微處理器原理與應用一課件

微處理器原理與應用1~4章學時：20學時Email：計算機發(fā)展簡史1946年2月15日，世界上第一臺電子數(shù)字計算機在美國賓夕法尼亞大學問世，這臺電子計算機叫“ENIAC”一、計算機的五代變化第一代為1946—1958年，電子管計算機：數(shù)據(jù)處理第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業(yè)控制第三代為1965—1970年，中小規(guī)模集成電路計算機：小型計算機第四代為1971—1990年，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路計算機：微型計算機第五代為1991年開始，第五代計算機又稱“知識信息處理系統(tǒng)”（KIPS）巨大規(guī)模集成電路計算機：單片機計算機發(fā)展簡史中國人的智慧之光

最古老的計算工具：算籌

我國春秋時期出現(xiàn)的算籌是世界上最古老的計算工具。計算的時候擺成縱式和橫式兩種數(shù)字，按照縱橫相間的原則表示任何自然數(shù)，從而進行加、減、乘、除、開方以及其它的代數(shù)計算。負數(shù)出現(xiàn)后，算籌分紅黑兩種，紅籌表示正數(shù)，黑籌表示負數(shù)。這種運算工具和運算方法，在當時世界上是獨一無二的。中國人發(fā)明算盤

隨著計算技術(shù)的發(fā)展，在求解一些更復雜的數(shù)學問題時，算籌顯得越來越不方便了。于是在大約六、七百年前，中國人發(fā)明了算盤，它結(jié)合了十進制計數(shù)法和一整套計算口訣并一直沿用至今，被許多人看作是最早的數(shù)字計算機。萊布尼茲乘法機（1673年）萊布尼茲同時還提出了“可以用機械代替人進行繁瑣重復的計算工作”的偉大思想，這一思想至今鼓舞著人們探求新的計算機。萊布尼茲認為，中國的八卦是最早的二進制計數(shù)法。在八卦圖的啟迪下，萊布尼茲系統(tǒng)地提出了二進制運算法則。1673年，德國數(shù)學家萊布尼茲發(fā)明乘法機，這是第一臺可以運行完整的四則運算的計算機。據(jù)記載，萊布尼茲曾把自己的乘法機復制品送給康熙皇帝。第一臺“巨人”計算機各國科學家對采用繼電器的機電式計算機進行了大量的研制工作，1943年，英國科學家研制成功第一臺“巨人”計算機，專用于破譯德軍密碼。“巨人”算不上真正的數(shù)字電子計算機，但在繼電器計算機與現(xiàn)代電子計算機之間起到了橋梁作用。第一臺“巨人”有1500個電子管，5個處理器并行工作，每個處理器每秒處理5000個字母。二戰(zhàn)期間共有10臺“巨人”在英軍服役，平均每小時破譯11份德軍情報。第一臺電子數(shù)字計算機“埃尼阿克”（ENIAC）水銀延遲線：史上最笨重的主存儲器研制ENIAC的工程師莫齊利想到了水銀延遲線（MercuryDelayLine）——二戰(zhàn)期間為軍用雷達開發(fā)的一種存儲裝置－－作為內(nèi)存。將一塊石頭擲入水中，形成波浪，波頭經(jīng)過一段時間才能傳播到遠方某處，水銀延遲線的工作原理就是這樣。1951年3月，由莫齊利和?？颂卦O計的第一臺通用自動計算機UNIVAC-1使用了水銀延遲線存儲裝置。UNIVAC-1使用的水銀延遲線是一根直徑10mm、長150cm的管子，內(nèi)部充滿水銀，兩端各有一個轉(zhuǎn)換器分別進行電-聲轉(zhuǎn)換和聲-電轉(zhuǎn)換，這樣，脈沖信號從管子一端進入，轉(zhuǎn)換成超聲波，960ms后超聲波到達管子的另一端，然后再轉(zhuǎn)換成電信號輸出。為了讓存儲系統(tǒng)穩(wěn)定工作，水銀的溫度需要保持在40℃左右，因此要將水銀管置于一個類似混凝土攪拌機的容器中，容器中設置有加熱器用來加熱水銀管。第一臺并行計算機EDVAC（1950年）1950問世的第一臺并行計算機EDVAC，共采用了2300個電子管，運算速度卻比擁有18000個電子管的“埃尼阿克”提高了10倍，首次實現(xiàn)了馮·諾依曼體系的兩個重要設想：存儲程序和采用二進制。這兩個設想對于現(xiàn)代計算機至關(guān)重要，也使馮·諾伊曼成為“現(xiàn)代電子計算機之父”，馮·諾伊曼機體系延續(xù)至今。晶體管誕生（1947年）1947年，貝爾實驗室的肖克萊、巴丁、布拉頓發(fā)明點觸型晶體管；1950年又發(fā)明了面結(jié)型晶體管。相比電子管，晶體管體積小、重量輕、壽命長、發(fā)熱少、功耗低，電子線路的結(jié)構(gòu)大大改觀，運算速度則大幅度提高。肖克萊、巴丁、布拉頓于1956年共同獲得諾貝爾物理學獎。發(fā)明晶體管的肖克萊在加利福尼亞創(chuàng)立了當?shù)氐谝患野雽w公司，這一地區(qū)后來被稱為硅谷。晶體管計算機1956年，IBM公司的巴克斯研制成功第一個高級程序語言FORTRAN，它被廣泛用于科學計算。1956年9月，IBM的一個工程小組向世界展示了第一臺磁盤存儲系統(tǒng)IBM350RAMAC（RandomAccessMethodofAccountingandControl）1958年制成的1401及后續(xù)的1410/1440系列計算機，是第二代計算機中的代表，用戶在當時可以以每月2500美元的價格租用IBM1401。1958年11月，IBM709大型計算機，IBM公司自IBM701，性能最為優(yōu)秀的電子管計算機，但同時它也是IBM最后一款電子管計算機。1959年，格雷斯·霍波（G.Hopper）博士主持開發(fā)的第一個廣泛使用的高級編程語言COBOL。其他1957年10月，諾依斯（N.Noyce）、摩爾（R.Moore）、布蘭克（J.Blank）、克萊爾（E.Kliner）、赫爾尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、羅伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）共同從晶體管之父肖克利的實驗室出走，創(chuàng)辦了仙童（fairchild）公司，這就是歷史上著名的“八天才叛逆”，從此，才有了我們熟悉的Intel，AMD，IDT等等一大批我們熟知的企業(yè)。八天才叛逆的兩個重要人物：諾依斯和摩爾。IBMSystem/360（1964年）中、小規(guī)模集成電路電子計算機的代表。一種說法是該系統(tǒng)有360種用途，另一種說法是這個系統(tǒng)就像一個360度的圓周，涵蓋所有應用。以前的IBM計算機，一小部分機種支持科學計算類應用，大部分機種則專用于商業(yè)應用。而S/360的總體方案則指明要同時支持科學計算、商業(yè)應用和信息處理。第五代計算機第五代計算機又稱“知識信息處理系統(tǒng)”（KIPS）。用與以往不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和技術(shù)來開發(fā)的新型電子計算機。以進行知識處理的人工智能為目標，能模仿人的問題處理與推斷能力，能用自然語言進行對話方式的信息處理由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片計算機開始出現(xiàn)。計算機從第三代起，與集成電路技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。LSI的采用，一塊集成電路芯片上可以放置1000個元件，VLSI達到每個芯片1萬個元件，現(xiàn)在的ULSI芯片超過了100萬個元件。1965年摩爾觀察到芯片上的晶體管數(shù)量每年翻一番，1970年這種態(tài)勢減慢成每18個月翻一番，這就是人們所稱的摩爾定律。微處理器的發(fā)展微處理器大致可分為三類：通用高性能微處理器（也稱通用CPU）、嵌入式微處理器和DSP處理器、嵌入式微控制器（后兩種也有統(tǒng)稱嵌入式CPU）

通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統(tǒng)；嵌入式微處理器和DSP處理器強調(diào)處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領(lǐng)域的專用程序，配備輕量級操作系統(tǒng)，用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；嵌入式微控制器價位相對較低，在微處理器市場需求量最大，主要用于汽車、空調(diào)、自動機械等領(lǐng)域的自控設備。此外，為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式CPU在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用CPU都做了各種增強。通用微處理器通用微處理器一般指的是服務器用和桌面計算用的CPU芯片。目前，Intel的CPU和其兼容產(chǎn)品統(tǒng)治著微型計算機的大半江山，這類微處理器主要采用x86構(gòu)架的CISC（ComplexInstructionSetComputer）指令系統(tǒng)，同時，IBM、HP（COMPAQ）、SGI、SUN等公司也生產(chǎn)各具特點的服務器用高性能通用微處理器，如HP的PA-RISC，IBM的Power4和Sun的UltraSparc等，這些微處理器都是采用RISC(reducedinstructionsetcomputer)指令系統(tǒng)，通過超標量、亂序執(zhí)行、動態(tài)分支預測、推測執(zhí)行等機制，提高指令級并行性，改善性能，這類芯片被廣泛用于各種工作站、服務器和高性能計算機中。CISC和RISC傳統(tǒng)上，通用微處理器的工作負載以非數(shù)值、不規(guī)則標量應用為主，為了實現(xiàn)處理器的高性能，主要的方法是開發(fā)指令級并行性（ILP,Instruction-LevelParallelism）。以Intelx86構(gòu)架為代表的CISC體系結(jié)構(gòu)以超流水結(jié)構(gòu)為提高性能的主要手段，這種結(jié)構(gòu)將指令流水線劃分成更簡單的流水級以提高時鐘速率。RISC芯片則采用超標量結(jié)構(gòu)提高處理器性能的主要手段，這種結(jié)構(gòu)在指令界面上保持與RISC結(jié)構(gòu)兼容，但在內(nèi)部由硬件做動態(tài)調(diào)度，實現(xiàn)多個操作的并行執(zhí)行。Itanium和ItaniumIIIntel安騰處理器構(gòu)建在IA-64（IntelArchitecture64），也就是說“IA-64是一個與x86代碼的決裂，它是為未來設計的“。Itanium是專門用在高端企業(yè)級64-bit計算環(huán)境中競爭的，對抗基于IBMPower4/5，HPPA-RISC，SunUltraSparc-III及DECAlpha的服務器。64位只是安騰處理器的一個技術(shù)特征。所有基于Intel安騰2處理器的系統(tǒng)都支持32Intel架構(gòu)（IA-32）軟件應用，從而用戶移植到Intel安騰2架構(gòu)提供了更高的靈活性。Intel和HP公司早在1994年就啟動了設計和生產(chǎn)基于EPIC顯式并行體系結(jié)構(gòu)的IA-64芯片合作項目，陸續(xù)推出了Itanium和ItaniumII處理器。有人預計不久，IA-64對服務器市場的占有量將全面超過RISC，IA-64標準也會形成，Intel將會主導這個標準。但是這些并不意味著IA-64將最終代替RISC體系結(jié)構(gòu)而一統(tǒng)天下。IBM、SUN等一些實力雄厚的公司，仍在繼續(xù)發(fā)展新的基于RISC體系結(jié)構(gòu)的芯片。Intel的發(fā)展史1971年11月15日，Intel公司工程師霍夫和費金發(fā)明了世界第一個商用微處理器—Intel4004，每個售價為200美元，如圖1.4所示。雖然這款4位微處理器只有45條指令，每秒也只能執(zhí)行5萬條指令，運行速度只有108KHz，甚至比不上計算機ENIAC，但它的集成度高，集成晶體管2300只，而且是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品，于是微處理器誕生了。IntelC8008IntelC8008為世界上第一款八位微處理器。8008共推出兩種速度，0.5Mhz以及0.8Mhz，雖然比4004的工作時脈慢，不過因為是八位元處理器（比起4004的四位元），整體效能要比4004好上許多。8008可以支援到16KB的內(nèi)存X86構(gòu)架開始（第二代微處理器）1974年，8008發(fā)展成8080，成為第二代微處理器。1978年英特爾公司生產(chǎn)的8086是第一個16位的微處理器。這就是第三代微處理器的起點。1979年，英特爾公司又開發(fā)出了8088而且英特爾在后續(xù)CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來因商標注冊問題，才放棄了繼續(xù)用阿拉伯數(shù)字命名。1981年，美國IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機中，從而開創(chuàng)了全新的微機時代。也正是從8088開始，個人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內(nèi)發(fā)展起來。從8088應用到IBMPC機上開始，個人電腦真正走進了人們的工作和生活之中，它也標志著一個新時代的開始。Inteli8085Inteli8086Intel802861982年，英特爾公司在8086的基礎(chǔ)上，研制出了80286微處理器，8086～80286這個時代是個人電腦起步的時代，國內(nèi)略微落后一些，九十年代初，國內(nèi)才開始普及計算機，Intel80286也是Intel最后一塊16位CPU。Intel80386

1985年10月17日，英特爾劃時代產(chǎn)品80386DX（32位）發(fā)布了。80386最經(jīng)典的產(chǎn)品為80386DX－33MHz，一般我們說的80386就是指它。80386使32位CPU成為了PC工業(yè)的標準。1989年Intel又推出準32位微處理器芯片80386SX。這是一種較便宜的普及型CPU80386。筆記本電腦設計的移動處理器1989年，Intel的80386SL/80386DL才算首批專為筆記本電腦設計的移動處理器（主頻16MHz起、工作電壓3.3V）。Intel推出的386SL處理器可謂是筆記本電腦專用處理器“領(lǐng)頭羊”，該批次處理器由16MHz的386SL、20MHz的386SL和16MHz的386SX等組成。最早的筆記本電腦處理器

Intel804861989年，我們大家耳熟能詳?shù)?0486芯片由英特爾推出。這款經(jīng)過四年開發(fā)和3億美元資金投入的芯片。Intel80486，這是intel最后一代以數(shù)字編號的CPU。Intel486DX1995年，33MHz的486SL和250MHz的486DX因為性價比高，成為了市場低價機型的首選。MobilePentium75處理器則成為主流本本的配置。Pentium，傳說中的5861993年3月22日：全面超越486的新一代586CPU問世，為了擺脫486時代微處理器名稱混亂的困擾，英特爾公司把自己的新一代產(chǎn)品命名為Pentium(奔騰)以區(qū)別AMD和Cyrix的產(chǎn)品。AMD和Cyrix也分別推出了K5和6x86微處理器來對付芯片巨人，但是由于奔騰微處理器的性能最佳，英特爾逐漸占據(jù)了大部分市場。Pentium，傳說中的5861993年，全面超越486的新一代586CPU問世PentiumProPentiumMMX1997-1998年：PentiumII處理器1997年5月7日，英特爾發(fā)布PentiumII233MHz、PentiumII266MHz、PentiumII300MHz三款PII處理器，采用0.35微米工藝技術(shù)，核心提升到750萬晶體管組成。采用SLOT1架構(gòu)，引入了S.E.C封裝(SingleEdgeContact)技術(shù)，將高速緩存與處理器整合在一塊PCB板上，二級高速緩存的工作速度是處理器內(nèi)核工作速度的一半；處理器采用與PentiumPRO相同的動態(tài)執(zhí)行技術(shù)，通過雙重獨立總線與系統(tǒng)總線相連，進行多重數(shù)據(jù)交換，提高系統(tǒng)性能；PentiumII也包含MMX指令集。Intel此舉希望用SLOT1構(gòu)架的專利將AMD等一棍打死，可沒想到Socket7平臺在以AMD的K6-2為首的處理器的支持下，走入了另一個春天。而從此開始，Intel也開始走上了一條前途不明的道路，開始頻繁的強行制定自己的標準，企圖借此迅速擠垮競爭對手，但市場與用戶的需要使得Intel開始不斷的陷入被動和不利的局面。AMD-K6&PentiumIICeleron300A1998年8月24日，熱愛硬件的人們都會無法忘記的日子，Intel推出了裝有二級高速緩存的賽揚A處理器，這就是日后被眾多DIYer捧上神壇的賽揚300A，一個讓經(jīng)典不能再經(jīng)典的型號。賽揚300A，從某種意義上已經(jīng)是Intel的第二代賽揚處理器。第一代的賽揚處理器僅僅擁有266MHz、300MHz兩種版本，第一代的Celeron處理器由于不擁有任何的二級緩存，雖然有效的降低了成本，但是性能也無法讓人滿意。為了彌補性能上的不足，Intel終于首次推出帶有二級緩存的賽揚處理器——采用Mendocino核心的Celeron300A、333、366。經(jīng)典，從此誕生。賽揚300A的經(jīng)典，并不僅僅是因為它的超頻(多數(shù)賽揚300A可以輕松超頻至550MHZ)，還在于賽揚300A的超頻性幾乎造就了一條專門為它而生的產(chǎn)業(yè)鏈，主板、轉(zhuǎn)接卡......有多少這樣的產(chǎn)品就為了賽揚300A而生。一時間，報紙雜志網(wǎng)絡媒體都在討論這款Celeron300A的超頻方式、技巧、配合主板、內(nèi)存等等。DIY的超頻時代正式到臨。賽揚300A（1998年）PentiumIII1999年2月26日，英特爾發(fā)布PentiumIII450MHz、PentiumIII500MHz處理器，同時采用了0.25微米工藝技術(shù),核心由950萬個晶體管組成，從此INTEL開始踏上了PIII旅程。AMDK6-III

1999年2月22日：AMD發(fā)布K6-III400MHz版本，在一些測試中，它的性能超越了后來發(fā)布的IntelPentiumIII。它包括了23M晶體管，并且基于100MHzSpuersocket7主板，與那些使用66MHz總線的芯片相比，性能的提升是卓越的。PentiumIIItualatin/coppermineSocket370PentiumIII光是桌上型就擁有KatmaiSlot1、CoppermineSlot1以及CoppermineSocket370等三種不同的系列。后期，英特爾放棄插卡式界面而又回歸到插槽界面（Socket370）。Pentium42000年11月21日，Intel全球同步發(fā)布了新一代的微處理器Pentium4（奔騰4）。Pentium4處理器，Socket423接口，原始代號為Willamette，采用0.18微米鋁導線工藝，配合低溫半導體介質(zhì)（Low-Kdiclcctric）技術(shù)制成，是一顆具有超級深層次管線化架構(gòu)的處理器。Pentium4處理器最主要的特點就是拋棄了Intel沿用了多年的P6結(jié)構(gòu)，采用了新的NetBurstCPU結(jié)構(gòu)。NetBurst結(jié)構(gòu)具有不少明顯的優(yōu)點：20段的超級流水線、高效的亂序執(zhí)行功能、2倍速的ALU、新型的片上緩存、SSE2指令擴展集和400MHz的前端總線等從P4開始，Intel已不再每一兩年就推出全新命名的中央處理器芯片（CPU），反而一再使用Pentium4這個名字，這個作法，導致Pentium4這個家族有一堆兄弟姊妹，而且這個P4家族延續(xù)了五年。Pentium4（Willamette）Socket423Pentium4（Willamette）致命弱點耗電驚人。所以，P4系統(tǒng)使用的主板被設計為電源的12V電壓（ATX12），通過一個4腳的插座和3.3V、5V一起供給主板，另外還在20針電源接口的旁邊另加了一個6針的輔助電源接口。最致命的硬傷還是Willamette核心屬于Pentium4最早期的產(chǎn)品，因此它的發(fā)熱量很大、頻率提升困難，只有1.7GHz和1.8GHz兩個版本。而且它的二級緩存只有256KB，超深的處理流水線使得總體性能并不理想。Socket423不兼容的封裝，升級困難且只能使用Rambus這個怪物內(nèi)存，雙通道的Rambus內(nèi)存達到了前所未有的2.5GB/S的內(nèi)存數(shù)據(jù)帶寬，但是由于Rambus內(nèi)存價格昂貴所以使得早期P4平臺相當昂貴。Pentium4（Northwood）Socket478Pentium4CPUNorthwood核心的Celeron全部都是400MHzFSB；Pentium4CPU后面帶有“A”字樣是400MHzFSB，帶有“B”字樣的則是533MHzFSB，帶有“C”字樣的則是800MHzFSB。Prescott核心的CeleronD，無論是Socket478接口還是Socket775接口，全部都是533MHzFSB。Socket478接口的Pentium4都是800MHzFSB。Socket775接口的Pentium4505/515是533MHzFSB，而Pentium4520/530/540則是800MHzFSB，Pentium46XX系列CPU則都是800MHzFSB。PentiumD是首批雙核處理器，單一處理器中具有兩個奔騰四處理核心。Smithfield核心的PentiumEE840是800MHzFSB，而Presler核心的PentiumEE955和965都是1066MHzFSB。Core2DuoCore2Duo改變了以Pentium命名處理器的傳統(tǒng)，不在有奔騰5、6的叫法了。英文名是Core，服務器版開發(fā)代號為Woodcrest，桌面版開發(fā)代號為Conroe，移動版開發(fā)代號為Merom，分雙核、四核、八核三種。桌面平臺的Core2DuoE4x00系列800MHzFSB，E6x00系列大部分都是1066MHz，E8x00系列則是1333MHz。Corei3/i5/i72010年6月份，Intel發(fā)布革命性的處理器——第二代Corei3/i5/i7。第二代Corei3/i5/i7隸屬于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的SandyBridge微架構(gòu)，相比第一代產(chǎn)品主要帶來五點重要革新：

1、采用全新32nm的SandyBridge微架構(gòu)，更低功耗、更強性能。

2、內(nèi)置高性能GPU（核芯顯卡），視頻編碼、圖形性能更強。

3、睿頻加速技術(shù)2.0，更智能、更高效能。

4、引入全新環(huán)形架構(gòu)，帶來更高帶寬與更低延遲。

5、全新的AVX、AES指令集，加強浮點運算與加密解密運算。Corei3/i5/i7嵌入式微處理器和DSP處理器

嵌入式微處理器（EMPU）由通用計算機中的CPU演變而來的，主要特點是具有32位以上的處理器，具有比較高的性能，價格也較高。與計算機CPU不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求，和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一個芯片上，也稱為單板計算機。ARM926嵌入式微控制器SAM9G45Sitara?ARM?

微處理器

(MPU)

嵌入式DSP處理器單片機單片機誕生于1971年，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段，早期的SCM單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發(fā)展出了MCS51系列MCU系統(tǒng)?；谶@一系統(tǒng)的單片機系統(tǒng)直到現(xiàn)在還在廣泛使用。隨著工業(yè)控制領(lǐng)域要求的提高，開始出現(xiàn)了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產(chǎn)品大發(fā)展，單片機技術(shù)得到了巨大提高。隨著INTELi960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統(tǒng)的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數(shù)百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經(jīng)超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。當代單片機系統(tǒng)已經(jīng)不再只在裸機環(huán)境下開發(fā)和使用，大量專用的嵌入式操作系統(tǒng)被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統(tǒng)。P8051單片機計算機系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的硬件構(gòu)成CPU硬件設計結(jié)構(gòu)馮·諾依曼結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲器和數(shù)據(jù)存儲器合并在一起的存儲器結(jié)構(gòu)。程序指令存儲地址和數(shù)據(jù)存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)由以下幾個關(guān)鍵概念：1）計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；2）數(shù)據(jù)與指令存儲在單一的讀寫存儲器中；3）存儲器的內(nèi)容通過位置尋址，而不考慮它容納的數(shù)據(jù)是什么；4）以順序的形式從一條指令到下一條指令來執(zhí)行（跳轉(zhuǎn)指令除外）。在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。對馮·諾依曼結(jié)構(gòu)處理器由于取指令和存取數(shù)據(jù)需要從同一存儲空間存取，經(jīng)由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執(zhí)行，只有一個完成后再進行下一個。CPU硬件設計結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，它的主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)的四條總線，即程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線，CPU硬件設計結(jié)構(gòu)改進型哈佛結(jié)構(gòu)仍然使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數(shù)據(jù)，每個存儲模塊都不允許指令和數(shù)據(jù)并存，以便實現(xiàn)并行處理。改進型哈佛結(jié)構(gòu)具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數(shù)據(jù)總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊（程序存儲模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊），公用數(shù)據(jù)總線則被用來完成程序存儲模塊或數(shù)據(jù)存儲模塊與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸，兩條總線由程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分時共用。硬件體系結(jié)構(gòu)·總結(jié)

體系結(jié)構(gòu)與采用的獨立與否的總線無關(guān)，與指令空間和數(shù)據(jù)空間的分開獨立與否有關(guān)。51單片機雖然數(shù)據(jù)指令存儲區(qū)是分開的，但總線是分時復用得，所以屬于改進型的哈佛結(jié)構(gòu)。ARM9雖然是哈佛結(jié)構(gòu)，但是之前的版本(ARM7)也還是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。早期的x86能迅速占有市場，一條很重要的原因，正是靠了馮·諾依曼這種實現(xiàn)簡單，成本低的總線結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的處理器雖然外部總線上看是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，但是由于內(nèi)部cache的存在，因此實際上內(nèi)部來看已經(jīng)很類似于改進型哈佛結(jié)構(gòu)了。由于哈佛結(jié)構(gòu)復雜，對外圍設備的連接與處理要求高，不適合外圍存儲器的擴展，所以早期通用CPU難以采用這種結(jié)構(gòu)。而嵌入式CPU內(nèi)部集成了所需存儲器，所以便于采用哈佛結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在的處理器依托cache的存在，已經(jīng)很好的將二者統(tǒng)一起來了。存儲器（memory）

存儲器是計算機的記憶部件。人們編寫的程序（由指令序列組成）就存放在這里。它也可以存放程序中所用的數(shù)據(jù)、信息及中間結(jié)果。存儲器的主要功能是用來保存各類程序的數(shù)據(jù)信息。存儲器分為主存儲器和輔助存儲器兩類：主存儲器（也稱為內(nèi)存儲器），屬于主機的一部分。用于存放系統(tǒng)當前正在執(zhí)行的數(shù)據(jù)和程序，屬于臨時存儲器；輔助存儲器（也稱外存儲器），它屬于外部設備。用于存放暫不用的數(shù)據(jù)和程序，屬于永久存儲器。輸入輸出（I/O）子系統(tǒng)

輸入輸出子系統(tǒng)一般包括輸入輸出設備及大容量存儲器兩類外部設備。輸入輸出設備是指負責與計算機的外部世界通信用的輸入、輸出設備，如顯示終端、鍵盤輸入、打印輸出等多種類型的外部設備。大容量存儲器則是指可存儲大量信息的外部存儲器，如磁盤、磁帶、光盤等。機器內(nèi)部的存儲器則稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存，由于內(nèi)存的容量有限，所以計算機用外存儲器作為內(nèi)存的后援設備，它的容量可以比內(nèi)存大很多，但存取信息的速度要比內(nèi)存慢得多。所以，除必要得系統(tǒng)程序外，一般程序（包括數(shù)據(jù)）是存放在外存中得。只有當運行時，才把它從外存?zhèn)魉偷絻?nèi)存的某個區(qū)域，再由中央處理機控制執(zhí)行。系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線把中央處理器、存儲器和輸入輸出設備連接在起來，用來傳送各部分之間的信息。系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線三組。數(shù)據(jù)線傳送信息，地址線指出信息的來源和目的地，控制線則規(guī)定總線的動作，如方向等。系統(tǒng)總線的工作由總線控制邏輯負責指揮。計算機軟件層次圖計算機軟件層次系統(tǒng)軟件的核心稱為操作系統(tǒng)（operatingsystem）。操作系統(tǒng)是系統(tǒng)程序的集合，它的主要作用是對系統(tǒng)的硬、軟件資源進行合理的管理，為用戶創(chuàng)造方便、有效和可靠的計算機工作環(huán)境。操作系統(tǒng)的主要部分是常駐監(jiān)督程序（residentmonitor），只要一開機它就存在于內(nèi)存中，它可以從用戶接受命令，并使操作系統(tǒng)執(zhí)行相應的動作。文件管理程序（）用來處理存儲在外存儲器中的大量信息，它可以和外存儲器的設備驅(qū)動程序相連接，對存儲在其中的信息以文件（file）的形式進行存取、復制及其他管理操作。I/O驅(qū)動程序（I/Odriver）用來對I/O設備進行控制或管理。當系統(tǒng)程序或用戶程序需要使用I/O設備時，就調(diào)用I/O驅(qū)動程序來對設備發(fā)出命令，完成CPU和I/O設備之間的信息傳送。調(diào)試程序（debug）是系統(tǒng)提供給用戶的能監(jiān)督和控制用戶程序的一種工具。它可以裝入、修改、顯示或逐條執(zhí)行一個程序。微機的匯編語言程序可以通過DEBUG來調(diào)試，完成建立、修改和執(zhí)行等工作。文本編輯程序（texteditor）用來建立、輸入或修改文本，并使它存入內(nèi)存儲器或大容量存儲器中。文本是由字母、數(shù)字、符號等組成的信息，它可以是一個用匯編語言或高級語言編寫的程序，也可以是一組數(shù)據(jù)或一份報告。系統(tǒng)程序中的翻譯程序（translator）包括匯編程序、解釋程序和編譯程序。計算機是通過逐條地執(zhí)行組成程序的指令來完成人們所給予任務的，所以指令就是計算機所能識別并能直接加以執(zhí)行的語句，當然它是由二進制代碼組成的。這種語言稱為機器語言，它對于人們顯然是不方便的。既然計算機能識別的唯一語言是機器語言，而用這種語言編寫程序又很不方便，所以在計算機語言的發(fā)展過程中就出現(xiàn)了匯編語言和高級語言。匯編語言是一種符號語言，它和機器語言幾乎一一對應，但在書寫時卻使用由字符串組成的助記符。例如，加法在匯編語言中一般時用助記符ADD表示的，而機器語言則用二進制代碼來表示。顯然，相對機器語言來說，匯編語言是易于為人們所理解的，但計算機卻不能直接識別匯編語言。匯編程序就是用來把由用戶編制的匯編語言程序翻譯成機器語言程序的一種系統(tǒng)程序。微機的匯編程序有多種版本，如MASM、TASM等。MASM為Microsoft公司開發(fā)的匯編程序，TASM（TurboAssembler）則為Borland公司開發(fā)的匯編程序，它們都具有較強的功能和宏匯編能力。高級語言脫離開機器指令用人們更加易于理解的方式來編寫程序，當然它們也要翻譯成機器語言才能在機器上執(zhí)行。高級語言的翻譯程序有兩種方式：一種是先把高級語言程序翻譯成機器語言程序，然后再在機器上執(zhí)行，這種翻譯程序稱為編譯程序（compiler），多數(shù)高級編程語言如PASCAL、FORTRAN、C、C++、Java、C#等通過編譯程序把編寫的程序轉(zhuǎn)換為匯編指令（assemblyinstruction），然后再轉(zhuǎn)換為可執(zhí)行的機器語言。另一種是直接在機器上運行高級語言程序，一邊解釋一邊執(zhí)行，這種翻譯程序稱為解釋程序（interpreter），如BASIC、dBASE就經(jīng)常采用這種方式。計算機軟件層次連接程序（linker）用來把要執(zhí)行的程序與庫文件或其他已經(jīng)翻譯好的子程序（能完成一種獨立功能的程序模塊）連接在一起，形成機器能執(zhí)行的程序。裝入程序（loader）用來把程序從外存儲器傳送到內(nèi)存儲器，以便機器執(zhí)行。例如，計算機開機后就需要立即啟動裝入程序把常駐監(jiān)督程序裝入存儲器，使機器運轉(zhuǎn)起來。又如，用戶程序經(jīng)翻譯和連接后，由連接程序直接調(diào)用裝入程序，把可執(zhí)行的用戶程序裝入內(nèi)存以便執(zhí)行。系統(tǒng)程序庫（systemlibrary）和用戶程序庫（userlibrary），各種標準程序、子程序和一些文件的集合稱為程序庫，它可以被系統(tǒng)程序或用戶程序調(diào)用。操作系統(tǒng)還允許用戶建立程序庫，以提高不同類型用戶的工作效率。計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

第1級是微程序設計或邏輯電路級。這是一個實在的硬件級，由硬件直接執(zhí)行。如果某一個應用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應用程序。第2級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序解釋機器指令系統(tǒng)。這一級也是硬件級。第3級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。第4級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性。這一級由匯編程序支持和執(zhí)行。如果應用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。第5級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執(zhí)行。計算機的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

計算機的分類1、按處理數(shù)據(jù)的形態(tài)分類計算機分為數(shù)字計算機（DigitalComputer）和模擬計算機（AnalogueComputer）兩大類2、按照設計的目的分類計算機可分為專用計算機（SpecialPurposeComputer）和通用計算機（GeneralPurposeComputer）3、按照使用的用途分類計算機可分為高級科學計算機（AdvancedScientificComputer）、工業(yè)控制計算機（IndustrialControlComputer）和數(shù)據(jù)計算機（DataComputer）。4、按照內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分類計算機可分為單CPU處理機與多CPU處理機（并行機）；8位機、16位機、32位機或64位計算機以及CISC與RISC計算機等。5、按綜合性能指標分類計算機按照運算速度、字長、存儲容量、軟件配置等多方面