第1章-嵌入式系统概论

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1、嵌入式系统原理与实验 1 大平台课程系列 嵌入式系统原理与实验 Embedded System: Principles and Experiments 主讲：田社平 嵌入式系统原理与实验 2 课程目标 结合 Intel 80x86系列 CPU以及 Cortex-M3单片机，使同学们掌握计算机组成、 CPU内部结构、存储器、常用的 I/O接口、指令系统、汇编语言等基本原理 培养同学们应用计算机硬件和软件基础知识的能力 能够利用外围芯片设计开发小规模的计算机应用系统，为将计算机运用到现代通讯、信息处理、自动控制与检测等领域打下坚实的基础 嵌入式系统原理与实验 3 学习内容 1. 概论 计算机系统概

2、论 中央处理器与指令系统 存储系统 2. 8086微机系统与接口技术 8086微机系统原理和结构 8086汇编语言程序设计 典型接口芯片原理和应用 3. Cortex-M3嵌入式系统 ARM Cortex嵌入式系统原理和结构 Cortex-M3中断和异常 Cortex-M3 I/O接口和扩展总线 Cortex-M3开发和调试 嵌入式系统原理与实验 4 成绩构成： 平时（作业、出勤、实验） 30 其中： 8次实验占 24%，作业、出勤占 6% 期中笔试 40 笔试，开卷 期末实验 30 上机考试，开卷 软件下载： ftp:/ User name: sptian Password: 123456

3、嵌入式系统原理与实验 5 参考书目： Computer Organization and Architecture, 8rd edition,William Stallings. (PDF version is available) 计算机组成与系统结构，胡越明编著，上海交通大学出版社 The 80x86 IBM PC and Compatiable Computer, 4th edition,Muhammad Ali Mazidi,.(PDF version is available) 微型计算机原理与接口技术 .周荷琴 吴秀清 .中国科学技术大学出版社 . 2008 ARM Cortex-

4、M3 权威指南， Joseph Yiu 著，宋岩译，北京航空航天大学出版社（中英文版） 嵌入式系统原理与实验 6 上课时间安排： 周二：第 9-10节；第 1-9周； 其中第 6周（ 3月 29日）、第 8周（ 4月 19日）取消 。 周三：第 3-4节；第 1-16周 周四：第 1-2节；第 1-16周 嵌入式系统原理与实验 7 第 1章 嵌入式 系统概论 计算机系统的基本构成 计算机的硬件结构 计算机软件系统 数据编码和数据运算 嵌入式系统简介 嵌入式系统原理与实验 8 1 计算机系统的基本构成 图 1- 1 计算机的基本结构存储器输出输入运算器控制器数据线路控制信号冯 诺依曼结构 嵌入式

5、系统原理与实验 9 微型计算机 以微处理器为核心 配上由大规模集成电路的 存储器（ ROM/RAM）、 输入输出接口 （ I/O）电路及 系统总线 （ BUS）等所组成的计算机。 将这些组成部分 集成在一片超大规模集成电路芯片 上则构成 单片微型计算机 单片机 嵌入式计算机 嵌入式系统原理与实验 10 微型计算机的构成 存储器 I/O接口 地址总线（ AB） I/O设备 ROM：只读存储器 RAM：读写存储器 数据总线（ DB） CPU 控制总线（ CB） 嵌入式系统原理与实验 11 冯 .诺依曼结构和哈佛结构 冯 .诺依曼 五大组成部分 . 单存储器 二进制 存储程序 控制器根据存放在存储器

6、中的指令序列工作 普林斯顿结构 哈佛结构 双存储器 . 指令存储器 . 数据存储器 嵌入式系统原理与实验 12 微型计算机系统 以微型计算机为 中心 配以 相应的外围设备 以及控制微型计算机工作的 软件 系统软件 应用软件 嵌入式系统原理与实验 13 微型计算机系统的构成 运算器 控制器 寄存器组 R A M R O M I/ O 接口 I/ O 接口 系统总线 微处理器 微机 微机系统 系统软件 I/ O 设备 I/ O 设备 嵌入式系统原理与实验 14 微型计算机系统的构成 A L U寄 存 器控 制 器键 盘 、 鼠 标显 示 器软 驱 、 硬 盘 、 光 驱打 印 机 、 扫 描 仪系

7、 统 软 件应 用 软 件微 处 理 器存 储 器总 线输 入 输 出 接 口微 型 计 算 机 系 统主 机外 部 设 备硬 件 系 统软 件 系 统嵌入式系统原理与实验 15 2 计算机的硬件结构 ALU（运算器） 存储器（读、写、访问） 容量（字、字节） 字长 指令 程序 CPU 主机 总线 嵌入式系统原理与实验 16 运算器 运算器 是完成运算功能的部件。 运算器中有一个 算术逻辑单元 （ ALU），它执行各种数据运算操作。 算术运算 ：加、减、乘、除、数据格式转换。 逻辑运算 ：按位对数据进行与、或、非、移位等运算。 ALU是一个多功能的运算电路 ，进行何种运算取决于由控制器发出的

8、控制信号 。 ALU由 2个输入端，可同时输入两个参加运算的数据。 在运算器中有若干个临时存放数据的 寄存器 ，由于存储最频繁使用的数据。 ALU 运算结果 控制信号 嵌入式系统原理与实验 17 存储器 高速缓存 ： Cache 主存储器 （内存）：（ RAM+ROM） 辅助存储器 （外存）：磁盘、 U盘、磁带、光盘等。 C P U 高速缓存 主存储器 辅助存储器 嵌入式系统原理与实验 18 存储器内的数据 位 bit 计算机所能表示的最小最基本的数据单位 取值只能为 0或 1的一个二进制数值位 记作 b 字节 byte 由 8个位二进制位组成 用作计算存储容量的单位 是所有存储器的基本存储数

9、据单元。 记作 B 1KB = 1024B 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 1TB = 1024GB 10101010 嵌入式系统原理与实验 19 字（ word） 一次可以直接处理的二进制数码的位数 通常取决于微处理器内部通用寄存器的位数和数据总线的宽度 如 CPU的数据总线是 16位的， 1word=16bit 如 CPU的数据总线是 32位的， 1word=32bit 字长反映了计算机中并行运算的能力。 双字 四倍字 存储器内的数据 嵌入式系统原理与实验 20 存储器 字数 ：存储器的地址范围 所需要的地址总线 位数 ：存储器的数据范围 所需要的数据总线 通常带地址的

10、存储器基本单元 都是 1Byte（ 8bit）的数据容量 0000H 0001H 0002H 0003H 0004H 0005H 嵌入式系统原理与实验 21 存储器组织 8位 16位 32位 如系统所需的存储器： 数据位数超过存储芯片的数据总线位数，则需要进行 位扩展 。 地址范围超过存储芯片的地址表示范围，则需要进行 字扩展 。 8 位 16 MB FF FFFF FF FFFE 000001 000000 8 位 8MB FF FFFF FF FFFD 00000 3 000001 FF FFFE FF FFFC 000002 000000 8 位 8MB 8 位 4 MB FF FFFE

11、 FF FFF A 000006 000002 FF FFFD FF FFF9 000005 000001 8 位 4 MB 8 位 4 MB FF FFFF FF FFFB 000007 000003 FF FFFC FF FFF8 000004 000000 8 位 4 MB D7D0 D15 D8 D7D0 D7D0 D15 D8 D23 D1 5 D31 D2 4 嵌入式系统原理与实验 22 控制器 指令 控制器 在计算机 指令 的控制下进行工作。 计算机指令 是一种 经过编码的操作命令 。 它指定需要进行的操作，支配计算机中信息的传递以及计算机与 I/O设备间的传递。 控制器对指令进

12、行译码 ，并根据指令的操作要求指挥所有其它部件的工作，为此它 根据指令生成一系列时序控制信号 ，控制其它单元工作。 控制器不断地从存储器中读取指令，然后分析指令的含义（ 译码 ），并执行该指令的操作， 执行完成以后又从存储器中读取 下一条指令 。 嵌入式系统原理与实验 23 一条计算机指令的功能是有限的，完成复杂的运算功能需要将多条指令组合起来构成一个指令序列。这样的一个完成某种功能的指令序列成为 程序 。 指令在计算机中用 二进制的代码 （ 机器码 ）表示，以便于硬件的识别。 程序在执行前 存储在主存储器中 ，控制器通常按指令的顺序自动地从存储器中取出指令并 依次执行 ，或者 根据指令决定执

13、行的顺序 （如 跳转指令 等）。 控制器 程序 嵌入式系统原理与实验 24 CPU、主机 运算器和控制器一起构成了计算机的 中央处理器 （ Central Processing Unit，CPU）。它是计算机的核心部件。 通常还把 CPU、存储器和输入 /输出接口电路和在一起构成的电路系统称为 主机（也即微型计算机） 连接计算机各个部分的方式可以采用 总线 的方式。 嵌入式系统原理与实验 25 总线（ BUS） 总线 是计算机中连接各个功能模块的 纽带 ，是计算机各模块之间进行信息传输的 公共线路 。 连接在总线上的模块分为 发送模块 和 接收模块 ，构成信息的 接收方 和 发送方 。 总线上

14、的设备可分为 主设备 和 从设备 两大类。 总线主设备：能够启动总线服务的设备（如 CPU）。 总线从设备：只能等待启动命令的被动型设备。 嵌入式系统原理与实验 26 总线的分类 可按以下特性来对总线进行分类： 物理特性 功能特性 电气特性 嵌入式系统原理与实验 27 物理特性 按连线的类型 电缆式 ：通常采用扁平电缆连接线路板 主板式 ：在主机板上采用插槽方式供功能板插入。 背板式 ：在机箱中设置一个专门的总线插槽板。 按连线的数量 串行总线 ：用一条数据线进行数据传输。 并行总线 ：一般有 8位、 16位、 32位、 64位总线。 嵌入式系统原理与实验 28 主板 嵌入式系统原理与实验 29 背板 嵌入式系统原理与实验 30 功能特性 按功能层次