《微机原理与接口技术》第 1 章计算机系统概述

自20世纪70年代以来，计算机的生产数量每年以25%的速度递增。从第三代计算机起，微电子学飞速发展，半导体集成电路的集成度越来越高，速度也越来越快。一块LSI(LargeScaleIntegratedcircuits,大规模集成电路)芯片上可以放置1000个元件，VLSI(VeryLargeScaleIntegratedcircuits,超大规模集成电路)达到每个芯片1万个元件，现在的ULSI(UltraLargeScaleIntegration,特大规模集成电路)芯片超过了100万个元件。

1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种势态减慢为每18个月翻一番，这就是摩尔定律：“由于硅技术的不断改进，每18个月，集成度将翻一番，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。”

1.1.2 计算机系统的组成

计算机系统组成：硬件系统、软件系统。

计算机硬件：是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。

软件：是指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和。程序是用计算机语言编写的命令序列的集合。计算机通过执行程序，实现特定目标或解决特定问题。文档是为了便于了解程序所需要的阐述性资料。

（1）冯·诺依曼计算机

存储程序计算机：1946年，生于匈牙利的美国数学家冯·诺依曼等在总结当时计算机研究成果的基础上，在一篇名为“电子计算机装置逻辑初探”的报告中首先提出了“存储程序控制”的概念，因此又称存储程序计算机为冯·诺依曼结构计算机。这个报告的内容可简要地概括为以下几点。

① 计算机（指硬件）由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大基本部件组成。

② 指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。

③ 采用存储程序的方式，程序和数据存放在同一存储器中。

④ 指令在存储器中按其执行顺序存放，由程序计数器指明要执行的指令地址，自动从存储器中取出指令并执行。

⑤ 计算机是以运算器为中心的，输入/输出设备与存储器之间的数据传送都要通过运算器。

“存储程序控制”的基本思想：将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，使计算机在不需要人工干预的情况下，自动、高速地从存储器中取出指令加以执行。

冯·诺依曼结构的计算机是以运算器为中心的，如图所示：

运算器：是对信息进行处理和运算的部件，用来完成算术运算和逻辑运算。

运算器的核心是算术逻辑运算部件（Arithmetic Logic Unit），简称ALU。

控制器：是整个计算机的指挥中心，它按照人们预先确定的操作步骤，控制计算机的各部件有条不紊地进行工作。控制器的主要任务是从主存中逐条地取出指令进行分析，根据指令的不同来安排操作顺序，然后向各部件发出相应的操作信号，控制它们执行指令所规定的任务。

控制器主要包括指令寄存器、指令译码器、时序控制器等部件。

存储器：是一个记忆装置，主要用来存放程序和数据。存储器是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。

输入设备：任务是把人们编好的程序和原始数据输入计算机中，并且将它们转换为计算机内部所能接受和识别的二进制信息形式。

输出设备：任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式输出计算机。

（2）现代计算机系统

中央处理器：随着集成电路技术的飞速发展，将早期计算机系统中的运算器和控制器集成在一片集成电路中，称为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。

主机：CPU和内存构成计算机的主体，称为主机。

外设：主机以外的其他硬件设备都称为外围设备（外部设备），简称外设。

外围设备包括输入设备、输出设备、辅助存储器（外存）。

现代计算机系统是以存储器为中心，采用总线结构，在系统总线上配置一定容量的存储器和一定数目的I/O接口电路，以及相对应的I/О设备而构成的。

① 以存储器为中心的计算机系统

早期冯·诺依曼提出的计算机结构是以运算器为中心的，其他部件通过运算器完成信息的传递，这极大地影响了计算机的效率。现代计算机以存储器为中心，批量的输入、输出数据可以直接在输入/输出设备和存储器之间进行，如图所示：

② 总线

现代计算机系统广泛采用系统总线将各大部件联系起来，如图所示：

系统总线是构成计算机系统的骨架（血管），是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在CPU、存储器、输入设备、输出设备之间实现地址、数据、控制/状态信息的传送。采用总线结构有两个优点：

① 各部件可通过总线交换信息，相互之间不必直接连线，减少了传输线的根数，从而提高了微机的可靠性；

② 是在扩展计算机功能时，只需把要扩展的部件接到总线上即可，十分方便。

系统总线（Bus）按功能可分为：地址总线、数据总线、控制总线三类。

地址总线（Address Bus，AB）：用来传达地址信息，以确定存储器单元地址及I/О接口部件地址；

数据总线（Data Bus，DB）：用来传送数据信息，实现CPU、存储器及I/О接口之间的数据交换；

控制总线（Control Bus，CB）：用来传送各种控制信号，使微机各部件协调动作，从而保证正确地通过数据总线传送各项信息的操作。

③ I/O接口

在早期的计算机系统中，外设种类较少，且CPU执行的任务较为简单，所以CPU直接对外设进行管理与控制。随着计算机技术的不断发展和应用的日益广泛，外设门类品种大大增加，且性能各异、操作复杂，这些功能繁多的外设工作原理、工作速度不同，所采用的信号形式、数据传送形式也不同。如果仍由CPU直接管理外设，则会使主机陷入与外设打交道的沉重负担之中。

为了解决以上矛盾，在CPU 与外设之间设置了简单的接口电路，后来逐步发展成为独立的接口和设备控制器，把对外设的控制任务交给接口去完成，从而大大地减轻了主机的负担，简化了CPU对外设的控制和管理。

I/O接口：又称适配器，存在于CPU与外设之间，是CPU与外围设备进行信息交换的中转站。

外围设备通过I/О接口连接在系统总线上。它保证外围设备采用计算机系统所要求的形式发送和接收信息。

有了接口之后，研制CPU时无须考虑各种外设的结构特性如何，研制外设时也不需要考虑它是同哪种CPU相连接，处理器与外设按各自的规律更新，形成微机本身和外设产品的标准化和系列化，促进了微机系统的发展。

④ 存储系统

存储系统：在现代计算机系统中，规模较大的存储器往往分为若干级，称为存储系统。

常见的三级存储系统如图所示：

主存储器：是由半导体材料组成的随机读写存储器(Random-Access Memory，RAM)，可由CPU直接访问，存取速度快但容量小，一般用来存放当前正在执行的程序（进程）和数据。

辅助存储器：又称为外存储器，容量大，价格较低，但存取速度较慢，不能由CPU直接访问，一般用来存放暂时不参与运行的程序和数据，这些程序和数据在需要时可传送到主存，因此它是主存的补充（扩展）和后援。

常见的外存储器有磁盘、磁带、光盘等。例如，在使用文字处理程序编辑文稿时，在键盘上输入的字符就被存入内存中，只有当选择“保存”命令时，内存中的数据才会被存入磁盘。

高速缓存：当CPU运算速度很高时，为了使访问存储器的速度能与CPU的速度匹配，在主存和CPU之间增设了高速缓冲存储器(Cache)，Cache的存取速度比主存更快，但容量更小，用来存放当前正在执行的程序中的活跃部分，以便快速地向CPU提供即将执行的指令和数据。

只读存储器：另外，在微型计算机中还有用来存储基本输入输出系统(BIOS)的只读存储器ROM。

内存：通常将ROM、RAM、Cache总称为内存储器，简称内存。

除此之外,为了进一步提高计算机系统的性能，还出现了并行处理机、流水处理机等许多新型的计算机系统结构。

（3）计算机的软件系统

裸机：仅有硬件，没有任何软件支撑的计算机称为“裸机”。裸机本身几乎不能完成任何功能，只有配备一定的软件，才能发挥其功用。

实际呈现在用户面前的计算机系统是经过若干层软件改造的计算机，而其功能的强弱也与所配备软件的丰富程度有关。软件武装了计算机，使它成为一台名副其实的“信息处理机”。

计算机的工作是由存储在其内部的程序指挥的，这是冯·诺依曼计算机的重要特色。因此程序或软件质量的好坏将极大地影响计算机性能的发挥。

计算机软件一般分为两大类：系统软件、应用软件。

系统软件：系统软件通常是负责管理，控制和维护计算机的各种硬件资源，并为用户提供一个友好的操作界面，以及服务于一般目的的上机环境。

系统软件可以简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括操作系统、数据库管理系统、语言处理程序、算法语言、服务型程序等。

应用软件：应用软件是专业人员为各种应用目的而开发的程序，利用计算机来解决某些问题，如办公自动化软件、管理信息系统、自动控制程序、情报检索系统，大型科学计算软件包等。

随着计算机的广泛应用，这类程序的种类将越来越多。

总之，软件系统是在硬件系统的基础上为有效地使用计算机而配置的。没有系统软件，现代计算机系统就无法正常地、有效地运行；没有应用软件，计算机就不能充分发挥其效能。

1.1.3 计算机系统的主要性能指标

一个计算机系统的性能由它的系统结构、指令系统、外围设备及软件的配置等多种因素所决定，应当用各项性能指标进行综合评价。

（1）字长

字长是计算机系统中重要的性能指标。要了解字长的概念，首先介绍位与字节。

位(bit)：是计算机内部数据存储的最小单位，音译为“比特”，习惯上用小写字母“b”表示。

字节(Byte)：是最基本的存储单元，也是计算机中数据处理的基本单位，习惯上用大写字母“B”表示。

计算机中以字节为单位，存储和解释信息，规定1字节由8个二进制位构成，即1字节等于8比特
(1B=8b)。

字（Word）：计算机进行数据处理时，一次存取、加工和传送的数据长度称为字。

计算机的字长由计算机内部寄存器、ALU和数据总线的位数决定，反映了一台计算机的计算精度，直接影响着机器的硬件规模和造价。

一个字通常由一或多字节构成

16位机：8086、80286微机中的一个字由两字节组成，它的字长为16，称为16位机；

32位机：80486微机的一个字由4字节组成，它的字长为32位，称为32位机。

计算机的字长越大，其性能越优越。在完成同样精度的运算时，字长较长的CPU比字长较短的CPU运算速度快。如果两个32位数相加，用8位机需加4次，用16位机需加2次，而用32位机只需加1次即可。很显然，32位机的速度要快得多。

变字长运算：为适应不同的要求，以及协调运算精度和硬件造价间的关系，大多数计算机均支持变字长运算，即机内可实现半字长、单字长、双倍字长运算。

大多数微处理器内部的数据总线与微处理器的外部数据引脚宽度是相同的，但也有少数例外。

Intel 8088微处理器内部数据总线为16位，而芯片外部数据引脚只有8位，称为“准16位”微处理器芯片；

Intel 80386SX微处理器内部数据总线为32位，而外部数据总线引脚为16位，称为“准32位”微处理器芯片。

目前主流的微型计算机处理器以64位为主；在单片机中，8051是8位机，MSP430是16位机；STM32是32位机。

（2）内存容量

内存储器：简称内存，就是存储程序和数据的地方。

内存容量是以字节为单位来计算的，常用单位有B、KB、MB、GB。

例如，lKB=2^10B=1024B，1MB=2^20B=1024KB=1048576B。

为了便于存入和取出，每个存储单元必须有一个固定的内存地址。

计算机系统内存容量越大，可同时运行的软件就越多，速度越快。

（3）运算速度

运算速度：是计算机系统性能的综合表现，它是指处理器执行指令的速度。

由于不同类型的指令执行时所需的时间长度不同，这就产生了如何计算速度的问题。

目前主要有3种衡量运算速度的方法。

① MIPS(百万条指令/秒)：根据不同类型指令出现的频度，乘以不同的系数，求得统计平均值，得到平均运算速度，用MIPS作单位衡量。

② 最短指令法：以执行时间最短的指令或某条特定指令为标准来计算速度，如传送指令、加法指令等。

③ 平均速度：根据不同类型指令在计算过程中出现的频率，乘以不同的系数，求得统计平均值。

在微型计算机中，一般只给出时钟频率指标，而不给出运算速度指标。

（一个指令周期 ≈ 2~3个机器周期 = 4个时钟周期）

（4）时钟频率

主频：为了保证整个计算机中各个部件高度准确地协调运行，计算机中采用统一的时钟脉冲来指挥整个机器的行动，时钟脉冲的频率又称为主频，是指微处理器在单位时间(秒)内发出的时钟脉冲数。

计算机的操作都是分步进行的，一个时钟周期完成一个操作，因此时钟周期是衡量微型计算机速度的重要指标。一般来说，时钟频率越高，其运算速度越快。

时钟频率的单位为Hz，现多使用MHz、GHz为单位。

需要说明的是，一台计算机的整机性能，不是由一两个部件的指标决定的，而是取决于各个部件的综合性能指标。另外，计算机系统的扩展能力、软件配置等也直接影响系统的性能。

1.2 微处理器的发展

自1971年美国Intel公司研制成功世界上第一块微处理器芯片4004 以来，Intel公司不断地推出新型的微处理器芯片，每隔2～4年就更换一次，至今已经历了5个阶段。

微型计算机的换代，通常是按照CPU的字长和功能来划分的。

下面简要介绍Intel系列x86微处理器体系结构的演变历史。

1.2.1 Intel微处理器

（1）早期微处理器(1971—1973年)

第一代微处理器是4位和低档8位微处理器时代。其典型产品是Intel 4004微处理器、Intel 8008微处理器。

Intel 4004是世界上第一块微处理器芯片，Intel 8008是第一个8位通用微处理器。

（2）8位微处理器(1973—1978年)

第二代微处理器是成熟的8位微处理器时代。

典型产品有Intel 8080、Intel 8085等。

（3）16位微处理器(1978—1983年)

第三代微处理器是16位微处理器时代。

这一时期的典型产品是Intel 8086、 Intel 80286等。它们时钟频率为4～25MHz，平均指令时间约为0.05us，数据总线宽度为16位，地址总线为20位，可寻址内存空间达1MB，运算速度比8位机快2～5倍。

从20世纪80年代中后期到90年代初，Intel 80286 CPU一直是微型计算机的主流型CPU。

（4）IA32架构微处理器(1983—1993年)

IA32架构微处理器是泛指Intel公司的32位微处理器（Intel Architecture 32-bit）。

自1985年 Intel 80386微处理器诞生以来，支持该架构的处理器有多款，包括80386、80486、Pentium、P6系列、PentiumM、Intel Core Solo、 Intel Core Duo微处理器、双核Intel Xeon LV处理器、早期的Pentium4 、Intel Xeon处理器及超低功耗的Intel Atom Z5xx系列等。

（5）IA 64位微处理器

在不断完善32位微处理器系列的同时，Intel公司2000年11月推出了第一代64位微处理器Itanium，标志着Intel微处理器进入64位时代。

1.2.2 其他微处理器

除了Intel公司外，还有其他一些优秀的微处理器制造商，如Motorola，Zilog、AMD等公司。

AMD(Advanced Micro Devices)公司是世界上排名第二的微处理器制造商。在Intel公司推出Pentium微处理器之前，其产品的技术和推出时间与Intel公司相比并没有明显的差别。

在后来的新技术和新产品的竞争中，两个公司都有领先的时候，也各有自己的特色。这种竞争促进了微处理器制造技术和计算机技术的发展。

在AMD-K6之后，AMD公司微处理器的典型产品有Athlon(中文译名“速龙”,最初被称为K7)、Athlon XP、Athlon 64、Athlon X2(双核)、Athlon 64 X2(双核)及Sempron(闪龙)等。AMD公司也有专门面向服务器的微处理器，如Opteron(皓龙)、Athlon MP等。

顶级性能处理器：

Intel Core i9-14980HX（英特尔·酷睿）、AMD Ryzen 9 7945HX（超威·锐龙）。

1.3 嵌入式系统

1.3.1 嵌入式系统的定义和特点

1. 嵌入式系统的定义

2. 嵌入式系统的体系结构

3. 嵌入式系统的特点

4. 交叉编译

1.3.2 嵌入式系统的发展

……

1.4 逻辑电路基础

逻辑电路是实现输人信号与输出信号之间逻辑关系的电路，微型计算机就是由若干典型电路通过精心设计而组成的，因此逻辑电路是计算机的硬件基础。

随着微电子技术的不断发展，单个芯片上的集成度越来越高，出现了中、大规模和超大规模集成电路。在不同系列的集成电路中，集成规模的划分标准是不同的。一般来说，在小规模集成电路(SSI)中仅是器件的集成，如门电路或触发器等；在中规模集成电路(MSI)中已是逻辑构建的集成，如多路选择器、加法器等；在大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)中，则是一个数字子系统或整个数字系统的集成。

逻辑门电路是最基本的逻辑部件，它们又可组成各种功能的逻辑电路，这些逻辑电路按其结构可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。由各种门电路组合而成且无反馈的逻辑电路，称为组合逻辑电路，简称组合逻辑，如译码器。如果逻辑电路的输出状态不仅和当时的输入状态有关，而且还与电路在此前的输出状态有关，则这种电路称为时序电路，如触发器及各类寄存器等。