微处理器系统结构与嵌入式系统第二章结构组成与工作原理解析PPT课件
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微处理器系统结构与嵌入式系统设计ppt课件
A/D 数字 基 带
A/D
数字滤波与控制 系统知识 (硬件与软件)
电路设计知识 (DAC、ADC 等)
制造工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)
22 .
晶圆工艺知识 (300mm 晶圆)
片上网络(NOC) 技术
P处理器 M存储器
C缓存 rni网络接口 S交换开关
Dsp核 re可重构逻辑
L专用逻辑
7-8课时
第五章：存储器系统
8-9课时
第六章：输入/输出接口
6-7课时
第七章：ARM微处理器编程模型
4课时
第八章: ARM汇编指令
4-5课时
第九章： ARM程序设计
4-5课时
第十章：基于ARM微处理器的硬件系统设计
3课时
第十一章：基于ARM微处理器的软件系统设计 3课时
第十二章：基于ARM微处理器核的SOC设计
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
广泛使用操作系统，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
章
✓ 片上多核处理器(CMP)
✓ 流处理器(Stream Processor)
✓ PIM(Processor In Memory)
概
✓ 可重构计算处理器
述
1.4 嵌入式系统（了解）
✓ 嵌入式系统的概念
✓ 嵌入式系统的特点
✓ 嵌入式系统中的处理器
✓ 嵌入式系统的组成
✓ 嵌入式系统的发展现状与趋势
✓ 学习嵌4入1.式系统的意义
微处理器系统结构与嵌入式系统第二章结构组成与工作原理资料PPT课件
硬件组成
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中；
计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
计算机实现Realization
底层的集成电路设计技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
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2020/11/6
计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。
微处理器系统结构与嵌 入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成 与工作原理
第二章
(10) 计算机 系统的 结构组 成与工 作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）
✓ 计算机系统的层次模型 ✓ 计算机系统的结构、组成与实现
2.2 计算机系统的工作原理（掌握）
✓ 冯·诺依曼计算机架构 ✓ 模型机系统结构 ✓ 模型机指令集 ✓ 模型机工作流程
机器语言级
硬核 级
硬（件C微系P微程U体序统、或系：硬结存连构异储层 逻常器辑处）、理I/O机及构通、信指子令系系统微统程、序级
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程；
2.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） ；
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中；
计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
计算机实现Realization
底层的集成电路设计技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
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计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。
微处理器系统结构与嵌 入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成 与工作原理
第二章
(10) 计算机 系统的 结构组 成与工 作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）
✓ 计算机系统的层次模型 ✓ 计算机系统的结构、组成与实现
2.2 计算机系统的工作原理（掌握）
✓ 冯·诺依曼计算机架构 ✓ 模型机系统结构 ✓ 模型机指令集 ✓ 模型机工作流程
机器语言级
硬核 级
硬（件C微系P微程U体序统、或系：硬结存连构异储层 逻常器辑处）、理I/O机及构通、信指子令系系统微统程、序级
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程；
2.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） ；
嵌入式系统概述ppt
Connecting SRAM
服务特 权
共享文档下载特权
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档消耗一个共享文档下载特权。
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赠每的送次VI的发P类共放型的享决特文定权档。有下效载期特为权1自个V月IP，生发效放起数每量月由发您放购一买次，赠 V不 我I送 清 的P生每 零 设效月 。 置起1自 随5每动 时次月续 取共发费 消享放， 。文一前档次往下，我载持的特续账权有号，效-自
包权
人书友圈7.三端同步
一、嵌入式系统的定义
嵌入式系统：
嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，
其软硬件可配置，对功能、可靠性、成本、体积、 功耗有严格约束的一种专用系统。
专用计算机系统(非PC智能电子设备)
以应用为中心
以计算机技术为基础
软件硬件可裁剪
适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗严格要求
嵌入式系统硬件
Power Supply Oscillation Circuit
Reset Circuit
Ports
Chip Board Ciruit
Prescaler
CPU CORE
Interrupt Controler
Timer DMA
CPU
I/O Port A/D
Connectong for Debugging
前言
课程设置的必要性 嵌入式系统涉及现代生活的方方面面 应用日趣复杂 微处理器技术长足发展 嵌入式软件技术成为核心
第二章 微处理器与系统结构2PPT课件
AD15~AD0
A19~A16 AD15~AD0
16位数据 20位地址
时序部件
• 时钟系统
– –
脉时冲钟源 启： 停逻辑2.5G主频的CPU，时钟周期是多少？
• 脉冲分配器
– 产生一系列节拍、脉冲，每个节拍和脉冲信号指挥机 器完成一个微操作
• 时钟周期T 机器周期M 指令周期IC
指令周期
M1
M2
Mn
48 00
00010H 00011H
0001FH
00010H 00011H
0001FH
00010H 00011H 00012H
0001FH
00010H 00011H 00012H
0001FH
RD读选通信号
• 三态，输出信号
• RD=0表示读数据
• 由M/IO决定读内存还是读I/O设备
MN/MX
RD
HOLD(RQ/GT0) HLDA(RQ/GT1)
WR(LOCK) M/IO(S2)
DT/R(S1)
DEN(S0)
ALE(QS0)
INTA(QS1)
TEST READY RESET
...
...
00000H 00001H 0000FH
F0000H FE05BH FFFF0H
FFFFFH
DEN(S0)
ALE(QS0)
INTA(QS1)
TEST READY RESET
BHE/S7:总线高字节有效/状态输出信号
• T1:BHE（Bus High Enable）
=0,表示高8位数据线D15~D8有效,数据为16位(如 果低8位数据也有效的话)
=1,表示高8位数据线D15~D8无效,数据为8位
84第二章 微处理器与系统结构PPT课件
物理地址：存储器的绝对地址（20位的实际地址）， 范围从00000H～FFFFFH , 是由CPU访问存储器时由地址总线发出的地址。
存储器管理：将程序中逻辑地址转移为物理地址的机构。
第12页
2020/10/30
补充：
微机原理与接口技术
物理地址的形成
15
0 210
段基址
0000
15
0
偏移地址
基址加法器
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补充：
20位物理地址形成
微机原理与接口技术
物理地址： 在1M字节存储器里，每个存储单元都有一个唯一的20位地 址作为该存储单元的物理地址。
CPU访问存储器时，必须先确定所要访问的存储单元的物 理地址才能取出（或存入）该单元中的内容。
20位物理地址形成：由16位段地址和16位偏移地址组成。
15
+
0
16位段地址
0000
15
0
16位偏移地址
19
0
20位物理地址
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补充：
逻辑地址与物理地址
微机原理与接口技术
逻辑地址与物理地址概念
逻辑地址与物理地址概念如下页图所示。
逻辑地址：由段基址和段内偏移地址组成的地址， 段基址和段内偏移地址都是16位的无符号二进制数，
在程序设计时使用。
19
0
物理地址
逻辑地址与物理地址
段基址
2000H
20000H
逻
辑
段内偏移地址
......
地
5F62H
址
25F60H
25F61H
25F62H
25F63H
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 数据
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
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统第二章PPT课件
ARM（Advanced RISC Machines）处理器是一种低功耗高性能 的32位RISC处理器。
什么是RISC架构？ 嵌入式微处理器可分为CISC和RISC两类（复杂指令集计算机 Complex Instruction Set Computer—CISC；精简指令集计算机 Reduced Instruction Set Computer—RISC）。大家熟悉的大多数 台式PC都是使用CISC微处理器，如Intel的x86。RISC结构体系有两 大主流：Silicon Graphics公司（硅谷图形公司）的MIPS技术；ARM 公司的Advanced RISC Machines技术。
ARM9嵌入式系统设计与 开发应用
第二章 基于ARM920T核微处理器
通用处理器系列 ARM7、ARM9、ARM9E和 ARM10E的特点及主要应用领域
嵌入式ARM920T内核编程模型、ARM920T的 运行模式、寄存器组织及ARM体系结构的存储 器格式
三星S3C2410X处理器结构
2
2.1 ARM 处理器简介
Intel的StrongARM：便携式通信产品，如掌上电脑
Intel的Xscale：Intel主推的ARM微处理器，已用于数字移动电话
6
2.1.2 ARM7系列微处理器
具有低功耗的32位RISC处理器，主要特点： 嵌入式ICE-RT（In Circuit Emulator-Rral Time）逻辑，
5级流水线图
10
提供1.1MIPS/MHZ 的哈佛结构 哈佛结构：是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口
AMBA ：将RISC处理器集成在其他IP芯核和外设中，它是有效连接 IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件。它不是芯片 与外设之间的接口，而是ARM内核与芯片上其他元件进行通信的接 全口性。能的MMU支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入 式操作系统。 MMU： MemoryManagementUnit，内存管理单元，负责虚拟地址与 物理地址的转换。达到每个用户进程都拥有自己独立的地址空间的目 标。 MPU（Memory Protection Unit，内存保护单元）支持实时操作系统 支持数据Cache（高速缓冲存储器）和指令Cache
什么是RISC架构？ 嵌入式微处理器可分为CISC和RISC两类（复杂指令集计算机 Complex Instruction Set Computer—CISC；精简指令集计算机 Reduced Instruction Set Computer—RISC）。大家熟悉的大多数 台式PC都是使用CISC微处理器，如Intel的x86。RISC结构体系有两 大主流：Silicon Graphics公司（硅谷图形公司）的MIPS技术；ARM 公司的Advanced RISC Machines技术。
ARM9嵌入式系统设计与 开发应用
第二章 基于ARM920T核微处理器
通用处理器系列 ARM7、ARM9、ARM9E和 ARM10E的特点及主要应用领域
嵌入式ARM920T内核编程模型、ARM920T的 运行模式、寄存器组织及ARM体系结构的存储 器格式
三星S3C2410X处理器结构
2
2.1 ARM 处理器简介
Intel的StrongARM：便携式通信产品，如掌上电脑
Intel的Xscale：Intel主推的ARM微处理器，已用于数字移动电话
6
2.1.2 ARM7系列微处理器
具有低功耗的32位RISC处理器，主要特点： 嵌入式ICE-RT（In Circuit Emulator-Rral Time）逻辑，
5级流水线图
10
提供1.1MIPS/MHZ 的哈佛结构 哈佛结构：是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。
支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。 支持32位的高速AMBA总线接口
AMBA ：将RISC处理器集成在其他IP芯核和外设中，它是有效连接 IP核的“数字胶”，并且是ARM复用策略的重要组件。它不是芯片 与外设之间的接口，而是ARM内核与芯片上其他元件进行通信的接 全口性。能的MMU支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入 式操作系统。 MMU： MemoryManagementUnit，内存管理单元，负责虚拟地址与 物理地址的转换。达到每个用户进程都拥有自己独立的地址空间的目 标。 MPU（Memory Protection Unit，内存保护单元）支持实时操作系统 支持数据Cache（高速缓冲存储器）和指令Cache
嵌入式微处理器体系结构 ppt课件
Partner把ARM IP 和其他 IP 集成进 产品
OEM 用来自 ARM Partner的 芯片设计制造最 终用户产品
12
ARM 微处理器
微处理器核: ARM6, ARM7, ARM9, ARM10, ARM11。 扩展: Thumb, DSP, SIMD, Jazelle etc。 其他IP核: UART, GPIO, memory controllers, etc。
13
ARM体系结构版本 - 1
Version 1 (obsolete)
基本数据处理； 字节、字以及多字 load/store； 软件中断； 26 bit 地址总线。
Version 2 (obsolete)
Multiply & Multiply-accumulate； 支持协处理器； 支持线程同步； 26 bit 地址总线。
总线架构, 外围设备单பைடு நூலகம்等。
6
ARM的发展历程-1
ARM即Advanced RISC Machines的缩写。
1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有 限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。
20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成 英国的计算机教育基础。
嵌入式系统设计与实例开发
——ARM与C/OS-Ⅱ 第三讲 ARM微处理器体系结构
1
本节要求
操作系统移植和系统初始化需要了解ARM体系结 构与汇编语言。 学习ARM微处理器的体系结构； 掌握ARM汇编语言的基本使用方法。
2
精品资料
• 你怎么称呼老师？ • 如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你
1996 1997
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-CM3嵌入式系统体系结构ppt课件
线，使用于高速设备连接 2、APB(Advanced preformance Bus)外设总线，
使用于低速设备连接
.
CM3 总线接口
包含5个总线接口： 1、Icode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 2、Dcode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 3、系统接口(32位AHB,对系存空间2000 0000-dfff ffffH和e010000-ffff ffffH
.
数据类型
Cortex-M3处理器支持以下数据类型
32位字 16位半字 8位字节
.
存储器格式
小端数据格式(数据高位存入高地址)
31
24 23
16 15
87
0
地址 F的 字节 3
地址 E 的 字节 2
地址 D 的 字节 1
地址 C 的 字 节0
地址C 的字
地址 E 的半字 1
地址 C 的半字 0
. 0：结果为正数或大于
中断状态寄存器(IPSR)
中断状态寄存器（IPSR）包含当前激活的异常 的ISR编号。
IPSR的位分配
31
----
保留
9 8 -- 0 中断号
ISR NUMBER
基础级别 =0
Reset =1
NMI =2
SVCall ＝11
......
.
执行状态寄存器(EPSR)
为什么需要执行状态寄存器EPSR？
程序执行设置2种权限： 用户级和特权级。
特权级可以访问任意资源，用户级对有些资源的访问有限制或不允许访问。
.
操作模式状态转换
1、CM3运行主应用程序时(线程模式)，可使用特权级或用户级 2、处理异常服务例程必须使用特权模式。 3、复位后，CM3默认进入线程模式，特权级访问 4、从特权模式切换到用户级，修改CONTROL寄存器即可 5、用户级切换回特权级，必须执行一条系统调用指令SVC，触发
使用于低速设备连接
.
CM3 总线接口
包含5个总线接口： 1、Icode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 2、Dcode存储器接口(32位AHB,可访程存空间0000 0000-1fff ffffH) 3、系统接口(32位AHB,对系存空间2000 0000-dfff ffffH和e010000-ffff ffffH
.
数据类型
Cortex-M3处理器支持以下数据类型
32位字 16位半字 8位字节
.
存储器格式
小端数据格式(数据高位存入高地址)
31
24 23
16 15
87
0
地址 F的 字节 3
地址 E 的 字节 2
地址 D 的 字节 1
地址 C 的 字 节0
地址C 的字
地址 E 的半字 1
地址 C 的半字 0
. 0：结果为正数或大于
中断状态寄存器(IPSR)
中断状态寄存器（IPSR）包含当前激活的异常 的ISR编号。
IPSR的位分配
31
----
保留
9 8 -- 0 中断号
ISR NUMBER
基础级别 =0
Reset =1
NMI =2
SVCall ＝11
......
.
执行状态寄存器(EPSR)
为什么需要执行状态寄存器EPSR？
程序执行设置2种权限： 用户级和特权级。
特权级可以访问任意资源，用户级对有些资源的访问有限制或不允许访问。
.
操作模式状态转换
1、CM3运行主应用程序时(线程模式)，可使用特权级或用户级 2、处理异常服务例程必须使用特权模式。 3、复位后，CM3默认进入线程模式，特权级访问 4、从特权模式切换到用户级，修改CONTROL寄存器即可 5、用户级切换回特权级，必须执行一条系统调用指令SVC，触发
《嵌入式系统结构》课件
云计算和网络化
嵌入式系统将更多地与云计算和网络技术结 合，实现远程控制和数据传输。
定制化设计
随着应用领域的多样化，嵌入式系统的定制 化设计需求越来越高。
02
嵌入式系统硬件结构
微处理器
微处理器是嵌入式系统的核心 ，负责控制和协调整个系统的 运作。
常见的微处理器类型包括ARM 、MIPS、PowerPC等，它们 具有低功耗、高性能的特点。
嵌入式系统优化技术
01
嵌入式系统优化技术概述
介绍嵌入式系统优化的目的、方法和技巧，以及优化工具的种类和功能
。
02
代码优化技术
介绍代码优化的常用方法和技巧，如变量优化、循环优化、函数优化等
，以及如何使用代码优化提高程序执行效率和降低功耗。
03
内存优化技术
介绍内存优化的常用方法和技巧，如内存管理、内存泄漏检测和内存压
嵌入式系统硬件结构实例
ARM架构嵌入式系统
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，广泛应用于移动设备和物联网领域。
MIPS架构嵌入式系统
MIPS处理器具有简单高效的特点，常用于网络设备和数字电视领域。
03
嵌入式系统软件结构
嵌入式操作系统
实时性
嵌入式操作系统能够提供实时响应， 确保系统在规定时间内完成特定任务 。
《嵌入式系统结构》ppt课件
contents
目录
• 嵌入式系统概述 • 嵌入式系统硬件结构 • 嵌入式系统软件结构 • 嵌入式系统的开发工具与技术 • 嵌入式系统的应用案例
01
嵌入式系统概述
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，主要 用于控制、监视或帮助操作机器和设备。
二嵌入式系统的基本知识.ppt
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
StrongARM 64 Bit 32 Bit
Motorola
PPC405 IBM
PPC440 186/386/
486 Geode
Nehemiah
Intel AMD VIA
Efficeon
Transmeta
POWER PC
X86
SH/HP RISC
SH5
SH4 SH3 SH2 SH1
64 Bit 32 Bit
TCP/IP 网络系统
设备 驱动层
板级 初始化
文件 系统
以太网 驱动
…
电子
邮件
12
CISC的主要缺点
指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的 复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑 实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约 了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。
LDRB r2, [r1]
31 24 23 16 15 8 7 0
00 00 00 11 R2 = 0x11
Little endian Big endian
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运算器
2020/12/6
模型机指令系统
汇编语言源程序
汇编（汇编程序）
机器语言程序
高级语言源程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理，如 从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处理 的全部指令集合称为指令集(Instruction Set)。指令集结 构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的主 要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。 ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。
著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC 而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。
1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现
了冯· 诺依曼模式。 直至今天冯· 诺依曼体系结构依然是绝大
多数数字计算机的基础。 6 / 50
2020/12/6
冯· 诺依曼体系结构
指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作 的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
硬件组成
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中；
计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
➢ 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信 号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和 控制。
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2020/字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编 号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。
➢ 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应 的选通信号，同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数 据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。
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模型机总线结构
AB
MPU
CB
DB
RAM
ROM I/O接口
外设
按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址总线AB和 控制总线CB三类：
➢ 地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择 读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)；
➢ 数据总线用于数据交换，通常是双向的；
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
✓ 冯·诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 层次模型 Hiberarchy 2. 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
微处理器系统结构与嵌 入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成 与工作原理
第二章
(10) 计算机 系统的 结构组 成与工 作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）
✓ 计算机系统的层次模型 ✓ 计算机系统的结构、组成与实现
2.2 计算机系统的工作原理（掌握）
✓ 冯·诺依曼计算机架构 ✓ 模型机系统结构 ✓ 模型机指令集 ✓ 模型机工作流程
3.（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
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
关心的是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；
计算机组成Organization
从硬件角度关注物理机器的组织,关心的是逻辑设计、硬 件实现、互连组织等 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
机器语言级
硬核 级
硬（件C微系P微程U体序统、或系：硬结存连构异储层 逻常器辑处）、理I/O机及构通、信指子令系系统微统程、序级
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程；
2.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） ；
计算机实现Realization
底层的集成电路设计技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
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计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。
模型机体系结构
基于总线的冯·诺依曼架构模型机
总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各 部 件之间的数据、信息等的传输和交换
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模 集成电路芯片(VLSI)
地址总线AB
地址缓冲器
模型机CPU子系统
数据总线DB
内部总线
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源 操作码 , 地址码 脉冲分配器 指令译码器ID
微操作控制电路
控制总线CB
控制器
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
寄存器组
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累加器ACC 暂存 累加锁存器 器
算术逻辑单元ALU
标志寄存器FR
字长、存储容量、运算速度
计算机系统的层次结构
系统分析层（数学模型、算法）
应用软件
用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机 高级语言虚拟机
语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机 统、操作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机
指令系统层（机器语言指令）
2.2 计算机系统的工作原理
1. 冯·诺依曼计算机架构 2. 模型机：系统结构、指令集、工作流程
2.3 微处理器体系结构的改革
1. 改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 2. 改变：流水线、超标量、超长指令字、多机/核、多线程
2.4 计算机体系结构分类
2.5 计算机性能评测Performance
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模型机指令系统
汇编语言源程序
汇编（汇编程序）
机器语言程序
高级语言源程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理，如 从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处理 的全部指令集合称为指令集(Instruction Set)。指令集结 构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的主 要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。 ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。
著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC 而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。
1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现
了冯· 诺依曼模式。 直至今天冯· 诺依曼体系结构依然是绝大
多数数字计算机的基础。 6 / 50
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冯· 诺依曼体系结构
指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作 的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
硬件组成
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并 存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中；
计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
➢ 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信 号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和 控制。
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2020/字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编 号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。
➢ 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应 的选通信号，同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数 据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。
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模型机总线结构
AB
MPU
CB
DB
RAM
ROM I/O接口
外设
按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址总线AB和 控制总线CB三类：
➢ 地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择 读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)；
➢ 数据总线用于数据交换，通常是双向的；
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
✓ 冯·诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 层次模型 Hiberarchy 2. 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
微处理器系统结构与嵌 入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成 与工作原理
第二章
(10) 计算机 系统的 结构组 成与工 作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）
✓ 计算机系统的层次模型 ✓ 计算机系统的结构、组成与实现
2.2 计算机系统的工作原理（掌握）
✓ 冯·诺依曼计算机架构 ✓ 模型机系统结构 ✓ 模型机指令集 ✓ 模型机工作流程
3.（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
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
关心的是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；
计算机组成Organization
从硬件角度关注物理机器的组织,关心的是逻辑设计、硬 件实现、互连组织等 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
机器语言级
硬核 级
硬（件C微系P微程U体序统、或系：硬结存连构异储层 逻常器辑处）、理I/O机及构通、信指子令系系统微统程、序级
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程；
2.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） ；
计算机实现Realization
底层的集成电路设计技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
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2020/12/6
计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。
模型机体系结构
基于总线的冯·诺依曼架构模型机
总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各 部 件之间的数据、信息等的传输和交换
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模 集成电路芯片(VLSI)
地址总线AB
地址缓冲器
模型机CPU子系统
数据总线DB
内部总线
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源 操作码 , 地址码 脉冲分配器 指令译码器ID
微操作控制电路
控制总线CB
控制器
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
寄存器组
11 / 50
累加器ACC 暂存 累加锁存器 器
算术逻辑单元ALU
标志寄存器FR
字长、存储容量、运算速度
计算机系统的层次结构
系统分析层（数学模型、算法）
应用软件
用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机 高级语言虚拟机
语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机 统、操作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机
指令系统层（机器语言指令）
2.2 计算机系统的工作原理
1. 冯·诺依曼计算机架构 2. 模型机：系统结构、指令集、工作流程
2.3 微处理器体系结构的改革
1. 改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 2. 改变：流水线、超标量、超长指令字、多机/核、多线程
2.4 计算机体系结构分类
2.5 计算机性能评测Performance