微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1.ppt
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1、微处理器系统结构微处理器系统结构及嵌入式系统设计及嵌入式系统设计2023/1/21通信与信息工程学院通信与信息工程学院无线通信与嵌入式系统实验室无线通信与嵌入式系统实验室阎阎 波波第第1章章 概述概述1计算机发展计算机发展机械式计算机、电子技术和半导体技术机械式计算机、电子技术和半导体技术2现代计算机系统现代计算机系统1.计算机组织的模型计算机组织的模型2.冯冯诺依曼结构和哈佛结构诺依曼结构和哈佛结构3.流水线结构流水线结构4.多机(核)并行多机(核)并行5.存储器分层存储器分层6.CISC与与RISC结构结构7.计算机性能计算机性能3嵌入式系统嵌入式系统 概念、特点、组成、发展趋势概念、特点
2、、组成、发展趋势2023/1/212023/1/212/36第一章习题第一章习题作业:作业:1、710思考:思考:2、3、5、62023/1/212023/1/213/36第一章第一章结结 束束2023/1/212023/1/214/36机械式计算机的发展机械式计算机的发展岩石上的刻痕、算盘、机岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机械计算器、通用图灵机5/36电子技术和半导体技术的诞生电子技术和半导体技术的诞生电子管电子管(vacuumtube)时代时代晶体管晶体管(transistor)时代时代第一个晶体管的诞生第一个晶体管的诞生第一代电子管计算机第一代电子管计算机ENIAC集成电路的诞
3、生集成电路的诞生第一块第一块IC诞生之后,诞生之后,基尔比在基尔比在IRE(美国无美国无线电工程师线电工程师学会学会)的一次的一次会议上宣布会议上宣布了了“固体电固体电路路”(Solidcircuit)的出的出现,这就是现,这就是以后的以后的“集集成电路成电路”的的代名词代名词。8/36集成度的迅猛发展集成度的迅猛发展Intel Core i7 四核处理器四核处理器SoC 与 NoCP处理器处理器M存储器存储器C缓存缓存Dsp核核re可重构逻辑可重构逻辑L专用逻辑专用逻辑S交换开关交换开关rni资源网络接口资源网络接口Gordon Moore:Intel的创始人之一的创始人之一IC技术:技术:
4、SSI/MSI-LSI-VLSI-ULSI-GLSI晶圆尺寸:晶圆尺寸:100mm-125mm-150mm-200mm-300mm-400mm;芯片特征尺寸:芯片特征尺寸:3m-2m-1.2m-0.8m-0.5m-0.35m-0.25m-0.18m-0.13m-90nm-65nm计算机发展的主要阶段计算机发展的主要阶段1 1第零代(第零代(1642194516421945年)年)机械计算器和继电器计算器机械计算器和继电器计算器2 2第一代(第一代(1946194619551955年)年)电子管计算机电子管计算机以电子管为逻辑部件,以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采以电子管为逻辑部件,
5、以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言,后期采用汇编语言。用机器语言,后期采用汇编语言。3 3第二代(第二代(1955195519651965年)年)晶体管计算机晶体管计算机以晶体管为逻辑部件,内存用磁芯,外存用磁盘。软件广泛采用高级语言,以晶体管为逻辑部件,内存用磁芯,外存用磁盘。软件广泛采用高级语言,并出现了早期的操作系统。并出现了早期的操作系统。4 4第三代(第三代(1965196519801980年)年)集成电路计算机集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件,内存用磁芯、半导体,外存用磁盘。软以中小规模集成电路为主要部件,内存用磁芯、半导体,外存用磁盘。软件广泛使用操
6、作系统,产生了分时、实时等操作系统和计算机网络件广泛使用操作系统,产生了分时、实时等操作系统和计算机网络5 5第四代(第四代(19801980年至今)年至今)个人计算机个人计算机以以LSILSI、VLSIVLSI为主要部件,以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软为主要部件,以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。这一阶段诞生并获
7、得飞速发展。6 6第五代第五代 无所不在的计算机无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、现代计算机系统现代计算机系统1 1计算机层次结构计算机层次结构2 2计算机体系结构、组成与实现计算机体系结构、组成与实现体系结构:程序员关心的计算机概念结构与功能特性体系结构:程序员关心的计算机概念结构与功能特性如:确定指令集中是否有乘法指令;如:确定指令集中是否有乘法指令;计算机组成:从硬件角度关注物理机器的组织计算机组成:从硬件角度关注物理机器的组织如:乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现乘法;如:乘法指令由专用
8、乘法器还是用加法器实现乘法;计算机实现:底层的器件技术和微组装技术计算机实现:底层的器件技术和微组装技术如:加法器底层的物理器件类型及微组装技术;如:加法器底层的物理器件类型及微组装技术;系列机系列机2023/1/212023/1/2114/36(a)软硬件层次)软硬件层次 (b)语言层次)语言层次计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.(a)图自下而上反映了系统逐级)图自下而上反映了系统逐级生成生成的过程,自上下而反映了系统的过程,自上下而反映了系统求解求解问题的过程;问题的过程;2.软硬件的逻辑等价性软硬件的逻辑等价性可以表现为:硬件软化(如可以表现为:硬件软化(如RISC思想)、软件
9、硬化思想)、软件硬化(如(如CISC思想)、固件化(如微程序)思想)、固件化(如微程序);3.(b)图中的)图中的虚拟机虚拟机:与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器:与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器微体系微体系结结构构层层(微程序或硬(微程序或硬连逻辑连逻辑)操作系操作系统层统层语语言言处处理理层层(解(解释释、编译编译)用用户户程序程序层层(语语言言编编程)程)系系统统分析分析层层(数学模型、算法)(数学模型、算法)硬核硬核级级数字数字逻辑层逻辑层(硬件)(硬件)指令系指令系统层统层(机器(机器语语言指令)言指令)应应用用语语言虚言虚拟拟机机高高级语级语言虚言虚拟拟机机汇编语汇编语言虚言
10、虚拟拟机机操作系操作系统统虚虚拟拟机机机器机器语语言言级级微程序微程序级级寄存器寄存器级级(硬件)(硬件)15/36计算机体系结构角度的多层结构计算机体系结构角度的多层结构 计算机组织角度的多层结构计算机组织角度的多层结构一个中央处理器一个中央处理器(CPU)的的RTL(Register Transfer Level)模型模型 18/36计算机体系结构的演进:并行处理技术计算机体系结构的演进:并行处理技术1 1冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构串行性:指令执行串行、存储器读写串行串行性:指令执行串行、存储器读写串行2 2哈佛结构哈佛结构引入并行性:数据存储器与程序存储器可并行读取引入并行性:数据存储器与
11、程序存储器可并行读取3 3流水线结构流水线结构1.单指令流水线单指令流水线2.多指令流水线多指令流水线超标量:通过重复设置多份流水段硬件并行工作来提高性能超标量:通过重复设置多份流水段硬件并行工作来提高性能超长指令字超长指令字VLIWVLIW:依靠编译器找出指令之间潜在的并行性,把能并:依靠编译器找出指令之间潜在的并行性,把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令,由处理机中多个相行执行的多条指令组装成一条很长的指令,由处理机中多个相互独立的执行部件分别执行长指令中的一个操作互独立的执行部件分别执行长指令中的一个操作1 1多机(核)并行多机(核)并行并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行
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