微处理器分类和应用

微处理器(Processor)分类和应用

处理器的简史 (2)

计算机系统简介 (2)

系统是一种根据固定的计划、程序或者规则进行工作，组织或者执行一项或多项任务的组织结构。 (2)

而计算机系统是一个包含以下或者更多硬件组成部分，可以完成种类多样的特定任务的组织结构。 (2)

（1）：微处理器 (2)

（2）：存储器 (2)

（a）：主存储器（半导体存储器—RAM、ROM、以及可快速访问的高速缓存） (2)

（b）：辅助存储器(硬盘，光存储器等) (2)

（3）：输入单元，开关，鼠标等 (2)

（4）：输出单元，LED，显示器等 (2)

系统中的处理器 (3)

1．处理器的结构 (3)

2．处理器的内部构造 (5)

3．通用处理器的分类介绍 (6)

4．处理器周边硬件电路介绍 (9)

5．处理器的结构单元 (11)

随着时代的发展，我们的生活与电子产品的联系越来越密切。今天，微处理器已经无处不在，无论是录像机、智能洗衣机、移动电话等家电产品，还是汽车引擎控制，以及数控机床、导弹精确制导等都要嵌入各类不同的微处理器。微处理器不仅是微型计算机的核心部件，也是各种数字化智能设备的关键部件。国际上的超高速巨型计算机、大型计算机等高端计算系统也都采用大量的通用高性能微处理器建造。

处理器的简史：

计算机系统的思想并不是新的，远在公元前500年巴比伦人发明了用串珠实现计算功能的工具用来管理粮食。

1889年，Herman Hollerith研制了存储数据的穿孔卡片和使用卡片的计算器。这引起了英国政府的兴趣，并使用此工具存储了1890年的人口普查的数据。

1896年Hollerith创建的Tabulating Machine Company, 经过多次合并后成为了现在的

I nternational B ossiness M achines Corporation, 现在称为IBM.

第一台通用可编程计算机是由宾西法尼亚大学研制的ENIAC.

1971年，英特尔公司推出了世界上第一款微处理器4004。4位微处理器。随后英特尔又推出了8008。1974年，8008发展成8080,成为第二代微处理器。8080作为代替电子逻辑电路的器件被用于各种应用电路和设备中，如果没有微处理器,这些应用就无法实现。1985年10月17日，英特尔划时代的产品——80386DX正式发布了，其内部包含27.5万个晶体管，时钟频率为

12.5MHz，后逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz，最后还有少量的40MHz产品。

2000年英特尔公司发布基于超线程技术的奔腾4处理器。尽管不是真正意义上的双核，但这种开创性的理念拉开了多核时代的大幕。

计算机系统简介

系统是一种根据固定的计划、程序或者规则进行工作，组织或者执行一项或多项任务的组织结构。

而计算机系统是一个包含以下或者更多硬件组成部分，可以完成种类多样的特定任务的组织结构。

（1）：微处理器

（2）：存储器

（a）：主存储器（半导体存储器—RAM、ROM、以及可快速访问的高速缓存）

（b）：辅助存储器(硬盘，光存储器等)

（3）：输入单元，开关，鼠标等

（4）：输出单元，LED，显示器等

小型计算机系统硬件构成

系统中的处理器

1．处理器的结构

处理器(processor)是计算机系统中的核心。绝大多数处理器的硬件设计主要是基于以下两种结构:

冯.诺伊曼结构与哈佛结构。

冯.诺伊曼结构

冯.诺伊曼结构主要有以下3个关键概念： （1）：数据与指令存储在单一的读写存储器中； （2）：存储器的内容通过位置寻址，而不考虑它容纳的数据是什么； （3）：以顺序的形式从一条指令到下一条指令来（除了使用跳转指令）执行。

在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。对冯.诺曼结构处理器，由于取指令和存取数据要从同一个存储空间存取，经由同一总线传输，因而它们无法重叠执行，只有一个完成后再进行下一个。

输出设备驱动电路

处理器

程序存储器和数据存

储器

定时器

MPU 串口

中断控制器

总线控制器

输入设备驱动电路

电源回路，Reset 回路

系统专用电路ASIC

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。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行）。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储的，执行时可以预先读取下一条指令。

哈佛结构的目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈。

其主要的架构为

哈佛结构

哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间毫无关联。

后来，又提出了改进的哈佛结构

改进型哈佛结构

改进型哈佛结构使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；

具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与CPU之间的数据传输；两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用。

冯.诺伊曼结构与哈佛结构效率比较：

冯.诺伊曼结构执行指令

哈佛结构执行指令

冯.诺伊曼结构与哈佛结构存储器使用率比较：

在通用计算机系统中，应用软件的多样性使得计算机要不断地变化所执行的代码的内容，并且频繁地对数据与代码占有的存储器进行重新分配，这种情况下，冯.诺伊曼结构占有绝对优势，因为统一编址可以最大限度地利用资源，而哈佛结构的计算机如果应用于这种情形下则会对存储器资源产生理论上最大可达50%的浪费，这显然是不合理的。

总结：相对于冯·诺依曼结构，哈佛结构更加适合于那些程序固化、任务相对简单的，对数据处理时间有苛刻要求的嵌入式控制系统中。

而冯·诺依曼结构的处理器更适用与通用处理系统中。

2．处理器的内部构造

Processor主要有两个基本单元:：程序流控制单元(CU)和执行单元(EU)。CU中包含了一个取指令单元，用于从存储器中取指令。EU中含有执行指令的电路，用于数据转移操作以及数据从一种形式的转换操作。EU包含算术逻辑单元(ALU) Arithmetic Logic Unit，还包含执行程序控制任务指令的电路，例如挂起、中断或者跳转到其他指令集。它还可以执行调用或者跳转到另外一个程序并进行函数调用。

处理器一般是IC芯片的形式，它也可以是ASIC或者SOC中的一个核。

核是VLSI(Very Large Scale Integrated circuit)芯片上功能电路的一部分。

微处理器芯片可以是下列之一：

（1）：通用处理器GPP(General Purpose Processor)

(a): 微处理器

(b): 微控制器

(c): 嵌入式处理器

(d): 数字信号处理器DSP(Digital Signal Processor)

（2）：作为附加处理器的专用系统处理器ASSP

（3）：使用通用处理器以及专用指令处理器的多核处理器

（4）：嵌入到一个专用集成电路(ASIC)中或者一个大规模继承电路(VLSI)中的核，或者VLSI芯片中集成了处理器单元的FPGA(Field-Programmable Gate Array)。