微处理器系统原理与应用.ppt

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1、微处理器系统原理与应用数据处理器 可以把微处理器系统定义为一个数据处理器。它是一个接收输入数据、处理数据并产生输出数据的黑匣子 可编程数据处理器 程序是用来告诉数据处理器对数据进行处理的指令集合 微处理器系统信息数据处理系统冯诺伊曼模型 鉴于程序和数据在逻辑上是相同的，因此程序也能储存在处理器系统的存储器中 冯诺伊曼模型中存储的程序 要求程序必须存储在内部存储器中完成某一任务的程序是通过操作一系列的开关或改变其配线来实现的 处理器系统的存储单元主要用来存储程序及其响应数据。这意味着数据和程序应该具有相同的格式 冯诺伊曼模型中指令的顺序执行 一段程序是由一组数量有限的指令组成微处理器中的控制单元

2、从内部存储器中提取一条指令，解释指令，接着执行指令指令的顺序执行是基于冯诺伊曼模型的初始条件现代处理器系统以最高效的顺序来执行程序 微处理器系统 微处理器 是用来实现运算和控制功能的部件由算术逻辑单元（ALU）、控制单元和寄存器组三个基本单元组成 算术逻辑单元（ALU）算术逻辑单元（ALU）对数据进行逻辑、移位和算术运算 逻辑运算。如：与、或、非和异或等 移位运算。逻辑移位运算和算术移位运算 算术运算。整数和实数的一些算术运算，通常这些运算都通过高效率的硬件来实现 控制单元 控制着系统各个子系统的操作根据指令的要求向系统各个部件发出一系列相应的控制信息，使它们协调有序地工作 寄存器组 寄存器是

3、用来暂时存放数据的高速独立的存储单元 数据寄存器 使用几十个寄存器来提高运算速度，并且需要一些寄存器来保存这些运算的中间结果指令寄存器（IR）从内部存储器中逐条取出指令，并将取出的指令寄存在指令寄存器中，解释并执行指令程序寄存器（PC）是微处理器中一个通用寄存器。保存着当前正在执行的指令，当前的指令执行完后，计数器将自动加1，指向下一条指令的内部存储器地址 存储器 存储器是存储单元的集合每一个存储单元都有唯一的标识，称为地址数据以称为字的位组形式在内存中传入和传出字可以是8位、16位、32位或64位计算机中定义字是8位，称为一个字节数值的表示二进制0和1组合表达一个数值微处理器内部的基本数制十

4、进制09共十个数字组合表达一个数值常用于编程使用十六进制09、A、B、C、D、E、F共十六个数字和字母组合表达一个数值，以0 x为前辍常用于编程使用数值的类型字节8位（B7B6B5B4B3B2B1B0）双字节16位（B15-B8 B7-B0）高字节：B15B14B13B12B11B10B9B8低字节：B7B6B5B4B3B2B1B0四字节32位（B31-B24 B23-B16 B15-B8 B7-B0）高字节：B31B30B29B28B27B26B25B24次高字节：B23B22B21B20B19B18B17B16次低字节：B15B14B13B12B11B10B9B8 低字节：B7B6B5B4

5、B3B2B1B0数值的存放寄存器长度可以是8位、16位、32位，甚至64位。读写速度快，但结构复杂，不适合大量使用，断电后数据消失。通常用来暂时保存数据和容量非常小的存储空间。存储器以字节为编址单位，可以进行字节、双字节、四字节三种方式的访问，还可以八字节方式访问。访问：读取或写存通过专用的电信号线进行读写，速度相对较慢，但容量大，有的断电后数据不丢失。通常用来保存大量数据，构建容量较大的存储空间。若干个寄存器构成寄存器组，可以直接访问，也可以通过专用辅助电路构成类似存储器结构，由专用电信号线来访问。存储单元存储器以字节为基本存储单元，统一编址每个存储单元都有唯一的地址与之相对应每个字节的数占

6、用一个存储单元每个双字节的数占用两个连续的存储单元低字节保存在低地址，高字节保存在高地址每个四字节的数占用四个连续的存储单元低字节保存在低地址，高字节保存在高地址0 xfe0 xdc0 xba0 x980 x760 x540 x320 x100 x200010000 x200010010 x200010020 x200010030 x200010040 x200010050 x200010060 x200010070 xfe0 xdc0 x98ba0 x10325476存储地址存储器每个存储单元都有唯一地址每个数据的地址都采用低地址来标识0 xfe地址为0 x200010000 xdc地址为0

7、 x200010010 x98ba地址为0 x200010020 x10325476地址为0 x200010040 xfe0 xdc0 xba0 x980 x760 x540 x320 x100 x200010000 x200010010 x200010020 x200010030 x200010040 x200010050 x200010060 x200010070 xfe0 xdc0 x98ba0 x10325476地址空间 在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的集合）硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数称

8、为地址空间一个存储器所能存储的全部信息量称为存储器容量。通常，以字节数来表示存储容量 存储容量 存储容量是存储器的一个重要指标存储容量是指存储器可以存储的二进制信息量 存储容量=字数字长 PC中的存储器是以字节（8 位）进行编址的，一个字节是“基本”的字长 表1.1 容量的字符通常意义 单位 通常意义 实际表示K（Kilometers）103 210=1024M（Mega）106 220=1048576G（Giga）109 230=1073741824T（Tera）1012 240=1099511627776P（Peta）1015 250=1125899906842624位模式的地址 如果一个

9、处理器系统有N个字的存储空间的话，那就需要有log2N位的无符号整数来确定每一个存储单元内部存储器地址用无符号二进制整数定义 问题处理器系统存储器有64MB。需要多少位地址来寻址存储器中的任意一个字节？存储器类型 随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）是指机器运行期间可读也可写的存储器。RAM中的信息断电后即丢失，是易失性的 按信息存储方式分为静态RAM（Static RAM,简称SRAM）和动态RAM（Dynamic RAM,简称DRAM）只读存储器（Read Only Memory，ROM）ROM的内容只能随机读出而不能写入，断电后信息不会丢失。是非易失性的 按

10、功能分为掩模式ROM(简称ROM)、可编程序只读存储器PROM(Progammable ROM)和可改写的只读存储器EPROM(Erasable Programmable ROM)输入/输出子系统 输入/输出子系统（I/O）设备允许微处理器与外部设备进行通信输入设备任务是把程序和原始数据送入计算机中，并且将它们转换成处理器内部所能识别和接收的信息方式输出设备任务是将处理器的运算操作结果以人或其他设备所能接收的形式输出总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路，它能分时地发送与接收各部件的信息 处理器系统中采用总线结构，即可以大大减少信息传输线的数目，又可以提高处理器系统扩充存储器及外部设备的

11、灵活性处理器系统设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能的系统，而总线结构正好能满足这一要求 处理器通过总线与各部分连接I/O设备不能直接和总线相连接 I/O控制器或接口是保证信息和数据在处理器与I/O设备之间正常传送的电路 总线（BUS）地址总线（Address Bus）由单方向的多根信号线组成，用于CPU向存储器、外设传输地址信息；数据总线（Data Bus）由双方向的多根信号线组成，用于CPU从存储器、外设读入数据，也可以由CPU向存储器、外设发送数据；控制总线（Control Bus）由双方向的多根信号线组成，用于CPU向存储器、外设发送控制命令和从存储器、外设读入反馈信息 微处理器

12、系统构架字长内部寄存器的位数，一次数据处理能力总线访问存储单元所需的所有电信号地址数据控制外部设备输入和输出设备内部寄存器组构成接口，供访问。数的含义二进制数既可表明进行何种操作，即指令，也可以是操作对象的值，即数据。指令有特殊含义，用来指明具体操作的方式、数据操作的对象。若干个指令按一定顺序排列构成程序，完成指定的数据处理功能。有一定规则的数，不是任意数可以作为指令的。数据仅代表具体的数值任意数都可以作为数据指令由译指部件解释，并由控制部件产生相应的电信号来指挥其它单元进行相应的操作。常规指令结构操作码 目的操作数,源操作数列表操作数分为寄存器操作数和存储器操作数指令长度16位或32位，依赖

13、于具体格式参数指令的地址为偶数，由PC提供所需要读取的指令地址，处理器自动将指令从存储器中读入指令寄存器，再进行译指和执行。数据实质是指令所指定的操作数的值寄存器操作数，由控制部件根据指令要求直接使用指定的寄存器中保存的值存储器操作数，由控制部件根据指令要求指挥总线单元从存储器中访问指定地址的数据。数据访问时只能为8位、16位、32位和64位。数值本身没有正负之分，由指令本身来决定。指令与数据示例0 xF04F0001数据32位数，值为4031709185或-263258111指令32位指令MOV r0,#1（将值1赋给寄存器r0）0 x4601数据16位数，值为17921指令16位指令MOV

14、 r1,r0（将寄存器r0值赋给寄存器r1）0 xff01数据16位数，值为65281或-255指令和数据的存储指令用来描述具体算法，指挥处理器进行各种操作。预先存放在ROM中。处理器加电后，通过读取存储器来获得指令，进而进行预定的各种操作。数据各种操作的对象。既需要读取又需要保存的数据只能存放RAM中。只需要读取的数据可以保存ROM或RAM中。RAM中数据的初始值只能保存在ROM中，加电后通过指令一一读出并保存在RAM的数据中。存储结构存储方式ROM保存不易失的信息，如启动代码和用户程序ROM地址在启动时首地址必须为0 x0，否则无法获取运行所需要的参数。RAM保存程序运行中所需要的临时使用

15、的数据或临时使用的程序。存储类型指令：ROM（启动后直接运行的）、RAM（运行过程中用户加载的）数据：ROM（只读数据）、RAM（可读取数据）微处理器结构算术逻辑单元（ALU）进行算术运算、逻辑运算和移位操作，用来进行数值计算和产生存储器访问地址。寄存器组进行必要运行信息和临时数据的保存总线控制单元产生对指令或数据读取的电信号及时间顺序（时序）微处理器处理流程微处理器周而复始地进行“取指译指执行”这三个基本工作。微处理器将程序计数器（PC）的值作为下一条要读取的指令的地址，从该地址读取规定数目的字节后保存在指令寄存器（IR）中。与此同时自动增加PC值，使其指向后续指令的地址。译指电路对其进行译

16、码，将数值转换成规定的控制信号。逻辑控制单元通过输出相应的控制信号指挥ALU、寄存器组和数据总线单元进行相应操作。处理器指令运行控制流程 处理器利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束 程序存储与执行 微处理器主要工作是执行算法程序的代码，按照代码进行信息处理代码是人为编制的，需要保存在一种存储设备中，不管是否加电都要能够保存 解决的方法一个微处理器系统必须拥有ROM算法程序代码可以放在ROM中，也可以放在外部海量存储器中存放在外部海量存储器中的算法程序代码必须加载到RAM中才可以执行外接外部海量存储器的微处理器系统中，ROM必须有这样的功能程序代码，它能够驱动外部海量存储

17、器、加载其中的程序代码到RAM中和执行RAM中的程序代码等功能 412023/5/17冯诺依曼结构与哈佛结构的存储器设计思想 根据程序（指令序列）和数据的存放形式，存储器设计思想可分为冯诺依曼结构与哈佛结构 422023/5/17冯冯诺依曼结构诺依曼结构 冯诺依曼结构也称为普林斯顿结构，是一种传统的存储器设计思想即指令和数据是不加区别地混合存储在同一个存储器中的，共享数据总线 CPU与共享存储器间的信息交换成了影响高速计算机和系统性能的“瓶颈”Intel公司的80 x86CPU，ARM公司的ARM7，MIPS公司的MIPS等 冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序

18、指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2442023/5/17哈佛结构哈佛结构 哈佛结构的指令和数据是完全分开的哈佛结构至少有两组总线：I-BUS：程序存储器（PM）的数据总线和地址总线D-BUS：数据存储器（DM）的数据总线和地址总线 由于指令和数据分开存放，可以使指令和数据有不同的数据宽度 Motorola公司的MC68系列，ARM公司的ARM9、ARM10和ARM11。大多数数字信号处理器（DSP）哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据462023/5/17应用现代微型计算机中的高速缓冲存储器

19、（Cache）采用哈佛结构，将Cache分为指令Cache和数据Cache两个部分将冯诺依曼结构和哈佛结构结合起来，不仅可以提高存储器的利用率，而且可以提高程序执行的效率，缩短指令执行的时钟周期 不同的指令体系结构 指令的强弱是处理器的重要指标指令集是提高处理器效率的最有效工具之一现阶段的指令体系结构，指令集分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两部分 复杂指令集(CISC)是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的芯片设计体系CISC体系微处理器包括Intel的 80 x86和Motorola的68K系列等CISC体系指令特征使用庞大的指令集减少编程所需要的代码行数，能够有效缩短新

20、指令的设计时间允许设计师实现CISC体系机器的向上相容指令的格式与高阶语言相匹配，编译器并不一定要重新编写缺点。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 精简指令集(RISC)是为了提高处理器运行的速度而设计的芯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 指令集包含了简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令每条指令的长度都是相同的，可以在一个单独操作里完成RISC处理器比相对应的CISC处理器设计更简单，指令执行速度更快。开发的下一代处理器所需要的时间将变得更短缺点是多指令的操作使得程式开发者必须小心

21、地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外RISC体系的处理器需要更快记忆体ARM处理器核简介 ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的系列已经是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex各ARM体系结构版本 ARM体系结构从最初开发到现在有了很大的改进，并仍在完善和发展。为了清楚的表达每个ARM应用实例所使用的指令集，ARM公司定义了6种主要的ARM指令集体系结构版本，以版本号V1V7表示。Cortex系列M0-4简单对比Cortex-M 系列

22、处理器软件重用向上兼容Cortex-M3 功能部分主流厂家的产品部分主流厂家的产品 德州仪器（德州仪器（TI）：）：LM3Sxxxx系列（系列（M3）和）和LM4Fxxxx系列系列(M4)意法半导体（意法半导体（ST）：）：STM32 F0 xx系列（系列（M0 48MHZ）STM32 Lxxx系列系列(M3 32MHZ)STM32 F1xx系列系列(M3 72MHZ)STM32 F2xx系列系列(M3 120MHZ)STM32 F4xx系列系列(M4 168MHZ)恩智浦恩智浦（NXP）：）：LPC11xx LPC12xx系列（M0）LPC13xx LPC17xx LPC18xx 系列（M3）LPC43xx 系列（M4）飞思卡尔（飞思卡尔（Freescale）：Kinetis L系列（系列（M0+）和）和Kinetis X系列、系列、K系列（系列（M4）Atmel:SAM3S/U/N系列（M3）SAM4S系列（M4）SAM7xxxx系列（ARM7）SAM9xxxx系列（ARM9）英飞凌（英飞凌（Infineon）：）：XCM4000系列（M4，第一次推出ARM架构的MCU）