第1章单片机基础机械设计基础

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1、1.1计算机系统的层次结构1.2计算机系统结构、计算机组成和计算机实现1.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理1.4软件、应用、器件的发展对系统结构的影响1.5系统结构中的并行性开发及计算机系统的分类1.6本章小结从使用语言的角度，一台由软、硬件组成的通用计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构。层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级，如图1-1所示。对于具体的计算机系统，层次数可以不同。1.1计算机系统的层次结构

2、图1-1计算机系统的多级层次结构对使用某一级语言编程的程序员来讲，只要熟悉和遵守该级语言的使用规定，所编程序总是能在此机器上运行并得到结果，而不用考虑这个机器级是如何实现的。　　就目前的状况来看，M0用硬件实现，M1用微程序(固件)实现，M2到M5大多用软件实现。所谓固件(Firmware)，是一种具有软件功能的硬件，例如将软件固化在只读存储器这种大规模集成电路的硬器件上就是一种固件。1.2.1计算机系统结构的定义和内涵从计算机系统的层次结构角度来看，系统结构(SystemArchitecture)是对计算机系统中各级界面的定义

3、及其上下的功能分配。计算机系统的每一级都有自己的系统结构。1.2计算机系统结构、计算机组成和计算机实现1.2.2计算机组成和计算机实现的定义及内涵从计算机系统结构的内涵可以看出，机器级内部的数据流和控制流的组成、逻辑设计和器件设计等都不属于计算机系统结构，就是说，对计算机系统结构设计是透明的。1.计算机组成从汇编语言、机器语言程序设计者角度看的概念性结构都如图1-2所示。图1-2IBM370系列的概念性结构程序设计者编程时所看到的数据形式(即数据表示)都是相同的32位字长，定点数都是半字长16位或全字长32位，浮点数都是单字长3

4、2位、双字长64位或四字长128位，如图1-3(a)所示。图1-3IBM370系列字长、数的表示和数据通路宽度(a)统一的字长与定点数和浮点数表示；(b)不同的数据通路宽度IBM370系列的各档机器都采用通道方式进行输入/输出，但在计算机组成上，低档机器可以采用结合型通道，让通道的功能借用中央处理机的某些部件完成。1.3.1软、硬件取舍的基本原则软、硬件的功能分配是计算机系统结构的主要任务，而软件和硬件在逻辑功能上又是等效的。　　在满足应用的前提下，软、硬件功能分配的比例主要看能否充分利用硬件、器件技术的进展，使系统有高的性能

5、价格比。1.3计算机系统的软、硬件取舍和性能评测及定量设计原理图1-4计算机系统的软、硬件功能分配比例原则1应考虑在现有硬件、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。　　假定某计算机系统生产了V台。每台计算机用硬件实现的费用为Dh/V+Mh，若改用软件实现则为C×Ds/V+R×Ms。只有当时，用硬件实现才是适宜的。将上述Dh与Ds、Mh与Ms的比值代入，得目前，就软件设计费用来说要远比软件的重复生产费用高，Ds≈104×Ms也是完全可能的。将此关系

6、式代入上式，得由于C值一般总比100小，因此V值越大，这个不等式才越能够成立。原则2要考虑准备采用和可能采用的组成技术，使之尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。原则3不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及如何为高级语言程序的设计提供更多、更好的硬件支持放在首位。1.3.2计算机系统的性能评测及定量设计原理1.计算机系统的性能评测多数情况下，在设计通用计算机系统时，进行软、硬件功能分配总是考虑在满足系统性能的前提下

7、，如何使性能价格比达到最高。持续性能的表示有算术性能平均值、调和性能平均值和几何性能平均值三种。算术性能平均值Am是n道程序运算速度或运算时间的算术平均值。如以速率评价，就有式中，Ti是第i个程序的执行时间，Ri是第i个程序的执行速率。若以执行时间评价，则调和性能平均值Hm为Hm的值与运行全部程序所需的时间成反比，用它来衡量计算机的时间(速度)性能比较准确。　　几何性能平均值Gm为由于(1)加权算术平均值：(2)加权调和平均值：(3)加权几何平均值：计算CPU的程序执行时间TCPU有3个因素，即程序执行

8、的总指令条数IC(InstructionCounter)、平均每条指令的时钟周期数CPI(CyclesPerInstruction)、主时钟频率fc。这样假设系统共有n种指令，第i种指令的时钟周期数为CPIi，第i种指令在程序中出现的