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1、page微机原理与嵌入式系统基础微机原理与嵌入式系统基础西安邮电学院-计算机系QQ:646938309Email:12/29/20221西安邮电学院 计算机系page第第1章章计算机与嵌入式系统计算机与嵌入式系统基础知识基础知识 12/29/20222西安邮电学院 计算机系page考核要求n考试成绩（课堂教学内容）70n上机成绩（上机出勤及编程情况）15n平时成绩（上课出勤及作业等学习情况）1512/29/20223西安邮电学院 计算机系page第1章目录1.1 计算机基础知识1.2 数制和数值表示与处理1.3 信息编码1.4 嵌入式系统概述12/29/20224西安邮电学院 计算机系page
2、第1章目录1.1 计算机基础知识1.2 数制和数值表示与处理1.3 信息编码1.4 嵌入式系统概述12/29/20225西安邮电学院 计算机系page1.1 1.1 计算机基础知识计算机基础知识n在此所探讨的计算机是指“电子计算机”。n以微电子学、数学、系统论为基础的现代高科技综合产物电子计算机，已广泛地深入到我们科研、生产和生活的各个角落。n电子计算机自1946年在美国宾西法尼亚大学诞生以来，初期主要用于科学计算；目前，用于非数值处理的计算机 90%；n嵌入式系统应用是计算机科技发展的重要分支。12/29/20226西安邮电学院 计算机系page1.1.2 1.1.2 计算机的发展计算机的发
3、展 自自19461946年世界上第一台电子计算机问世以来，年世界上第一台电子计算机问世以来，计算机的发展已经历了四代：计算机的发展已经历了四代：第一代：电子管计算机第一代：电子管计算机第一代：电子管计算机第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第二代：晶体管计算机第二代：晶体管计算机第二代：晶体管计算机第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机第三代：集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机目前，各国正加紧研制和开发第五代“非冯诺依曼”计算机和第
4、六代“神经”计算机。12/29/20227西安邮电学院 计算机系page1.1.3 1.1.3 冯冯.诺伊曼计算机体系结构诺伊曼计算机体系结构冯诺伊曼计算机体系结构的要点：n计算机中的信息（程序和数据）以二进制方式表示。n程序预存储，机器自动执行。n计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。12/29/20228西安邮电学院 计算机系page1、中央处理器（CPU）n中央处理单元（Central Processing Unit，简写为 CPU）也称之为处理器，是计算机的核心部件，主要功能是解释并执行计算机指令，完成数据处理和对计算机其他各部分进行控制。nCPU主要由运算器
5、、控制器、寄存器组和内部总线等构成。12/29/20229西安邮电学院 计算机系pagenCPU执行指令的过程大致可分为三个阶段：取指（fetch）:将待操作的指令码从存储器取到处理器。译码（decode）:对指令码进行分析译码。执行（execute）:产生指令码对应的操作信号。1、中央处理器（CPU）12/29/202210西安邮电学院 计算机系page运算器控制器PCCPUcmd_ncmd_n+1cmd_n+2存储器取指指针cmd_n+1指令码cmd_n+1指令码cmd_n+2取指指针cmd_n+212/29/202211西安邮电学院 计算机系page2、存储器（Memory）n存储器（M
6、emory）是计算机系统中用来存储程序和数据的信息记忆部件。n在计算机内部，程序和数据都以二进制形式表示，8位二进制代码作为一个字节。为了便于对存储器进行访问，存储器通常被划分为许多单元，每个存储单元存放一个字节的二进制信息，每个存储单元分别赋予一个编号，称为地址。n在处理器控制下，可以向地址指定的存储器单元存入数据（也称为写存储器）或从地址指定存储器单元取出数据（也称为读存储器）。12/29/202212西安邮电学院 计算机系pageE7H34HA5HF2H38H4001H4002H4003H4004H4005H地址指令或数据内容0011100000111000图内存单元的地址和内容如图所示
7、，地址为4005H的存储单元中存放了一个八位二进制信息00111000B。12/29/202213西安邮电学院 计算机系page3、输入/输出接口与设备（IO Device）n计算机通过执行程序完成信息的处理，这就需要有通道能将程序和待处理的数据送入到计算机中，计算机处理后的结果数据也能够通过某种通道被送出来。这些完成信息进出计算机的专用设备称为“输入/输出设备”（简称为外设）。n在计算机原理上，我们所说的外设主要是指这些“输入/输出接口”（简称为接口外设），它不特指某一具体的外设物理装置，更具有逻辑原理普遍性。12/29/202214西安邮电学院 计算机系page1.1.4 1.1.4 计算
8、机系统计算机系统12/29/202215西安邮电学院 计算机系page1.1.5 1.1.5 计算机的工作过程计算机的工作过程12/29/202216西安邮电学院 计算机系page第1章目录1.1 计算机基础知识1.2 数制和数值表示与处理1.3 信息编码1.4 嵌入式系统概述12/29/202217西安邮电学院 计算机系pageu概述计算机中的所有信息都是以二进制的形式表示；包括：指令、数值、文本、音像等；数据-计算机中的所有信息的二进制存在形式。数值-具有量（多少）含义的数据。计算机中之所以采用二进制数据，是因为用数字电路的高/低电平易于实现二进制数的表示及运算，并且二进制数通过编码可以表
9、示任何信息。12/29/202218西安邮电学院 计算机系pageu概述计算机中的所有信息都是以二进制的形式表示；包括：指令、数值、文本、音像等；数据-计算机中的所有信息的二进制存在形式。数值-具有量（多少）含义的数据。在此，先研讨数值数据的特点、基本要求，以及在计算机中的表示方法。12/29/202219西安邮电学院 计算机系page1、十进制数表示法和运算规则2、十六进制数表示法和运算规则3、二进制数表示法和运算规则4、数制之间的转换1.2.1 1.2.1 无符号数的十进制、十六进制、无符号数的十进制、十六进制、二进制表示法与运算二进制表示法与运算本小节讨论的几个问题：12/29/2022
10、20西安邮电学院 计算机系page1 1、十进制数表示法和运算规则十进制数表示法和运算规则n基本规则 用十个基本符号集0，1，2，3，4，5，6，7，8，9中的元素（称为基数）排列表示数据，并依此表示数值。加法运算时“逢十进一”，减法运算时“借一当十”。n任何一个十进制数N的表示其中的Di为第i位上的基数，10i为“权位”。123.45=1102+2101+3100+410-1+510-212/29/202221西安邮电学院 计算机系page2 2、十六进制数表示法和运算规则、十六进制数表示法和运算规则n基本规则 用十六个基本符号集0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F
11、中的元素（称为基数）排列表示数据，并依此表示数值。加法运算时“逢十六进一”，减法运算时“借一当十六”。n任何一个十六进制数N的表示 1A3.D8H=1162+A161+3160+D16-1+816-2=1162+10161+3160+1316-1+816-2=419.84375其中的Di为第i位上的基数，16i 为“权位”。12/29/202222西安邮电学院 计算机系page例例1.11.1：十六进制数加、减运算：1DF.A h+4C.3h ；1DF.A h 4C.3h 12/29/202223西安邮电学院 计算机系page3 3、二进制数表示法和运算规则、二进制数表示法和运算规则 n基本规
12、则 用两个基本符号集0，1中的元素（称为基数）排列表示数据，并依此表示数值。加法运算时“逢二进一”，减法运算时“借一当二”。n任何一个二进制数N的表示 其中的Di为第i位上的基数，2i为“权位”。101.01B=122+021+120+02-1+12-2=5.2512/29/202224西安邮电学院 计算机系page例例1.21.2：二进制数加、减运算：1101.101b+100.1b ；1011.1b 101.01b 12/29/202225西安邮电学院 计算机系page4 4、数制之间的转换、数制之间的转换 进位计数制进位计数制 基数基数数数 码码 权重权重符号符号二进制数二进制数20，1
13、2iB八进制数八进制数8 0，1，2，3，4，5，6，78iQ十进制数十进制数10 0，1，2，3，4，5，6，7，8，910iD十六进制数十六进制数160，1，2，3，4，5，6，7，8，9，A，B，C，D，E，F16iH12/29/202226西安邮电学院 计算机系page二进制数与十六进制数的对应关系 二进制数十六进制数二进制数十六进制数00000100080001110019001021010A001131011B010041100C010151101D011061110E011171111F12/29/202227西安邮电学院 计算机系pagen十六进制数到二进制数的转换规则：以小数
14、点为参照，分别转换整数部分和小数部分，每1位十六进制数直接转换为4位的二进制数即可。例例1.3：1FA.Ch=000111111010.1100b1FAC12/29/202228西安邮电学院 计算机系pagen二进制数到十六进制数的转换规则：以小数点为参照，分别转换整数部分和小数部分，整数部分向左（小数部分向右）每4位的二进制数划分为一个转换单元（不足部分补0），将4位的二进制数直接转换为1位十六进制数。例例1.4：1010110101.011b=001010110101.0110b2B56=2B5.6h12/29/202229西安邮电学院 计算机系pagen二进制数、十六进制数到十进制数的转
15、换 分别将十六进制数或二进制数展开，再按照十进制数运算法则计算，则即可直接计算出相应的十进制数。例例1.5：1FA.Ch=1162+15161+10160+1216-1=506.75例例1.6：1010110101.011b=129+028+127+026+125+124+023+122+021+120+02-1+12-2+12-3=693.37512/29/202230西安邮电学院 计算机系pagen十进制数到二进制数、十六进制数的转换 转换规则：分别转换整数部分和小数部分，之后合成即可。整数部分的转换：整数部分除基数取余（向二进制数转换时基数为2，向十六进制数转换时基数为16），商递归步骤
16、，直至商值等于0，先得到的“余”是整数部分的低位。小数部分的转换：小数部分乘基数取整（向二进制数转换时基数为2，向十六进制数转换时基数为16），小数部分递归步骤，直至小数为0，先出的“整”是小数部分的高位。主讲内容12/29/202231西安邮电学院 计算机系page例例1.71.7：137.8125转换为二进制数 整数部分137到二进制的转换 高位低位算式商 余1372681682340342170172818240422022101201137=10001001b12/29/202232西安邮电学院 计算机系page例例1.71.7：137.8125转换为二进制数 小数部分0.8125到二
17、进制的转换 高位低位算式整数部分小数部分0.8125210.6250.625210.250.25200.500.52100.8125=0.1101b137.8125=10001001.1101b12/29/202233西安邮电学院 计算机系page例例1.81.8：137.8125转换为十六进制数 整数部分137到十六进制的转换 小数部分0.8125到十六进制表示的转换 低位高位算式商余137168981608137=89h高位低位算式整数部分小数部分0.81251613（0 xD）00.8125=0.Dh137.8125=89.Dh12/29/202234西安邮电学院 计算机系page1、带
18、符号数-原码表示2、带符号数-反码表示3、带符号数-补码表示1.2.2 1.2.2 符号数的原码、反码和补码表示符号数的原码、反码和补码表示本小节讨论的几个问题：12/29/202235西安邮电学院 计算机系page1.2.2 1.2.2 符号数的原码、反码和补码表示符号数的原码、反码和补码表示n原码约定：数值x的原码记为 x原，假设机器（处理器）字长为n位，则有对于一个n位的二进制数，其可表示的原码数值范围：-(2n-1-1)(2n-1-1)。例如：n=8时，可表示的数值范围-127127。数值0有两种表示方式：0000 0000（+0）和1000 0000（-0），在该码制中，人们习惯将0
19、用+0 方式表示。12/29/202236西安邮电学院 计算机系pagen反码 约定：数值x的反码记为 x反，假设机器字长为n位，则有 对于一个n位的二进制数，其可表示的反码数值范围：-(2n-1-1)(2n-1-1)。例如：n=8时，可表示的数值范围-127127。数值0有两种表示方式：0000 0000（+0）和1111 1111（-0），在该码制中，人们习惯将0用+0 方式表示。12/29/202237西安邮电学院 计算机系pagen求反码的真值运算也很简单，首先依据符号位（S=0 或 S=1）填写正负号，如果是正数（S=0），直接按原码算法求出其真值；如果是负数（S=1），先将数值位按
20、位取反，如此就得到了该数据的原码，再按原码求出其真值，加上符号即得。例例1.121.12 n=8时，分别求0100 0101b反和1100 0101b反的真值。0100 0101b反 的最高码位是“0”表明它的真值是正数，余下7位数据的值是69，那么0100 0101b反 的真值就是+69 即 69；1100 0101b反 的最高码位是“1”表明它的真值是负数，先将数值位按位取反求出它的原码是1011 1010b原，再求出该原码的真值是-58，即得1100 0101b反 的真值是-58。12/29/202238西安邮电学院 计算机系pagen补码约定：数值x的补码记为x补，假设机器字长为n位，
21、则有 对于正数，其补码与原码、反码完全一样，而负数的补码则是2n的模补。在实际求某负数的补码运算时，其补码就等于它的反码加1。从补码定义可见，对于一个n位的二进制数据容器，其可表示的补码数据范围：-2n-1(2n-1-1)。例如：n=8时，补码可表示的数据范围-128127。12/29/202239西安邮电学院 计算机系pagen例例1.131.13：n=8时，分别求出87和-87 的补码。求87的补码：87补=0101 0111b；求-87的补码：先求-87原=1101 0111b再求-87反=1010 1000b 则-87补=1010 1001b n例例1.141.14：n=8时，分别求0
22、100 0101b补 和1100 0101b补的真值；0100 0101b补 的最高码位是“0”表明它的真值是正数，计算余下的7位数据值是69，那么 0100 0101b补 的真值就是+69 即 69；1100 0101b补 的最高码位是“1”表明它的真值是负数，先求出它的原码是1011 1011b原，再求出它的真值是-59，即1100 0101b补 的真值是-59。12/29/202240西安邮电学院 计算机系page1.2.3 1.2.3 补码的运算、溢出及其判断方法补码的运算、溢出及其判断方法 1.补码的加法运算在编码长度固定为n的补码值域内，对于符号数x、y，有：x+y补=x补+y补
23、即在运算结果值不超出补码可表示的值域范围时，两个符号数之和的补码等于这两个数的补码和，运算结果以补码形式表示。12/29/202241西安邮电学院 计算机系page例1.16 n=8时，x=25，y=37；分别计算x+y补 和 x补+y补，并对比结果。解：25补=00011001b；37补=00100101b对比两种运算结果有：25补+37补=00011001b+00100101b=00111110b=62补12/29/202242西安邮电学院 计算机系page例例1.17 1.17 n=8时，x=-25，y=-37；分别计算x+y补 和 x补+y补，并对比结果。解：-25补=11100111
24、b；-37补=11011011b对比两种运算结果有：-25补+-37补=11100111b+11011011b=11000010b=-25+(-37)补=-62补12/29/202243西安邮电学院 计算机系page2.补码的减法运算在编码长度固定为n的补码值域内，对于符号数x、y，有：x-y补=x补-y补=x补+-y补 即在运算结果值不超出补码可表示的值域范围时，两个符号数之差的补码等于这两个数补码的差，等于被减数的补码与减数相反数补码的和，运算结果以补码形式表示。12/29/202244西安邮电学院 计算机系page例例1.19 1.19 n=8时，x=25，y=37；分别计算 x-y补、
25、x补-y补 和x补+-y补，并对比结果。解：25补=00011001b；37补=00100101b；-37补=11011011b12/29/202245西安邮电学院 计算机系page对比两种运算结果有：25补-37补=00011001b-00100101b=11110100b=25-37补=-12补。25补+-37补=00011001b+11011011b=11110100b=25-37补=-12补。12/29/202246西安邮电学院 计算机系page3.补码的溢出和判别方法 例：n=8时，x=60，y=70；计算x补+y补并分析运算结果。补码运算说明溢出溢出-就是运算就是运算结果超出结果超
26、出了数据容器能表示数了数据容器能表示数值的值的范围范围而造成容器中数据而造成容器中数据出错出错的现象。的现象。12/29/202247西安邮电学院 计算机系pagen补码运算溢出的判断方法 1.从原理上来说（原因），由于运算结果数值超出了数据容器的表示值域导致了数据溢出。2.发生运算溢出时，结果数据不可直接使用。3.但在计算机中并不是（也不能）根据溢出的定义去判断运算是否有溢出，而是通过判断下述进位情况的组合，来判断补码运算是否溢出。运算结果数据是否溢出与CF和DF有以下逻辑关系：当CF异或DF结果为1时，补码运算有溢出，否则补码运算无溢出。OV=CF DFif(OV=1)thenOverfl
27、ow,thedataerror;elseNoOverflow,thedatatrue;12/29/202248西安邮电学院 计算机系page例1.22 n=8时，x=60，y=70；计算 x补+y补 并分析运算溢出情况。解：60补=00111100b；70补=01000110b；因为OF=CFDF=01=1，可知该补码运算有溢出，数据容器中的结果出错。12/29/202249西安邮电学院 计算机系page例例1.23 1.23 n=8时，x=-25，y=-37；计算 x补+y补 并分析运算溢出情况。解：-25补=11100111b；-37补=11011011b；因为OF=CFDF=11=0，可
28、知该补码运算没有溢出，数据容器中的结果正确。12/29/202250西安邮电学院 计算机系page任何信息在计算机中都是以二进制数的形式表示。计算机中的二进制数据称之为“机器数机器数”，机器数所代表的值含义称为该机器数的“真值真值”。广义的说“真值”可以是数值，也可以是字符，甚至是语音或图象等。在此，我们仅讨论数值型真值和机器数的对应关系。由前所述可知，同一个机器数在不同的编码体制中具有不同的真值含义。1.2.4 1.2.4 真值与机器数真值与机器数12/29/202251西安邮电学院 计算机系page8bit二进制机器数无符号二进制数（真值）带符号数（真值）原码反码补码00000000000
29、0000100000010011111100111111110000000100000011000001010000011111111011111111011111111012126127128129130131253254255+0+1+2+126+127-0-1-2-3-125-126-127+0+1+2+126+127-127-126-125-124-2-1-0+0+1+2+126+127-128-127-126-125-3-2-112/29/202252西安邮电学院 计算机系page8bit二进制 机器数无符号二进制数（真值）带符号数（真值）原码反码补码0000 00000000 00
30、010000 00100111 11010111 11100111 1111100000001000 00011000 00101000 00111000 01001111 11011111 11101111 1111012125126127128129130131132253254255+0+1+2+125+126+127-0-1-2-3-4-125-126-127+0+1+2+125+126+127-127-126-125-124-123-2-1-0+0+1+2+125+126+127-128-127-126-125-124-3-2-112/29/202253西安邮电学院 计算机系page
31、第1章目录1.1 计算机基础知识1.2 数制和数值表示与处理1.3 信息编码1.4 嵌入式系统概述12/29/202254西安邮电学院 计算机系page计算机中的所有信息（指令、数值、文本、音像等）都是以二进制数据的形式表示，如何使用二进制数据表示不同的信息（字符、数值、音像等），这就是信息编码研究的问题。大千世界各种信息海量，其形式和内容很复杂，信息编码学等专业课程专题研究了相关的理论和技术，在此仅讨论计算机常用的BCD编码和ASCII编码两种编码，向大家介绍计算机中编码的基本知识。n信息编码信息编码-概述概述12/29/202255西安邮电学院 计算机系page计算机中对信息编码时的几个基
32、本出发点：n信息编码信息编码-概述概述1、通过编码可以准确地区分不同的信息；2、便于CPU对信息编码数据的处理；3、bit数尽量少；12/29/202256西安邮电学院 计算机系page1.3.1 BCD1.3.1 BCD编码编码十进制数十进制数0123484218421码码00000001001000110100十进制数十进制数5678984218421码码01010110011110001001BCD编码（Binary Coded Decimal 二进制编码十进制数）是一种综合了二进制数和十进制数特点的编码方式，用4bit的二进制数据位表示1位的十进制数据，并在此基础上，对任意的十进制数据
33、分别对其各位逐位编码。12/29/202257西安邮电学院 计算机系pagen简单直接的二进制运算不能保证BCD编码运算的正确性，有时需要修正。修正的法则：u两个4bit的BCD码相加，无进位并且结果码不大于1001b，则不需要修正；该4bit就是相加结果的BCD码。u两个4bit的BCD码相加，有进位或者结果码大于1001b，则该4bit需要加0110b修正；修正后得到本码元的结果BCD码。进位再计算入高位BCD码段。12/29/202258西安邮电学院 计算机系pagen计算机通常按字节（8bit/字节）组织存储器，如果每一个字节仅存放一个BCD码数据话，这样的BCD码称之为非压缩型BCD
34、码，此种方式下，用字节的低4bit存储BCD码数据，字节的高4bit总是0000b。为了提高存储器利用率，使用字节的高4bit和低4bit分别存放两个BCD码位，称这样表示的BCD码为压缩型BCD码12/29/202259西安邮电学院 计算机系page1.3.2 1.3.2 字符字符ASCIIASCII编码编码 u在计算机应用中除了数值处理之外，还存在大量的非数值信息处理应用。u计算机中所有的数据（数值、非数值信息）在存储和运算时，都要使用二进制数表示。u最常用到的英文字母a,b,c,等及其大写的A,B,C,；以及标点符号、数字符号等在计算机中处理时也要被编码。u原则上可任何人、随意编码；但为
35、便于相互交流，有必要使用公认的编码。12/29/202260西安邮电学院 计算机系page1.3.2 1.3.2 字符字符ASCIIASCII编码编码 美国有关的标准化组织就出台了所谓的ASCII编码-美国标准信息交换标准码(American Standard Code for Information Interchange,ASCII)，统一规定了上述常用符号的二进制数表示方式。12/29/202261西安邮电学院 计算机系page12/29/202262西安邮电学院 计算机系page第1章目录1.1 计算机基础知识1.2 数制和数值表示与处理1.3 信息编码1.4 嵌入式系统概述12/29
36、/202263西安邮电学院 计算机系page1.4.0 1.4.0 概述概述经过几十年的发展，嵌入式系统已经在很大程度改变了人们的生活、工作和娱乐方式，而且这些改变还在加速。嵌入式系统具有无数的种类，每类都具有自己独特的个性。例如，MP3、数码相机与打印机就有很大的不同。汽车中更是具有多个嵌入式系统，使汽车更轻快、更干净、更容易驾驶。12/29/202264西安邮电学院 计算机系pagen现实中的嵌入式系统即使不可见，嵌入式系统也无处不在。嵌入式系统在很多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航天领域。例如神州飞船和长征火箭中肯定有很多嵌入式系统，导弹的制导系
37、统也是嵌入式系统，高档汽车中也有多达几十个嵌入式系统。在日常生活中，人们使用各种嵌入式系统，但未必知道它们。事实上，几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机、电脑电饭煲）都是嵌入式系统。嵌入式系统广泛的适应能力和多样性，使得视听、工作场所甚至健身设备中到处都有嵌入式系统。12/29/202265西安邮电学院 计算机系pagen现实中的嵌入式系统12/29/202266西安邮电学院 计算机系page1.4.1 1.4.1 嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的基本概念目前，对嵌入式系统的定义多种多样，但没有一种定义是全面的。下面给出两种比较合理定义：从技术的角度定义：以应用为中心、以计算机技术为基
38、础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。从系统的角度定义：嵌入式系统是设计完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。术语嵌入式反映了这些系统通常是更大系统中的一个完整的部分，称为嵌入的系统。嵌入的系统中可以共存多个嵌入式系统。12/29/202267西安邮电学院 计算机系pagen简而言之，嵌入式系统就是嵌入到目标应用系统中、完成特定处理功能的专用计算机系统。嵌入性：一般包含两方面含义，本系统是嵌入到另一目标大系统中为完成大系统功能服务的组成部分；完成特定功能处理的软件代码也嵌入到了目标系统。专用性：本系统是专为该目标系统特别
39、设计定制的；计算机系统：在体系结构和原理组成上，它是计算机系统。12/29/202268西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式系统示例汽车控制系统12/29/202269西安邮电学院 计算机系page马达控制器车灯n嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统12/29/202270西安邮电学院 计算机系page1.4.2 1.4.2 嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类早期的嵌入式系统通常使用普通个人计算机（PC）中的通用处理器。近年来，越来越多地使用嵌入式处理器。概述u嵌入式微处理器（单板机）u嵌入式微控制器
40、（单片机）u嵌入式DSP处理器u嵌入式片上系统（SOC、SOPC）这些嵌入式处理器可以大致分为以下几类：12/29/202271西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式处理器嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、
41、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。嵌入式微处理器CPUROMRAM外设1外设2单板计算机12/29/202272西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式处理器嵌入式微控制器又称单片机单片机，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同
42、的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、
43、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。嵌入式微控制器复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核12/29/202273西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式处理器DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56
44、000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。嵌入式DSP处理器12/29/202274西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式处理器随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一
45、个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的HDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SoC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Ech
46、elon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SoC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。嵌入式片上系统(SOC)12/29/202275西安邮电学院 计算机系pagen嵌入式系统的未来早在1990年之前，嵌入式系统通常是很简单的且具有很长的产品生命周期的自主设备。近些年来，嵌入式工业经历了巨大的变革。产品市场窗口现在预计翻番的周期狂热到69个月。全球
47、重新定义市场的机会和膨胀的应用空间。互联现在是一个需求而不是辅助性的，包括用有线和刚刚显露头角的无线技术。基于电子的产品更复杂化。互联嵌入式系统产生新的依赖网络基础设施的应用。微处理器的处理能力按莫尔定律（MooresLaw）预计的速度在增加。该定律认为集成电路和晶体管个数每18个月翻一番。12/29/202276西安邮电学院 计算机系page1.4.3 1.4.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统n概述计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六
48、十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(OperatingSystem)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。12/29/202277西安邮电学院 计算机系page1.发展历程 监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入式设备和有实时性要求的系统中12/29/202278西安邮电学院 计算机系page1.发展历程 监控程序操作系统实时操作系统分时操作系统多道批处理操作系统时间先后适用于多个用户共享系统资源适用于计算中心等较大的计算机系统适用于嵌入
49、式设备和有实时性要求的系统中实时操作系统是我们介绍的重点12/29/202279西安邮电学院 计算机系page2.实时操作系统的特点总的来说实时操作系统是事件驱动的，能对来自外界的作用和信号在限定的时间范围内作出响应。它强调的是实时性、可剪裁性和可靠性,与实时应用软件相结合成为有机的整体起着核心作用,由它来管理和协调各项工作,为应用软件提供良好的运行软件环境及开发环境。从实时系统的应用特点来看实时操作系统可以分为两种：一般实时操作系统一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统。12/29/202280西安邮电学院 计算机系pagen实时操作系统的特点一般实时操作系统一般实时操作系统
50、应用于实时处理系统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一致的环境。嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的开发过程是通过交叉开发来完成的，即开发环境与运行环境是不一致。嵌入式实时操作系统具有规模小(一般在几K几十K内)、可固化使用实时性强(在毫秒或微秒数量级上)的特点。12/29/202281西安邮电学院 计算机系page3.常见的嵌入式操作系统C/OS-II是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式的实时多任务操作系统。其绝大部分源码是用ANSIC写的，使其可以方便的移植并支持大多数类型的处理器。C/OS-I