法，按照這種思想制作的芯片就叫做片上系統(tǒng)（片上系統(tǒng)（System on ChipSystem on Chip，SoCSoC）。）。451.5 1.5 微型計(jì)算機(jī)的兩種主要應(yīng)用方向微型計(jì)算機(jī)的兩種主要應(yīng)用方向1.5.1 1.5.1 桌面系統(tǒng)桌面系統(tǒng)461.5.2 1.5.2 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng) 為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為了區(qū)別于原有的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，人們把嵌入到對(duì)象體系中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象體人們把嵌入到對(duì)象體系中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)象體系智能化控制的計(jì)

28、算機(jī)系統(tǒng)，稱為嵌入式系智能化控制的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，稱為嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱嵌入式系統(tǒng)。 嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用型計(jì)算機(jī)系嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：47（1 1）專用性強(qiáng)）專用性強(qiáng)（2 2）可裁減性好）可裁減性好（3 3）實(shí)時(shí)性與可靠性）實(shí)時(shí)性與可靠性（4 4）功耗低）功耗低481.6 1.6 計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言 程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言通常簡(jiǎn)稱為編程語(yǔ)言，程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言通常簡(jiǎn)稱為編程語(yǔ)言，是一套包含語(yǔ)法、詞匯和含義的正式規(guī)范，是一套包含語(yǔ)法、詞匯和含義的正式規(guī)范，是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)者用來(lái)向計(jì)算機(jī)表達(dá)解是計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)

29、者用來(lái)向計(jì)算機(jī)表達(dá)解決問(wèn)題步驟的工具。大體上分為兩類：低決問(wèn)題步驟的工具。大體上分為兩類：低級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。級(jí)語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。1.6.1 1.6.1 低級(jí)語(yǔ)言低級(jí)語(yǔ)言49 二進(jìn)制代碼與其助記符形式的語(yǔ)言是二進(jìn)制代碼與其助記符形式的語(yǔ)言是低級(jí)語(yǔ)言，它們都是直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。低級(jí)語(yǔ)言，它們都是直接對(duì)硬件進(jìn)行操作。 二進(jìn)制代碼語(yǔ)言不經(jīng)任何翻譯就可直二進(jìn)制代碼語(yǔ)言不經(jīng)任何翻譯就可直接為計(jì)算機(jī)硬件接收和執(zhí)行，所以也稱為接為計(jì)算機(jī)硬件接收和執(zhí)行，所以也稱為機(jī)器語(yǔ)言。機(jī)器語(yǔ)言。 助記符語(yǔ)言只不過(guò)是為了更容易識(shí)別助記符語(yǔ)言只不過(guò)是為了更容易識(shí)別和記憶而采用的以英文縮寫的標(biāo)識(shí)符來(lái)和記憶而采用的以英文縮寫的標(biāo)識(shí)符來(lái)表表50示難以記憶的二進(jìn)制代