chapt1-嵌入式系统原理

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1、第一章计算机系统概论电子数字计算机是一种能够自动、高速、精确地进行信息处理的现代化的数字电子系统，其基本特点是运算速度快、信息存储容量大、具有逻辑判断能力。计算机最初作为一种计算工具而问世，是人类长期努力奋斗的结果，现已应用于人类生产和生活的各个方面。计算机科学已日益成为一门与人们的生活密切相关的重要学科。电子计算机系统分为硬件和软件两大部分，硬件是由物理元件（电子元件）构成的数字电路系统；软件是由程序代码（二进制代码）构成的数字系列。硬件与软件一起构成完整的计算机系统，本章将介绍计算机各组成部件的构成，介绍软件和硬件的概念。1.1计算机的基本构成计算机的基本功能是存储和处理各类信息，并将处理

2、的结果向外界输出。为了完成这些基本功能，要求计算机能够自动地输入信息、处理信息、存储信息以及输出信息，计算机的基本部件就是根据这些要求设置的，分别用一个部件完成上述一个功能，所以计算机的主要部件有输入单元、运算单元、存储单元、输出单元组成，再加上用一个控制器单元来控制各种功能部件，实现上述基本功能的自动化。在计算机的发展初期，美籍匈牙利科学家约翰∙冯∙诺依曼（JohnvonNeumann，1903－1957）提出了计算机的基本模型，计算机由运算器、存储器、控制器、输入单元和输出单元这五个基本组成部分，世人称之为约翰∙冯∙诺依曼结构，它是在早期的计算机系统就形成的结构。计算机通过输入单元输入数据

3、和程序，经过运算器后，存放在存储器中，在运算时将存储器中的程序送给控制器，控制器根据程序对运算进行控制，将数据送到运算器，运算的结果先存储在存储器中,在适当的时候通过输出单元输出。这种结构以运算器为中心，数据的输入输出都经过运算器进行，在存储器和运算器之间形成一个数据流，在存储器与控制器之间形成一个指令流，从控制器到其他各组成部分还有控制信息流。计算机的基本结构框图如图1‐1所示，图中标出了各组成部分之间的数据和控制信息的流动关系。图中用带三角箭头的线表示数据信息的走向，用带单线箭头的线表示控制信息的走向。尽管经过几十年的发展，计算机在许多方面都发生了巨大的变化，但仍然可以划分为上述5个基本部

4、件，指令和数据的流向也基本未变。当然，不同的计算机有不同的部件数量，部件之间有不同的连接结构，部件的内部结构也各个不相同。现在的计算机在各个方面都有了飞速的发展，计算机的性能也有了飞速的提高。1‐2这些硬件与软件一起构成完整的计算机系统。计算机硬件是一个能够执行操作指令（Instruction）的数字电路系统，指令是构成计算机软件的基本元素。下面首先介绍这些硬件的部件及其相互连接。1.1.1运算器计算机的一个特点就是具有很强的运运算能力，运算器是完成运算功能的部件、运算器中主要包含算术逻辑单元（ALU，ArithmeticLogicUnit），简称算术逻辑单元。算术逻辑单元是一个实现数学运算的

5、数字电路，执行如加、减、乘、除等各种数值运算和与或非等逻辑运算和操作。计算机中采用二进制的数据表示方式，计算机中的数据是外部信息在计算机中的编码表示形式。运算器的运算功能是对二进进制的数据进行的运算。算术逻辑单元有两个数据信号输入端端和一个数据信号输出端，可同时输入两个参加运算的操作数，运算完成后输出一个结果数据。算术逻辑单元的运算操作包括算术运算和逻辑运算，算术运算对数值型数据编码进行算术计算，如加减乘除四则运算和数据编码格式的转换，逻辑运算按位对数据编码进行与、或、求反、移位等运算。算术逻辑单元是一个组合逻辑的数字字电路，不具有记忆功能，不能保存数据，电路的输出端的数据取决于当时的输入端的

6、数据。输入端的数据消失后，输出端的运算结果也就随之消失。在进行算术和逻辑运算操作时，需要先将数据从存储器中取出，放到运算器中，在计算完毕后再存放到存储器中。为了保存运算中所需要的数据，在运算器中有若干个临时存放数据的寄存器，用于存储计算过程中最频繁使用的数据，如一些中间运算结果等。除了存放运算结果，寄存器中还可保存运算的状态，如数据是否有进位、是否为零、是否溢出、是否发生了其他错误以及错误的原因等，以便对运算中出现的各种情况进行处理。在计算机中有多种不同的寄存器，在指定一个寄存器时可以给每个寄存器指定一个编号，称为寄存器号。寄存器号在电路中可用二进制代码识别。完成算术运算和逻辑运算的运算器是一

7、个组合逻辑电路，它一般有两个输入端和一个输出端，可同时输入两个参加运算的操作数并经过一定延迟后输出运算结果。操作数可以是寄存器的输出，也可以来自存储器。1.1.2存储器存储器的作用是存储程序和数据。存储器中采用某种存储介质存放数据和程序代码信息，主要的存储介质有半导体电路、磁性记录介质、光存储介质等。存储器中可包含的信息数量称为存储器的容量。半导体介质的存储密度高，工作速度快，在电源切断时存储的内