嵌入式系统基础第1章-微型计算机基础知识资料
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第1章计算机基础知识
计算机硬件的发展
电子计算机按其性能分类：
巨型计算机 大型计算机 中型计算机 小型计算机 微型计算机
4
微型计算机是第四代计算机的典型代表
微型计算机的发展
5
发展到以大规模集成电路为主要部件的第四代， 产生了微型计算机 以大规模、超大规模集成电路为主要部件，以 集成了计算机主要部件——控制器和运算器的 微处理器为核心所构造出的计算机系统 微处理器(Microprocessor)/微型计算机 (Microcomputer) 1971年，Intel公司设计了世界上第一个微处 理器芯片Intel4004，开创了一个全新的计算机 时代
同余的概念
同余的性质：
a+M=a(mod M)； a+nM=a(mod M)； 例：以12为模，-4+12=-4 (mod 12) 8= -4 (mod 12) 我们称8与-4对模12来说互为补数。
26
小结：
通过补数，将负数变成正数(减法变成加法) 计算机字长为n时，其模为2n (1 00······00) 计算机的序数是从0开始的，故2n在n位系统中是无 法表示的，它的表示形式与0的表示形式是一样的。
原码
数0的原码有两种不同形式:
[+0]原=00000000B [-0]原=10000000B
21
原码范围：
-127~127 11111111~01111111(0FFH~7FH)
例：8位原码机器数：
真值：x1＝ 84 = +1010100B x2 ＝－84＝－ 1010100B 机器数：[x1]原 = 01010100 [x2]原 = 11010100
符号位 数值位
机器数及真值
当一个数据用16位表示时，用最高位 D15表示符号
第1章 计算机原理与嵌入式系统基础PPT课件
负数的原码、反码和补码
原码
•最高位表示符号， 其余各位表示该数 的绝对值大小。比 如，00000001为 +1，10000001为 -1。 •原码的表示方法 简单易懂，而且与 真值转换方便。 •做加法运算时就 遇其余各位为原码绝 对值的相反数。比 如，00000001为 +1，11111110为 -1。 •作为实现从原码 到补码的过渡码
❖ 嵌入式微处理器： 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)
❖ 单片机应用系统是最典型的嵌入式系统
10
第1章 计算机原理与嵌入式系统基础
的机器称为浮点计算机。
Nf 符号位
Nn-2 Nn-3 … 数值部分
N2 N1 N0 (n-1)位
小数点 位置
定点整数的 表示格式
Nf
Nn-2 Nn-3
符号位 小数点位置
01 数符 阶符
阶码
21
… N2 N1 N0 (n-1)位数值位
89
定点小数表示
31
单精度float型 浮点数表示
❖ 有符号数运算结果超出机器数的表示范围，称为溢出。
❖ 两个无符号数相加可能会产生进位；
❖ 两个同号有符号数相加，或者两个异号有符号数相相减可 能会产生溢出。
❖ 因此，任何计算机中都会设置判断逻辑，包括无符号数运 算溢出判断和有符号数运算溢出判断。如果产生进位或溢 出，要给出进位标志C或溢出标志OV，软件根据标志审视 计算结果。
5
第1章 计算机原理与嵌入式系统基础
第1章 嵌入式系统基础(新)1
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
2、嵌入式操作系统
• 嵌入式操作系统具有通用操作系统的 一般功能，如向上提供对用户的接口 （如图形界面、库函数API等），向下 提供与硬件设备交互的接口（如硬件 驱动程序等），管理复杂的系统资源， 同时，它还在系统实时性、硬件依赖 性、软件固化性以及应用专用性等方 面，具有更加鲜明的特点。
嵌入式系统及其应用
无线便携式考场信息管理终端 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
基于ECX平台的变电站值班机器人 重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
嵌入式系统的存在形式
嵌入式系统的存在形式通常有两种： 一种，是作为一个大系统中功能和结构相 对独立但又和其它部分密不可分的形式而 存在。
靠性高、体积小、成本低、功耗小的专用 计算机系统。
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
随着信息技术的发展，嵌入式系统在很多 的产业得到了非常广泛的应用并有力的推动 了这些产业的发展。例如在各种消费电子产 品、车载电子产品、办公自动化产品、智能 家电产品、工业自动化产品以及国防、航天 等众多领域中都可以找到嵌入式系统的应用 实例。
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
2、基于单片机的 锅炉控制系统的解决方案
• 现在有一些生产企业使用基于单片机的锅 炉控制系统，这种系统由8位MCU、控制执 行机构、LED数码管、发光二极管、按键 等组成，完成以下功能：实时准确检测锅 炉的运行参数；综合分析及时发出控制指 令；诊断故障与报警管理;历史记录运行参 数；计算运行参数，保证锅炉的安全、稳 定运行。
重庆大学电气工程学院
嵌入式系统及其应用
• 图1.7 服务器软件结构
计算机应用基础 第一章 计算机基础概论
电子管计算机
早期使用大规模及超大规模 集成电路的微型计算机
晶体管计算机
中小规模集成电路计算机
当代的超级计算机
第一章 计算机基础知识
1.1 走进计算机世界--计算机的特点
• 高速、精确的运算能力 • 计算精度高 • 存储容量大 • 可靠性 • 具有逻辑判断功能 • 自动化程度高，通用性强
每秒上万亿次 小数点后200万位的π值 海量、可靠、速度快 连续无故障可达到几十万小时以上
设想：若现在世界上所有计算机有一个月不能正常运行，世界将变成什么样子？
第一章 计算机基础知识
1.1 走进计算机世界
计算机发展历程： 第一台计算机名叫 ENIAC，于1946年2月 在美国宾夕法尼亚大学诞生。
名字：ENIAC（埃尼阿克） 研制目的：军事上的需要 诞生时间：1946年 运算速度：5000次加法/秒 采用元器件：电子管（18,800个） 1500个继电器；30吨重；占地170平方米 意义：宣布了电子计算机时代的到来
13.6875 = （1101.1011）2
第一章 计算机基础知识
1.2 数制与编码--字符的二进制编码
• 目前计算机中字符编码普遍采用的是ASCII码 （美国标准信息交换码）。 • 一个ASCII码由 7位 二进制数组成，共能表示 128个 字符数据。 • 为了方便计算机处理，人们一般将ASCII码的最高位前增加一位0，凑成一个字节，便于
编语言 高级语言
操作系统
数据库、网络
巨型化、微型 化、网络、智 能、多媒体
应用范围
科学计算
科学计算、数据处理、 工业控制
科学计算、数据处理、 工业控制、文字处理、
图片处理
各个领域
第一章 计算机基础知识
西安电子科技大学嵌入式实时操作系统第1章PPT课件
0世纪90年代，在分布控制、柔性制造、数字化通信和 信息家电等巨大需求的牵引下，嵌入式应用进一步加速发展。 面向实时信号处理算法的DSP产品向着高速、高精度、低功 耗发展。Texas推出的第三代DSP芯片TMS320C30，引导着 微控制器向32位高速智能化发展。在应用方面，掌上电脑、 手持PC机、机顶盒技术相对成熟，发展也较为迅速。特别 是掌上电脑，1997年在美国市场上不过四五个品牌，而1998 年底，各式各样的掌上电脑如雨后春笋般纷纷涌现出来。随 着人类进入网络时代，将嵌入式计算机系统应用到各类网络 中已成为嵌入式系统发展的重要方向。在发展潜力巨大的信 息家电中，人们非常关注的网络电话设备，即IP电话，就是 一个代表。
第1章 嵌入式系统导论
在早期，由于嵌入式应用范围比较狭窄，大多用于工业 控制领域，人们还可以勉强将通用计算机通过改装、加固、 定制专业软件等方法，嵌入到大型系统中去实现嵌入式应用。 但随着经济、技术的高速发展，嵌入式应用越来越广泛，已 经深入到我们生活中的方方面面，小到彩电、空调、洗衣机、 手机，大到飞机、导弹、汽车等，嵌入式应用对计算机的功 能、体积、功耗、价格、重量、可靠性等方面的要求也越来 越苛刻，通过改造通用计算机的传统方法已远远不能胜任。 因此，嵌入式计算机不得不脱离通用计算机系统，走上独立 发展的道路。这就形成了现代计算机两大分支并行发展的时 期。
第1章 嵌入式系统导论
早在1614年，苏格兰人John Napier就发表论文公布他发 明了一种可以进行四则运算和方根运算的精巧装置。1848年， 英国数学家George Boole创立二进制代数学，为现代二进制 计算技术的发展铺平了道路。1937年，Bell试验室的George Stibitz展示了用继电器表示二进制的装置，尽管它是个展品， 但却是世界上的第一台二进制电子计算机。1946年2月15日， 名为ENIAC的计算机在美国诞生了，这是第一台现代意义 上的数字计算机，它的诞生具有划时代的意义，表明了现代 数字计算机时代的到来。在随后的近三十年里，计算机一直 为少数精英所掌握，主要用于实验室里的数值求解。
第1章 嵌入式系统导论
在早期，由于嵌入式应用范围比较狭窄，大多用于工业 控制领域，人们还可以勉强将通用计算机通过改装、加固、 定制专业软件等方法，嵌入到大型系统中去实现嵌入式应用。 但随着经济、技术的高速发展，嵌入式应用越来越广泛，已 经深入到我们生活中的方方面面，小到彩电、空调、洗衣机、 手机，大到飞机、导弹、汽车等，嵌入式应用对计算机的功 能、体积、功耗、价格、重量、可靠性等方面的要求也越来 越苛刻，通过改造通用计算机的传统方法已远远不能胜任。 因此，嵌入式计算机不得不脱离通用计算机系统，走上独立 发展的道路。这就形成了现代计算机两大分支并行发展的时 期。
第1章 嵌入式系统导论
早在1614年，苏格兰人John Napier就发表论文公布他发 明了一种可以进行四则运算和方根运算的精巧装置。1848年， 英国数学家George Boole创立二进制代数学，为现代二进制 计算技术的发展铺平了道路。1937年，Bell试验室的George Stibitz展示了用继电器表示二进制的装置，尽管它是个展品， 但却是世界上的第一台二进制电子计算机。1946年2月15日， 名为ENIAC的计算机在美国诞生了，这是第一台现代意义 上的数字计算机，它的诞生具有划时代的意义，表明了现代 数字计算机时代的到来。在随后的近三十年里，计算机一直 为少数精英所掌握，主要用于实验室里的数值求解。
嵌入式八股文200页
嵌入式八股文200页第一章嵌入式的基本概念与发展趋势1.1 嵌入式的定义及特点嵌入式系统是以微型计算机技术为基础，集成在其他产品中，实现特定功能的计算机系统。
它具有体积小、功耗低、成本低、性能高等特点。
1.2 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛应用于消费电子、通信、汽车、医疗、工业控制等领域。
例如，智能手机、智能家居、车载导航系统等都是嵌入式系统的应用。
1.3 嵌入式系统的发展趋势随着科技的进步和人们对智能化产品的需求不断增加，嵌入式系统的发展呈现以下趋势：1.3.1 多核处理器的应用为提高系统性能和处理能力，嵌入式系统逐渐采用多核处理器，实现并行计算和任务分配。
1.3.2 网络连接能力的增强嵌入式系统通过网络连接，实现与云端数据的交互和远程控制，满足人们对智能化、互联网化的需求。
1.3.3 人工智能的集成随着人工智能技术的发展，嵌入式系统逐渐集成人工智能算法和模型，实现智能感知和决策能力。
第二章嵌入式系统的硬件设计与开发2.1 嵌入式系统的硬件组成嵌入式系统的硬件包括处理器、存储器、外设等。
处理器负责计算和控制，存储器用于存储数据和程序，外设用于与外部设备进行交互。
2.2 嵌入式系统的硬件设计流程嵌入式系统的硬件设计流程包括需求分析、系统设计、电路设计、PCB设计、原型制作等步骤，确保系统满足功能和性能要求。
2.3 嵌入式系统的开发工具与环境嵌入式系统的开发工具包括编译器、调试器、仿真器等，用于开发和调试嵌入式软件和硬件。
第三章嵌入式系统的软件设计与开发3.1 嵌入式系统的软件架构嵌入式系统的软件架构包括操作系统、驱动程序、应用程序等。
操作系统负责管理系统资源和调度任务，驱动程序用于控制外设，应用程序实现系统功能。
3.2 嵌入式系统的软件开发流程嵌入式系统的软件开发流程包括需求分析、系统设计、编码、测试、调试等步骤，确保软件的正确性和稳定性。
3.3 嵌入式系统的软件开发工具与技术嵌入式系统的软件开发工具包括编译器、调试器、仿真器等，技术包括C语言、汇编语言、RTOS等。
1-1 微型计算机系统概论
4位 8位 16位 32位
8次 4次 2次 1次
4. 位编号 为便于描述，对字节,字和双字中的各位进行编号。 从低位开始，从右到左依次为 0、1、2．．． 7 字节 1 6 0 5 1 4 0 3 0 2 0 1 1 0 0 数据Data 地址Address
← 编号
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0
计算机组成技术
主讲教师：吴 锐 哈工大计算机学院
1
关于课程
1.课程性质
是计算机基础教育系列课程的核心课程之一 是电类专业主干必修课
2
关于课程
2.课程任务
获得硬件方面的基本理论、基本知识、基
本技能；
培养从硬件和软件的结合上思考、分析、
解决问题的初步能力；
为进一步学习、应用相关新知识、新技术
13
世界上第一台计算机ENIAC
1946年2月，美国研制成功 ENIAC (Electronic Numberical Intergrator And Caculator，爱尼 克)。它由18000多个电子管、1500多个继电器 等组成，重30吨，耗电150千瓦，占地170平方 米，运算速度为每秒5000次。 从计算能力来看，不如现在的小计算器。
微型计算机系统是以微型 微型计算机是以微处理器 微处理器本身不是计算机， 计算机为核心，再配以相 为核心，加上由大规模集 不能独立工作,它是微型 应的外围设备、电源、辅 成电路制作的存储器（ROM 计算机的核心部件,包括 助电路和控制微型计算机 和RAM）、输入/输出接口 算术逻辑部件ALU,控制部 工作的软件而构成的完整 和系统总线组成的。它不 件和寄存器组三个基本部 计算系统。它可以独立工 是完整的计算系统，也不 分。 作，有实用意义。 能独立工作。
嵌入式系统及应用——第1章 嵌入式系统概论
–嵌入式的系统成本包括: • 一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本 • 产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等 • 批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产 品总量 • 每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成 本/产品总量+每个产品成本
嵌入式系统的应用程序可以没有操作 系统直接在芯片上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口， 用 户 必 须 自 行 选 配 RTOS （ Real － Time Operating System ）开发平台，这样才 能保证程序执行的实时性、可靠性，并 减少开发时间，保障软件质量。
课程的主要内容
• 嵌入式系统导论（概念、分类、发展 历程、特点、应用领域、发展趋势） • 嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式 微处理器，外围电路等） • 嵌入式软件系统（分类、特点、体系 结构、运行流程、操作系统、开发方 法） • 嵌入式系统领域的一些新动态和成果
教材
嵌入式系统原理及应用开发技术 （第2版），桑楠等，高教出版社，
（２）专用性强
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进 行系统的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进 行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合， 这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的 概念。
• POSIX 1003.b定义 能够在限定响 应时间内提供所需水平服务的计算机 系统 • 一般性定义 一个实时系统是指计 算的正确性不仅取决于程序的逻辑正 确性，也取决于结果产生的时间：如 果系统的时间约束条件得不到满足， 将会发生系统出错。
嵌入式系统的应用程序可以没有操作 系统直接在芯片上运行。 为了合理地调度多任务、利用系统资 源、系统函数以及和专家库函数接口， 用 户 必 须 自 行 选 配 RTOS （ Real － Time Operating System ）开发平台，这样才 能保证程序执行的实时性、可靠性，并 减少开发时间，保障软件质量。
课程的主要内容
• 嵌入式系统导论（概念、分类、发展 历程、特点、应用领域、发展趋势） • 嵌入式硬件系统（基本组成，嵌入式 微处理器，外围电路等） • 嵌入式软件系统（分类、特点、体系 结构、运行流程、操作系统、开发方 法） • 嵌入式系统领域的一些新动态和成果
教材
嵌入式系统原理及应用开发技术 （第2版），桑楠等，高教出版社，
（２）专用性强
嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系 统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进 行系统的移植。 即使在同一品牌、同一系列的产品中也需 要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 同时针对不同的任务，往往需要对系统进 行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合， 这种修改和通用软件的“升级”是完全不同的 概念。
• POSIX 1003.b定义 能够在限定响 应时间内提供所需水平服务的计算机 系统 • 一般性定义 一个实时系统是指计 算的正确性不仅取决于程序的逻辑正 确性，也取决于结果产生的时间：如 果系统的时间约束条件得不到满足， 将会发生系统出错。
第1章__计算机系统基础
36
1.3.2 指令和指令系统
指令：能被计算机识别并执行的二进制代码， 它规定了计算机能完成的某一种操作。
指令组成：操作码+操作数 指令系统：一台计算机所有指令的集合，包
括数据传送指令，数据处理指令，程序控制 指令，输入/输出指令和其他指令。
37
1.3.2 指令和指令系统
指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”， “指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成， 这个过程不断重复进行。
超级计算机集群“红杉”（Sequoia）
21
1.2.2 大型计算机
我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机， 2010年11月排名世界500强计算机第1名
“天河1号”计算机性能：
2560个计算节点，6144个3.0GHz的Intel Xeon处理 器，2560片显卡，内存总容量为98TB
点对点通信带宽：40Gbit/s 峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。
49
1.4.2 CPU系统
CPU的组成
50
1.4.2 CPU系统
英特尔公司CPU产品
酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本 微机。
至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。 凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。
51
1.4.2 CPU系统
CPU技术性能
系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高 速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。
（2）硬盘 机械硬盘和电子硬盘（SSD）
63
1.4.4 存储系统
机械硬盘和电子硬盘的比较
64
1.4.4 存储器系统
硬盘容量
320GB，500GB，1TB，2TB或更高。
硬盘尺寸
3.5英寸、2.5英寸等。
1.3.2 指令和指令系统
指令：能被计算机识别并执行的二进制代码， 它规定了计算机能完成的某一种操作。
指令组成：操作码+操作数 指令系统：一台计算机所有指令的集合，包
括数据传送指令，数据处理指令，程序控制 指令，输入/输出指令和其他指令。
37
1.3.2 指令和指令系统
指令的执行：主要由“取指令”，“指令译码”， “指令执行”，“结果写回”四种基本操作构成， 这个过程不断重复进行。
超级计算机集群“红杉”（Sequoia）
21
1.2.2 大型计算机
我国国防科技大学研制的“天河1号”计算机， 2010年11月排名世界500强计算机第1名
“天河1号”计算机性能：
2560个计算节点，6144个3.0GHz的Intel Xeon处理 器，2560片显卡，内存总容量为98TB
点对点通信带宽：40Gbit/s 峰值计算速度：每秒钟2570万亿次。
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1.4.2 CPU系统
CPU的组成
50
1.4.2 CPU系统
英特尔公司CPU产品
酷睿（Core）系列，主要用于台式微机和笔记本 微机。
至强（Xeon）系列，主要面向PC服务器。 凌动（Atom）系列，主要用于平板微机。
51
1.4.2 CPU系统
CPU技术性能
系统结构，指令系统，处理字长，工作频率，高 速缓存容量，加工线路宽度，工作电压等。
（2）硬盘 机械硬盘和电子硬盘（SSD）
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1.4.4 存储系统
机械硬盘和电子硬盘的比较
64
1.4.4 存储器系统
硬盘容量
320GB，500GB，1TB，2TB或更高。
硬盘尺寸
3.5英寸、2.5英寸等。
第1章计算机基础知识
1. 计算思维概念
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问 题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖 计算机科学之广度的一系列思维活动。
2. 计算思维的特征
把一个复杂的问题转化为若干简单问题的多次 重复 。
10
1.2 计算机中信息的表示
一、数制的定义
1. 进位计数制 按进位的方式计数的数制称为进位计数制。 在日常生活中存在着多种进位计数制，人们使用最多的 是十进制。在十进制数进位运算中，采用“逢十进一”； 一年有12个月，采用的是十二进制。 2. 位权 位权是指一个数字在某个固定位置上所代表的值，简称 “权”。 例如：十进制数358=3*102+5*101+8*100。 位权的值是基数的若干次幂10n。
整数部分 8 68 8 8 取余 4 0 1 ͯ ͯ 小数部分 0.4375 8 3.50 8 4.0
8 1
0
21
例1-6:将十进制(2347)10转换为十六进制数
整数部分 16 2347 取余 11
16 146
16 9
0
2
9
22
3. 二进制数与十六进制数之间的转换
【例】：将[111101.010111]2 =[0011 1101.0101 1100]2 =[3D.5C]16
• 计算机发展的4个时代
分代 第一代 第二代 第三代 时间 1946~1953 1954~1963 1964~1970 主要电子器件 电子管 晶体管
中小规模
技术特点
穿孔卡片，机器
语言和汇编语言
磁盘，高级语言，
科学计算，中小型 计算机 大型化，集中式计 算，远程终端 超大型化，微机化， 嵌入式，图形用户 界面，多媒体，网 络通信
计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问 题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖 计算机科学之广度的一系列思维活动。
2. 计算思维的特征
把一个复杂的问题转化为若干简单问题的多次 重复 。
10
1.2 计算机中信息的表示
一、数制的定义
1. 进位计数制 按进位的方式计数的数制称为进位计数制。 在日常生活中存在着多种进位计数制，人们使用最多的 是十进制。在十进制数进位运算中，采用“逢十进一”； 一年有12个月，采用的是十二进制。 2. 位权 位权是指一个数字在某个固定位置上所代表的值，简称 “权”。 例如：十进制数358=3*102+5*101+8*100。 位权的值是基数的若干次幂10n。
整数部分 8 68 8 8 取余 4 0 1 ͯ ͯ 小数部分 0.4375 8 3.50 8 4.0
8 1
0
21
例1-6:将十进制(2347)10转换为十六进制数
整数部分 16 2347 取余 11
16 146
16 9
0
2
9
22
3. 二进制数与十六进制数之间的转换
【例】：将[111101.010111]2 =[0011 1101.0101 1100]2 =[3D.5C]16
• 计算机发展的4个时代
分代 第一代 第二代 第三代 时间 1946~1953 1954~1963 1964~1970 主要电子器件 电子管 晶体管
中小规模
技术特点
穿孔卡片，机器
语言和汇编语言
磁盘，高级语言，
科学计算，中小型 计算机 大型化，集中式计 算，远程终端 超大型化，微机化， 嵌入式，图形用户 界面，多媒体，网 络通信
嵌入式课件(ppt)
1.1 嵌入式系统简介
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本 身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人 员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入 式系统的含义、特点等，以使读者加深对嵌入式系统的理解。
§1.1.1 嵌入式系统的定义 §1.1.2 嵌入式系统的组成 §1.1.3 嵌入式系统的特点 §1.1.4 嵌入式系统的应用 §1.1.5 嵌入式系统的发展
由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、 具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
第1章 嵌入式系统设计基础
4
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分： 硬件。图1.1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心； 存储器（ROM、RAM）用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出设备完成 与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来 实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）。该系统用来管理应 用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要 求。
由于对嵌入式系统含义的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也 不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义：
“Computer as Components – Principles of Embedded Computing System Design”一书的作者Wayne Wolf认为：“什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定 义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。”
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本 身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人 员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入 式系统的含义、特点等，以使读者加深对嵌入式系统的理解。
§1.1.1 嵌入式系统的定义 §1.1.2 嵌入式系统的组成 §1.1.3 嵌入式系统的特点 §1.1.4 嵌入式系统的应用 §1.1.5 嵌入式系统的发展
由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、 具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
第1章 嵌入式系统设计基础
4
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分： 硬件。图1.1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心； 存储器（ROM、RAM）用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出设备完成 与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来 实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）。该系统用来管理应 用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要 求。
由于对嵌入式系统含义的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也 不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义：
“Computer as Components – Principles of Embedded Computing System Design”一书的作者Wayne Wolf认为：“什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定 义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。”
嵌入式系统基础知识
存储器 输入 输出 硬件 结构
处理器
嵌入式系统软件平台
在设计简单的应用程序时,可以不使用操作系 统,但在设计较复杂的程序时,可能就需要一个 操作系统来管理和控制存储器、多任务和各种 资源等. 实时嵌入式系统其最大特点就是程序的执行具 有确定性。μC/OS和μC Linux是广泛应用的实 时嵌入式操作系统，而WindowsCE2.0就是一个 多任务分时系统。
2) 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主
要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公 设备、汽车及军事电子设备等系统。
单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能 都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器。
MCU (Microcontroller Unit)。
单片机特点： （1）体积小，重量轻；
1
嵌入式系统的定义及体系结构 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机
4 单片机的基本组成
5 嵌入式系统开发流程
应用场合
汽车电子 消费电子 工业控制
网络应用 无线通讯
Freescale™ and the Freescale logo are trademarks of Freescale Semiconductor, Inc. All other product or service names are the property of their respective owners. © Freescale Semiconductor, Inc. 2005
家用电器：洗碗机，洗衣机，电 视。。。。 手持电子：蓝牙耳机，游戏机，PDA 娱乐产品：数码音乐，CD，DC，DV 计算机外围：LCD，Mouse，Keyboard
处理器
嵌入式系统软件平台
在设计简单的应用程序时,可以不使用操作系 统,但在设计较复杂的程序时,可能就需要一个 操作系统来管理和控制存储器、多任务和各种 资源等. 实时嵌入式系统其最大特点就是程序的执行具 有确定性。μC/OS和μC Linux是广泛应用的实 时嵌入式操作系统，而WindowsCE2.0就是一个 多任务分时系统。
2) 单片机（嵌入式应用）属于专用计算机，主
要用于智能仪表及传感器、智能家电、智能办公 设备、汽车及军事电子设备等系统。
单片机是应工业测控的需要而诞生的,它的结构与指令功能 都是按照工业控制要求设计的,故又称单片微控制器。
MCU (Microcontroller Unit)。
单片机特点： （1）体积小，重量轻；
1
嵌入式系统的定义及体系结构 2 嵌入式系统的应用领域 3 什么是单片机
4 单片机的基本组成
5 嵌入式系统开发流程
应用场合
汽车电子 消费电子 工业控制
网络应用 无线通讯
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家用电器：洗碗机，洗衣机，电 视。。。。 手持电子：蓝牙耳机，游戏机，PDA 娱乐产品：数码音乐，CD，DC，DV 计算机外围：LCD，Mouse，Keyboard
1微型计算机基础知识
输入设备
存储器
运算器
输出设备
控制器 计算机基本组成框图
① 输入设备：人机器，键盘、鼠标等； ② 输出设备：机器人，显示器、打印机等； ③ 存储器：存放数据、程序代码的设备。
(1) 分类：内存、外存(磁盘、光盘)； (2) 单位：1存储单元大小=1字节(Byte)＝8位(Bit) (3) 寻址：1个单元 地址编号 (4) 容量：“字节数×位数”或“**K”字节
大规模集成电路计算机(第四代)：微 型计算机；巨型计算机；计算机网络 与分布式处理；软件工程；数据库技 术；人工智能；应用深入到人类生活 的各个领域；
第五代计算机：光子计算机、DNA分 子计算机、人工智能等。
§1.1 计算机发展简史
计算机的特点： 自动运算； 运算速度快； 运算精度高； 具有记忆和逻辑判断能力； 通用性强。
§1.4 数制及码制
2、数制之间的转换 (1) 二进制转换为十进制 将二进制按权展开相加。 例：将二进制数10110.111转换为十进制
§1.4 数制及码制
(2)十进制数转换为二进制数 对十进制的整数部分采用“除2取余法”； 对十进制的小数部分采用“乘2取整法”。 例：将十进制数67.625转换为二进制
87C196KB 87C196KC
§1.2 单片机发展概况
3、单片机的特点
① 体积小、功能全面； ② 可靠性高：总线在片内抗干扰；体积小易于进行电
磁屏蔽处理。 ③ 使用方便：硬件设计简单；开发工具及资料很全。 ④ 性价比高：印制板小、接插件少、调试简单。 ⑤ 易于产品化：适用于工业环境、开发周期短。
§1.1 计算机发展简史
电子计算机的分类: 按处理对象分：电子模拟计算机；电子
数字计算机；混合计算机 按性能规模分：巨型机；大型机；中型
计算机复习资料
第1 章：1、计算机的分类：（1）高性能计算机；（2）微型计算机；（3）嵌入式计算机微型计算机又称个人计算机（PC）2、嵌入式系统嵌入式系统是将微机或某个微机核心部件安装在某个专用设备之内，对这个设备进行控制嵌入式系统和管理，使设备具有智能化操作的特点。
嵌入式系统举例：嵌入式系统举例：手机、、A TM 机（自动柜员机）、全自动洗衣机、数字电视机、数码照像机等。
3、计算机硬件计算机硬件计算机硬件是构成计算机实体的看得见摸得着的东西，如元器件、电路板、零部件等物理实体和物理装置。
4、通常称未装备任何软件的计算机未装备任何软件的计算机为“裸机” 未装备任何软件的计算机5、（1）应用软件应用软件：如：办公自动化软件Office、WPS；图形图像软件Photoshop、AutoCAD；应用软件动画制作软件Flash、3D；网页制作软件FrontPage、Dreamweaver；多媒体创作软件Authorware；压缩软件WinZip、；WinRAR；媒体播放软件RealPlayer、Windows Media Player、超级解霸等；防毒杀毒软件金山毒霸、瑞星杀毒等；图片浏览软件ACDSee；即时通信软件QQ 等。
（2）系统软件有系统软件有：操作系统、程序语言处理系统、数据库系统等。
系统软件有1）操作系统有Windows、DOS、Linux 和Unix 等；2）计算机语言处理程序如:Basic、Fortran、pascal、C、C++、COBOL、JA VA …… 等；3）数据库管理系统有SQL Server、Foxbase+、Foxpro、等。
6、常用的压缩文件的软件：WinZip、WinRAR 。
7、网页制作软件：FrontPage、Dreamweaver。
8、网页浏览软件IE；9、计算机的应用计算机的应用：（1）科学计算（数值计算）；（2）数据处理；（3）辅助工程（计算机计算机的应用辅助设计CAD,计算机辅助制造CAM、计算机辅助教育CBE）；（4）过程控制；（5）人工智能10、计算机采用二进制主要原因：（1）二进制只有0 和1 两种状态，容易找到表示两个稳定稳定状态的电子元件；（2）二进制的0 和1 可以与逻辑代数中的“真”和“假”对应，便于进行逻辑运算。
第1章MC基础
• 应用软件（即应用程序）是为了完成某 一特定任务而编制的程序，其中有一些 是通用的软件，如数据库系统（DBS）、 办公自动化软件Office、图形图像处理 软件PhotoShop等。
硬件和软件的关系
• 微机系统是硬件和软件有机结合的整体。 计算机的硬件和软件是密可不分但又相 互独立的。 • 硬件是基础 • 软件是灵魂
• • • • • • •
地址线总线： 三态单向 A15～A0 1K=1024 数据线： 三态双向 D7～D0 控制线： /READ(/RD)、/WRITE(/WR) 三态门:
二、MC的软件概述
• 计算机能够脱离人的直接控制而自动地 操作与运算，还必须要有软件。 • 软件是指使用和管理计算机的各种程序 （Program），而程序是由一条条指令 （Instruction）组成的。 • 程序的集合构成了计算机中的软件系统。
第1章 微型计算机基础
以微处理器为核心，配上大容 量的半导体存储器及功能强大的可 编程接口芯片，连上外设及电源所 组成的计算机，称为微型计算机， 简称微型机或微机，有时又称为 PC（Personal Computer）或 MC（Micro Computer）。 微机加上系统软件，就构成了 微型计算机系统（MCS--微机系 统）。
1、单片机的特点
• • • • • 单片机的抗干扰性强，工作温度范围宽。 可靠性高。 控制功能往往很强，数值计算能力较差。 指令系统比通用微机系统简单。 更新换代速度比通用微机处理器慢得多。
2．单片机的应用
• • • • • • 智能仪表 机电一体化 实时控制 军工领域 分布式多机系统 民用电子产品
四、MC发展趋势
• • • • • • 多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术
硬件和软件的关系
• 微机系统是硬件和软件有机结合的整体。 计算机的硬件和软件是密可不分但又相 互独立的。 • 硬件是基础 • 软件是灵魂
• • • • • • •
地址线总线： 三态单向 A15～A0 1K=1024 数据线： 三态双向 D7～D0 控制线： /READ(/RD)、/WRITE(/WR) 三态门:
二、MC的软件概述
• 计算机能够脱离人的直接控制而自动地 操作与运算，还必须要有软件。 • 软件是指使用和管理计算机的各种程序 （Program），而程序是由一条条指令 （Instruction）组成的。 • 程序的集合构成了计算机中的软件系统。
第1章 微型计算机基础
以微处理器为核心，配上大容 量的半导体存储器及功能强大的可 编程接口芯片，连上外设及电源所 组成的计算机，称为微型计算机， 简称微型机或微机，有时又称为 PC（Personal Computer）或 MC（Micro Computer）。 微机加上系统软件，就构成了 微型计算机系统（MCS--微机系 统）。
1、单片机的特点
• • • • • 单片机的抗干扰性强，工作温度范围宽。 可靠性高。 控制功能往往很强，数值计算能力较差。 指令系统比通用微机系统简单。 更新换代速度比通用微机处理器慢得多。
2．单片机的应用
• • • • • • 智能仪表 机电一体化 实时控制 军工领域 分布式多机系统 民用电子产品
四、MC发展趋势
• • • • • • 多级流水线结构 芯片上存储器管理技术 虚拟存储技术 并行处理的哈佛结构 RISC结构 整片集成技术
第一章 微型计算机基础教案PDF(1)
N=8/16: 1010 0100B / 1011 1010 0011 0001B
本课程:n=8/16/32位: 0A4H, 0BA31H
0BA31A4A4H
微机系统与接口
东南大学 7
数制：数的表示和运算
不同的基(Base):
十进制（Decimal)
Di=0~9
八进制（Octal Q) Di=0~7
国家级精品课程
《微机系统与接口》
Microcomputer Systems and Interfaces
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微型计算机原理及应用
计划学时
48
主讲教师:
马旭东
联系方式: 13809022379/ 83795360/83793291
xdma@
配套实验课程: 微机实验及课程设计 (48学时)
+1010 1011 0101 0110B +AB56H
1 0101 1100 0111 0010B 15C72H
减运算 1011 0001 0001 1100B B11CH
-1010 1011 0101 0110B -AB56H
0000 0101 1100 0110B 05C2H 十六位模10000H(65536),正负数Î补码(Complement)
定点运算: 处理器整数处理功能
浮点运算: 仿真运算/协处理器运算
相关内容自学(含8087协处理器FPU)
微机系统与接口
东南大学 21
DLE 数据链换码
0 NUL DLE SP 0 @ P ` P SOH 标题开始 DC1 设备控制1
1 SOH DC1 ! 1 A Q a Q STX 正文结束 DC2 设备控制2
第一章 微型计算机基础知识
3、控制器（Control unit ）
它是计算机的控制中心，根据程序中的命令发出各 种控制信号，协调计算机内部以及主机与外设工作的各 种关系。 有两个主要功能： 一个是控制程序的运行； 另一个是对不同的外部事件做出相应响应的能力。 （这些外部事件是指：复位、停机、中断请求、总线请 求、总线周期延长等）
A0 A1 A2 A6 A7 RD 控制 WR D0 D1 D6 D7 存储器
1.1.2 中央处理器、微处理器和微控制器 在计算机中，通常把运算器和控制器以及数量不等 的寄存器作成一个独立部件，用一片VLSI实现，称为中 央处理器，缩写为CPU ( Central Processing Unit )，如 图1.2所示。
1.1.3 微型计算机系统的组成 微型计算机系统由硬件和软件两部分组成。 1．硬件部分 硬件部分包括主机和外部设备。 (1)主机包括CPU、内存储器、I／O接口、总线和 电源。 (2)外部设备包括输入设备和输出设备。 2．软件部分 软件部分包括系统软件和应用软件。 (1)系统软件 系统软件包括操作系统、程序设计语言的编译程 序和其他程序 (2)应用软件（或称用户软件）
5、总线（BUS）
现代的计算机系统广泛采用总线(Bus)结构。总线 是计算机各部件间传送信息的公共通路。 各部件分时复用总线，以保证数据、地址、指令和 控制信息在各部件之间 的传送。 有了总线结构以后， CPU 系统中各功能部件之间 的相互关系变为各个部 件面向总线的单一关系。 一个部件只要满 足总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统 中去。
指令部件的构成如图1.4所示。
1.2.2 CPU内的寄存器 各种CPU内都包含数量不等的寄存器，它们可用于 暂存数据，做存储器I／O地址指针、计数器以及存放程 序运行的各种状态，如程序状态字寄存器(PSW： Program Status Word)或简称状态寄存器(SR)或标志 寄存器(FR)等。 由于CPU内部的寄存器的存取速度远比存储器快， 所以，寄存器用于暂时存储程序重复使用的数据、变量 和中间结果，可以大大提高程序的运行速度。 而寄存器数量的多少也是衡量CPU功能强弱的重要 指标之一。
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6
1.2
数字电路与计算机
数字电子计算机——是一种用电子装 置构成，能够按照机器操作者输入的命令 进行数字信息处理的机器。
从功能上看，它具有两个基本功能： 一是表示和存储数字数据的功能；二是对 数字数据进行运算的功能。
7
从物理构成的角度来看，它是一种由 数字电子器件和电路构成运算装置。 1.2.1 数据在计算机中的表示——二进制
第 1章
微型计算机基础知识 3学时
本章的主要内容
1、数字电子电路是计算机硬件的基础
2、二进制数制及机器数 3、有符号数的表示及溢出的概念 4、储器的基本电路及其作用，存储器 存储单元的编址
1
5、运算器、控制器的基本概念 6、指令及指令系统，计算机程序的执行 过程 7、计算机的硬件组成 8、CISC和RISC架构 9、微型计算机的桌面系统应用与嵌入式 应用
2
1.1
微型计算机的发展历程
计算机的发展经历了电子管、晶体管、 集成电路、大规模集成电路和超大规模集 成电路等几个阶段。
计算机可分为巨型机、大型机、中 型机、小型机和微型机五类。 人们接触最多的是被叫做“微机” 的微型计算机。
3
微型计算机出现在20世纪70年代。 1971年，以Intel公司设计的世界上第一 个微处理器芯片Intel 4004为标志，数字 电子计算机的发展便进入了微型计算机时 代。 在短短的几十年经过了从第一代到第 五代的发展历程：
ADD
1.2.5
A，[0X22E]
程序及程序计数器PC
1、程序及程序的首地址
17
（1）什么叫程序 为完成一个完整的运算任务，按执行 步骤用计算机指令编写的指令集合就叫做 计算机程序。 （2）什么叫程序首地址 把程序第一条指令所在的存储单元地 址叫做程序的起始地址，或首地址。
18
2、程序计数器PC
21
（1）计算机由运算器、存储器、控制器、 输入设备和输出设备五部分组成。 （2）指令与数据以同等地位存放在存储 器中，并可按地址对它们进行访问。 （3）指令在存储器中顺序存放。 （4）机器以运算器为中心，数据的传输 必须经过运算器。
22
23
1.3.2
计算机的硬件组成
由于运算器和控制器在逻辑和电路上 结合非常紧密，在大规模集成电路制作工 艺出现之后，这两个部件通常被制作在同 一个芯片上，这个芯片叫做中央处理器 （Central Processing Unit），简称CPU 或处理器。
4
（1）第一代是以4004、4040和8008微处 理器为代表的字长为4位和8位的微型计算 机。
（2）第二代是以微处理器Z80、I8085、 M6800和Apple-Ⅱ等为代表的中高档8位 机。
（3）第三代是以8086、8088、80286微 处理器为代表的16位机。
5
（4）第四代是以80386、80486、Pentium、 Pentium Ⅱ、Pentium Ⅲ、 Pentium Ⅳ等 微处理器为代表的32位机。 （5）第五代则是以Itanium、 MIPS和其 它具有精简指令架构（RISC）的微处理器 为代表、目前正在飞速发展的64位机。
用“0”和“1”来表示，以“逢2进1” 为加法运算规则，以“借1当2”为减法规 则的二进制数制。 1.2.2 运算器及二进制运算
8
计算机的核心任务是进行数的运算， 该功能是由一个叫做“算术逻辑单元 （ALU）”的电路来实现的。
1、算术逻辑运算单元ALU的概念 最基本的算术运算是加法运算，其他 各种运算都可以通过加法运算来完成，因 此二进制数的加法运算就是计算机的核心 运算功能。
9
半加器、全加器、程序状态寄存器等 概念。 2、机器数 二进制数也常常被叫做机器数。 凡使用机器来计数的装置都有一个共 同的特点：它们的字长是有限的，或者说 它们的计数范围是有限的，即当计数计到 最大值再进行加法计数时，其和返回（回 卷）到0重新计数。
10
3、有符号数的机器数表示及其运算 （1）真值 把有符号数所对应的十进制值叫做机 器数的真值。
（2）反码 就是把一个二进制数按位取反所得到 的数码。
11
（3）补码 （4）溢出 程序状态寄存器。 4、二进制数据的十六进制表示 二进制、八进制、十进制、十六进制。 1.2.3 数据的存储
12
1、存储器的基本电路 原则上说，任何能接收并保存数字信 号的装置都可以作为计算机的存储装置。 而数字电路中的双稳态电路就是这样一种 可以存储二进制信息的装置。
计算机有一个存放程序首地址的存 储装置，这个存储装置就叫做程序计数器， 或PC。
3、指令的执行过程 分为三个阶段：取指令、译码指令 （分析指令）、执行指令。
19
1.2.6
计算机指令程序的过程
20
1.3
微型计算机系统的基本组成
计算机系统由物理设备构成的硬件部 分和由各种程序构成的软件部分组成。 硬件部分叫做计算机的硬件系统，软 件部分叫做计算机的软件系统。 1.3.1 冯.诺依曼计算机结构 1945年数学家冯.诺依曼提出的，这 种计算机有如下主要特点：
计算机硬件系统的框图如下所示：
24
25
CPU和存储器合起来又叫做主机。 1、中央处理器CPU 除了存储器之外的所有功能模块被集 中制作成一个复杂的数字电子部件，它是 计算机系统的核心部分，所以把叫做“中 央处理器”，简称CPU。 除了CPU、存储器之外，还有寄存器； 寄存器大体上分为两类：
13
2、存储器及存储单元的地址
由存储单元组成的存储装置叫做存储 器。 译码器实现了存储单元的编码，这 个编码就叫做存储单元的地址。 1.2.4 指令及指令译码
1、指令
14
所谓指令，就是向系统发出的、指示 系统做某种操作的命令。 由于计算机只能用二进制形式的编码 来表示指令，所以也把指令叫做代码。 2、指令译码、控制器及指令集
（1）指令译码 由指令译码器完成，它负责对指令进 行解释和翻译。
15
（2）控制器 发出控制信息，指挥运算器和存储器 协同完成指令所要求的操作。
（3）指令集 凡是计算机系统的指令译码器所能 解释的指令，就是该系统所能够使用的 合法指令，这些合法指令的集合叫做这 个计算机系统的指令集。
16
3、指令的助记符 常常用一些有一定语义的英文缩写来 表示一条指令的操作码，并把指令按一定 的格式进行书写。