微处理器系统原理与应用-1

位模式的地址
• 如果一个处理器系统有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)
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
寄存器 R0 R1 R2 R3 Rn 算术逻辑单元
PC 控制单元 IR
微处理器
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
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 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
指令与数据
• 示例
– 0xF04F0001
• 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）
– 0x4601
• 数据
– 16位数，值为17921
• 指令
– 16位指令 – MOV r1, r0（将寄存器r0值赋给寄存器r1）
• 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。
0x20001000 0x20001001 0x20001002 0x20001003 0x20001004 0x20001005 0x20001006 0x20001007 0xfe 0xdc 0xba 0x98 0x76 0x54 0x32 0x10
0x10325476 0x98ba 0xfe 0xdc
– 0xff01
• 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。
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
微处理器系统
输入数据 输出数据
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
程序
微处理器系统
输入数据 输出数据
微处理器系统
• 信息数据处理系统
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
存储器
地址总线
处理器
数据总线
…
控制总线
键盘 控制器
显示 控制器
磁盘 控制器
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
– 低字节保存在低地址，高字节保 存在高地址
0x20001000 0x20001001 0x20001002 0x20001003 0x20001004 0x20001005 0x20001006 0x20001007 0xfe 0xdc 0xba 0x98 0x76 0x54 0x32 0x10
0x10325476 0x98ba 0xfe 0xdc
• 四字节
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
微处理器系统构架
• 字长
– 内部寄存器的位 数，一次数据处 理能力
程序存储器
• 总线
– 访问存储单元所 需的所有电信号
• 地址 • 数据 • 控制
逻 辑 控 制 寄 存 器 组 指令译码 指令访问 P C 自 加 器 寄存器组
• 外部设备
– 输入和输出 设备 – 内部寄存器 输入 组构成接口， 供访问。
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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
数值的类型
• 字节 • 双字节
– 8位（B7B6B5B4B3B2B1B0）
– 16位（ B15-B8 B7-B0） – 高字节：B15B14B13B12B11B10B9B8 – 低字节： B7B6B5B4B3B2B1B0 – – – – – 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： B7B6B5B4B3B2B1B0
算术逻辑单元 寄 存 器 输出 组 总线
数据访问
数据存储器
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。
存储 （算法）
获取 （输入）
加工 （处理）
显示 （输出）
存储 （数据）
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
微处理器系统
输入/输出子系统 输入数据 算术逻辑单元 存储器 控制单元 输出数据
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
• 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 K（Kilometers） M（Mega） G（Giga） T（Tera） P（Peta） 通常意义 103 106 109 1012 1015 实际表示 210=1024 220=1048576 230=1073741824 240=1099511627776 250=1125899906842624
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
存储器 中央处理器 （CPU）
…
输入/输出子系统
存储器
存储单元地址
• 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
78H 9FH
„
00000H 00001H
„
46H DFH 6CH
„
0011FH 00120H 00121H
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
• 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
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
0xfe地址为0x20001000 0xdc地址为0x20001001 0x98ba地址为0x20001002 0x10325476地址为 0x20001004
– 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
„
98H 65H 5EH A6H 66H
„
E 8009H E800AH E800BH E800CH E800DH
„
6FH
FFFFFH
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
• 十进制
– 0－9共十个数字组合表达一个数值 – 常用于编程使用
• 十六进制
– 0－9、A、B、C、D、E、F共十六个数字和字母 组合表达一个数值，以0x为前辍 – 常用于编程使用