微处理器原理与应用(一).ppt

单片机 单片机诞生于1971年，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上发展出了MCS51系列MCU系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。 而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。高端的32位Soc单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。 当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。 P8051单片机 计算机系统的组成结构 计算机系统的硬件构成 CPU硬件设计结构 冯·诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同 冯·诺依曼体系结构 冯·诺依曼体系结构由以下几个关键概念： 1）计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成； 2）数据与指令存储在单一的读写存储器中； 3）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； 4）以顺序的形式从一条指令到下一条指令来执行（跳转指令除外）。 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·诺依曼结构处理器由于取指令和存取数据需要从同一存储空间存取，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。 CPU硬件设计结构 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。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的四条总线，即程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线， CPU硬件设计结构 改进型哈佛结构仍然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。改进型哈佛结构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。 硬件体系结构·总结 体系结构与采用的独立与否的总线无关，与指令空间和数据空间的分开独立与否有关。51单片机虽然数据指令存储区是分开的，但总线是分时复用得，所以属于改进型的哈佛结构。ARM9虽然是哈佛结构，但是之前的版本(ARM7)也还是冯·诺依曼结构。早期的x86能迅速占有市场，一条很重要的原因，正是靠了冯·诺依曼这种实现简单，成本低的总线结构。现在的处理器虽然外部总线上看是冯·诺依曼结构，但是由于内部cache的存在，因此实际上内部来看已经很类似于改进型哈佛结构了。由于哈佛结构复杂，对外围设备的连接与处理要求高，不适合外围存储器的扩展，所以早期通用CPU难以采用这种结构。而嵌入式CPU内部集成了所需存储器，所以便于采用哈佛结构，现在的处理器依托cache的存在，已经很好的将二者统一起来了。 存储器（memory） 存储器是计算机的记忆部件。人们编写的程序（由指令序列组成）就存放在这里。它也可以存放程序中所用的数据、信息及中间结果。存储器的主要功能是用来保存各类程序的数据信息。 存储器分为主存储器和辅助存储器两类： 主存储器（也称为内存储器），属于主机的一部分。用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时存储器； 辅助存储器（也称外存储器），它属于外部设备。用于存放暂不用的数据和程序，属于永久存储器。 输入输出（I/O）子系统 输入输出子系统一般包括输入输出设备及大容量存储器两类外部设备。输入输出设备是指负责与计算机的外部世界通信用的输入、输出设备，如显示终端、键盘输入、打印输出等多种类型的外部设备。大容量存储器则是指可存储大量信息的外部存储器，如磁盘、磁带、光盘等。机器内部的存储器则称为内存储器，简称内存，由于内存的容量有限，所以计算机用外存储器作为内存的后援设