[嵌入式]计算机组成原理第一章概论

1.1 计算机的分类

电子计算机分为电子模拟计算机：即为“相似”。特点为数值由连续量来显示，运算过程也是连续的。

另一类为电子数字计算机，用数字来表示数量的大小，特点为按位运算，不连续跳动计算。

主要区别

电子数字计算机分为专用计算机与通用计算机，根据计算机的效率，速度，价格，运行的经济型与适应性划分。专用计算机是最有效，最经济与最快速的计算机，但适应性差。通用计算机可分为超级计算机，大型机，服务器，PC机，单片机与多核机六类。区别在于体积，简易性，功率损耗，性能指标，数据存储容量，指令系统规模与机器价格。

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1.2 计算机的发展简史

1.2.1 计算机的五代变化：

第一代为1946-1957，电子管计算机，形成计算机基本体系，确定程序设计的基本方法，数据处理机开始得到应用

第二代为1958-1964，晶体管计算机，工业控制机开始得到应用

第三代为1965-1971，中小规模集成电路计算机，形成机种多样性，生产系列化，使用系统化，小型计算机开始出现

第四代为1972-1990，大规模和超大规模集成电路计算机，由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现

第五代为1991开始的巨大规模集成电路计算机，由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现

大约每隔五年运算速度与可靠性提升10倍，成本与体积降为1/10

计算机从第三代起，与集成电路技术的发展密切相关。1965年摩尔观察到芯片上的晶体管数量每年翻一番，1970年这种态势减慢为每18个月翻一番，这就是摩尔定律。

1.2.2 半导体存储器的发展

20世纪50~60年代，计算机存储器都是由微小的铁磁环（磁芯）做成，这些磁芯处在计算机内用三条细导线穿过网格板上。每个磁芯的一种磁化方向代表一个1，另一个磁化方向代表一个0.磁芯存储器速度快，价格昂贵，体积大，而且读出是破坏性的，因此必须有读出后立即重写数据的电路，手工艺复杂。

1970年，生产第一个较大容量半导体存储器，非破坏性，读写速度快，价格昂贵。1974年，每位半导体存储器

1.2.3 微处理器的发展

1971年，Intel开发出Intel 4004，第一个将CPU的所有元件放入同一块芯片内的产品，微处理器诞生。

Intel 4004能完成两个4位数相加，通过重复相加完成乘法。Intel 8008，第一个八位微处理器。Intel 8080有更丰富的指令系统与更强的寻址能力。还有16位微机与32位单片微处理器。

1.2.4 计算机的性能指标

1.3 计算机的硬件

1.3.1 硬件组成要素

电子数字计算机须有运算工具，解题步骤与原始数据的输入与存储，运算结果的输出以及整个计算过程的调度控制。包括存储器，运算器，输入/输出设备，控制器，适配器。其中存储器，运算器，控制器，适配器与系统总线为双向数据代码传送通路。

1.3.2 运算器

主要功能为进行加减乘除等算术运算，还可进行逻辑运算，通常称为ALU（算术逻辑运算部件），电子数字计算机广泛采用二进制数，在运算中，数的位数越高，精度越高。计算机的一般运算长度为8，16，32，64位。

1.3.3 存储器

主要功能为保存或“记忆”解题的原始数据与解题步骤，无论是数据还是解题步骤都是以二进制代码存放。目前，采用半导体器件，一个半导体触发器由于有0和1两个状态，可以记忆一个二进制代码。一个数假定用16位二进制代码来表示，需要16个触发器保存这些代码，称为一个存储单元。存储器由许多存储单元组成，每个存储单元都有编号，称为地址。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，半导体存储器存储容量有限，因此计算机中配备了存储容量更大的磁盘存储器与光盘存储器，为外存储器。

1.3.4 控制器

主要功能为从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。运算器只能完成加减乘除以及一些辅助操作。每一个基本操作都叫做一条指令，解算某一问题的一串指令序列，称为该问题的计算程序，简称程序。

每条指令应当明确告诉控制器，从存储器的哪个的哪个单元取数，并进行何种操作，指令内容分为两部分，即操作的性质与操作数的地址，称为操作码与地址码。操作码与地址码用二进制码表示，地址码部分与数据一样，是二进制数的数码，操作码是二进制代码的编码。

指令的操作码定义

存储器的任何位置既可存放数据也可存放指令，一般是将指令与数据分开存放。将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序，控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务称为程序控制。存储程序并按地址顺序执行，为冯·诺依曼结构；如果指令与数据分别存放在两个存储器，称为哈佛结构。显然哈佛结构的计算机速度更快。一台计算机通常有几十种基本指令，从而构成计算机的指令系统。指令系统不仅是硬件设计的的依据，更是软件设计的基础。

控制器的基本任务为按照计算程序所排的指令序列，从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，根据指令性质，执行指令，以此类推。通常将取指令的时间称为取指周期，执行指令的时间称为执行周期。在计算机系统中，运算器与控制器通常被组合在一个集成电路芯片中，合称为中央处理器（CPU）

由于计算机仅使用0与1两个二进制数字，所以使用“位”作为数字计算机的最小信息单位。当CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，不能存放单个的“位”，而用B（字节）和W（字）等较大的信息单位工作。一个“字节”由8位二进制信息组成，一个“字”至少需要一个以上的字节组成。。通常把组成一个字的二进制位数称为字长。

由于计算机使用的信息既有数据又有指令，代表要处理的数据的某字为数据字；代表指令的字为指令字。控制器可以区分数据字与指令字，取指周期中从内存读出的信息为指令流，流向控制器；在执行周期中从内存读出的信息为数据流，从内存流向运算器。某些指令进行过程中需要两次访问内存，一次为取指令，一次为取数据。

计算机的输入/输出设备通常称为外围设备，外围设备不是直接与高速工作的主机连接，通过适配器部件与主机联系，相当于转换器，保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息。

除了上述设备，计算机系统中必须有总线。总线系统是构成计算机系统的骨架，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，计算机各系统部件之间实现传送地址，数据与控制信息的操作。

1.4 计算机的软件

1.4.1 软件的组成与分类

计算机软件分为：系统程序与应用程序。

系统程序：简化程序设计与使用方法，提高计算机使用效率，包括：1.服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；2.语言程序：如汇编程序、编译程序、解释程序等；3.操作系统；4.数据库管理系统。

应用程序：用户利用计算机解决某些问题编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序等

1.4.2 软件的发展演变

早期，使用机器语言（即机器指令代码）编写程序，为手编语言（目的程序）。

后来，用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式表示指令，来编写程序，为汇编语言，能被转化为二进制文件的符号语言。汇编器将符号语言转化为机器语言，从而实现程序设计工作的部分自动化。

算法语言，将源程序翻译为机器语言：为计算机配制一套用机器语言写的编译程序，将源程序翻译成目的程序，机器执行目的程序。目的程序不能独立运行，需辅助程序（运行系统）。通常，将编译程序与运行系统合称为编译器。

C语言程序转换成机器语言：①源程序通过编译器编译为汇编语言；②通过汇编器汇编为机器语言的目标模块；③链接器将多个模块与库程序组合在一起以解析所以应用；④加载器将机器代码放入合适的内存位置以便处理器执行。

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操作系统：随着硬件和软件的不断发展逐渐形成的一套软件系统，管理计算机资源（如处理器，内存，外部设备和各种编译、应用程序）和自动调度用户的作业程序，使多个用户有效共用一套计算机系统。根据不同使用环境要求，大致分为批处理操作系统、分时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等。个人计算机广泛使用微软公司的“视窗”操作系统。

随着计算机在信息处理、情报检索以及各种管理系统中应用的发展，需要大量处理某些数据，建立和检索大量的表格。于是出现数据库，数据库是实现有组织地、动态地存储大量相关数据。数据库与数据库管理软件组成数据库管理系统。

1.5 计算机系统的层次结构

1.5.1 多级组成的计算机系统

①微程序设计级或逻辑电路级，硬件级，由硬件直接执行（微指令编写程序）

②一般机器级或机器语言级，硬件级，由微程序解释机器指令系统

③操作系统级,由操作系统程序实现，混合级，操作系统由机器指令与广义机器指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令

④汇编语言级，提供符号形式语言，由汇编程序支持和执行，如果应用程序采用汇编编写，机器必须由这以及的功能

⑤高级语言级，面向用户，由各种高级语言编译程序支持和执行

各级都得到下级的支持，受到运行在下面各级上的支持。

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