嵌入式系统2（嵌入式系统基础知识）.ppt

西安电子科技大学计算机学院 嵌入式系统 第二讲 嵌入式系统的基本知识 本节内容 计算机基础知识回顾 领悟硬件的本质 领悟软件的本质 嵌入式系统开发过程 2.1 基础知识回顾 2.1.1 数的进制 日常生活中常采用十进制 正如亚里士多德早就指出的那样，今天十进制的广泛采用只不过我们绝大多数人生来具有10个手指头这个解剖学事实的结果，尽管在历史上手指计数（5，10进制）的实践要比二或三进制计数出现的晚。 计算机中为何采用二进制 电路中容易实现：基于电子管（早期）的计算机用电平的高与低表示两个状态； 物理上容易实现存储：磁极的取向、表明的凹凸、光照的有无、电流的有无等； 运算法则简单：便于加、减运算与计数编码； 可以进行逻辑运算：二进制的两个数码正好和逻辑代数中的“真”和“假”相吻合； 抗干扰能力强：当受到干扰时，两个状态容易分辨。 2.1.2 二进制补码 数的原码、反码、补码和移码 需要表示负数。 为何使用二进制补码 使符号位能与有效值部分一起参加运算，简化运算规则； 使减法运算转换为加法运算，进一步简化计算机中运算器的线路设计。 模 “模”实质上是计量器产生“溢出”的量； 计量器上只能表示出模的余数； 任何有模的计量器，均可化减法为加法运算； 补码运算是一种有模运算。 2.1.3 处理器结构 冯诺依曼理论： 数字计算机的数制采用二进制； 计算机应该按照程序顺序执行。 冯诺依曼体系结构： 人们把冯诺依曼的这个理论称为冯诺依曼体系结构； 从ENIAC到当前最先进的计算机都采用的是冯诺依曼体系结构，所以冯诺依曼是当之无愧的数字计算机之父。 冯诺依曼体系结构的要点： 程序存储，程序执行。 输入、存储、运算、控制和输出 冯·诺伊曼结构 冯·诺依曼结构又称普林斯顿结构 采用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。 哈佛结构 哈佛结构与冯·诺依曼结构的区别： 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； 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，这两条总线之间毫无关联； 如51单片机 。 改进的哈佛结构采用一条独立的地址总线和数据总线访问两个独立的存储模块。 2.1.4 控制器的组成方式 控制器的主要任务就是根据不同的指令，不同的状态条件，在不同的时间，产生不同的控制信号，控制计算机的各部件协调的进行工作。 组合逻辑型 特点：快、复杂 存储逻辑型（基于微指令） 特点：慢、规整 2.1.5 指令与微指令 指令：面向程序员（软件） 微指令 同时发出的控制信号所执行的一组微操作 复杂指令由微指令有序序列实现（在CPU中实现） 区别 每条微指令所代表的都是很简单的基本操作 所有微指令的格式都很规则、简单、易于解码 取微指令的速度很快 微指令的执行速度很快 存于控制存储器中 基本上对应于一个CPU周期 2.1.6 时序与指令周期 时序：为指令的执行提供各种定时信号。 计算机系统是一个复杂的时序数字系统。 指令周期（包含若干个机器周期）： 取指周期 译码周期 执行周期 机器周期（CPU周期）：指令执行相对独立阶段 节拍：机器周期内时序 脉冲：节拍内有时需要若干个工作脉冲 2.1.7 流水线与速度 流水线 指令流水线 地址流水线 对指令执行速度的影响 预取指令 大大加快指令执行速度 2.1.8 与外设的连接方式 查询方式(轮询) 中断方式 DMA（Direct Memory Access 直接内存存取 ） 中断的重要性 响应突发事件（异步事件） 对计算机发展的影响： 使得计算机能解决客观世界的突发事情，如实时系统 使轮询系统升级到事件驱动系统成为可能 2.1.9 编址方式 独立编址 I/O端口具有与内存不同的地址空间，对I/O的读写有专门的指令。 存储器和I/O端口的控制结构相互独立，可以分别设计。 统一编址 I/O端口与内存在同一地址空间，读写I/O端口与读写内存对处理器来说没有区别。 I/O端口占用了内存空间的一部分，影响了系统的内存容量 。 2.2 领悟硬件的本质 2.2.1 从晶体管讲起 从逻辑电路到时序电路 2.2.2 边沿与电平 边沿 上升沿 下降沿 电平 高电平 低电平 2.2.3 门电路与二进制 门电路 数字电路的主要元件是开关元件，如二极管、三极管和MOS管等，由这些元件构成的基本电路也称为开关电路。开关电路工作时的状态像门一样按一定条件开或关，所以也称为门电路 二进制 电路的开闭，对应两个状态；门开——电路通，门关——电路断 电路的开闭对应两个状态，可表示二进制 2.2.4 三态门及作用 三态门 三态门，就是具有高电平、低电平和高