微处理器体系与结构
什么是微处理器,由几部分组成
什么是微处理器,由几部分组成
微处理器是微型计算机的核心部分，又称为中央处理器(简称CPU)。
微处理器主要由控制器和运算器两部分组成（还有一些支撑电路），用以完成指令的解释与执行。
微处理器由算术逻辑单元（ALU，Arithmetic Logical Unit）、累加器和通用寄存器组、程序计数器（也叫指令指标器）、时序和控制逻辑部件、数据与地址锁存器/缓冲器、内部总线组成。
其中运算器和控制器是其主要组成部分。
逻辑部件：
英文Logic components；运算逻辑部件。
可以执行定点或浮点算术运算操作、移位操作以及逻辑操作，也可执行地址运算和转换。
寄存器部件：
寄存器部件，包括寄存器、专用寄存器和控制寄存器。
通用寄存器又可分定点数和浮点数两类，用来保存指令执行过程中临时存放的寄存器操作数和中间（或最终）的操作结果。
通用寄存器是中央处理器的重要部件之一。
控制部件：
英文Control unit；控制部件，主要是负责对指令译码，并且发出为完成每条指令所要执行的各个操作的控制信号。
其结构有两种：一种是以微存储为核心的微程序控制方式；一种是以逻辑硬布线结构为主的控制方式。
微存储中保持微码，每一个微码对应于一个最基本的微操作，又称微指令；各条指令是由不同序列的微码组成，这种微码序列构成微程序。
中央处理器在对指令译码以后，即发出一定时序的控制信号，按给定序列的顺序以微周期为节拍执行由这些微码确定的若干个微操作，即可完成某条指令的执行。
简单指令是由（3～5）个微操作组成，复杂指令则要由几十个微操作甚至几百个微操作组成。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计 习题答案 李广军
第一章习题解答1.1 什么是程序存储式计算机？程序存储式计算机指采用存储程序原理工作的计算机。
存储程序原理又称“冯·诺依曼原理”，其核心思想包括：●程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中；●计算机启动后，能自动地按照程序指令的逻辑顺序逐条把指令从存储器中读出来，自动完成由程序所描述的处理工作。
1.2 通用计算机的几个主要部件是什么？●主机（CPU、主板、内存）；●外设（硬盘/光驱、显示器/显卡、键盘/鼠标、声卡/音箱）；1.3 以集成电路级别而言，计算机系统的三个主要组成部分是什么？中央处理器、存储器芯片、总线接口芯片1.4 阐述摩尔定律。
每18个月，芯片的晶体管密度提高一倍，运算性能提高一倍，而价格下降一半。
1.5 讨论：摩尔定律有什么限制，可以使用哪些方式克服这些限制？摩尔定律还会持续多久？在摩尔定律之后电路将如何演化？摩尔定律不能逾越的四个鸿沟：基本大小的限制、散热、电流泄露、热噪。
具体问题如：晶体管体积继续缩小的物理极限，高主频导致的高温……解决办法：采用纳米材料、变相材料等取代硅、光学互联、3D、加速器技术、多内核……（为了降低功耗与制造成本，深度集成仍是目前半导体行业努力的方向，但这不可能永无止，因为工艺再先进也不可能将半导体做的比原子更小。
用作绝缘材料的二氧化硅，已逼近极限，如继续缩小将导致漏电、散热等物理瓶颈，数量集成趋势终有终结的一天。
一旦芯片上线条宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。
业界专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓，一般认为摩尔定律能再适用10年左右，其制约的因素一是技术，二是经济。
）1.6 试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与相互影响。
计算机系统结构主要是指程序员关心的计算机概念结构与功能特性，而计算机组成原理则偏重从硬件角度关注物理机器的组织，更底层的器件技术和微组装技术则称为计算机实现。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计(第二版)答案全
“微处理器系统结构与嵌入式系统设计”第一章习题解答1.2 以集成电路级别而言，计算机系统的三个主要组成部分是什么？中央处理器、存储器芯片、总线接口芯片1.3 阐述摩尔定律。
每18个月，芯片的晶体管密度提高一倍，运算性能提高一倍，而价格下降一半。
1.5 什么是SoC？什么是IP核，它有哪几种实现形式？SoC：系统级芯片、片上系统、系统芯片、系统集成芯片或系统芯片集等，从应用开发角度出发，其主要含义是指单芯片上集成微电子应用产品所需的所有功能系统。
IP核：满足特定的规范和要求，并且能够在设计中反复进行复用的功能模块。
它有软核、硬核和固核三种实现形式。
1.8 什么是嵌入式系统？嵌入式系统的主要特点有哪些？概念：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统，即“嵌入到应用对象体系中的专用计算机系统”。
特点：1、嵌入式系统通常是面向特定应用的。
2、嵌入式系统式将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。
3、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。
4、嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有以下不同点。
①软件要求固体化，大多数嵌入式系统的软件固化在只读存储器中；②要求高质量、高可靠性的软件代码；③许多应用中要求系统软件具有实时处理能力。
5、嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。
6、嵌入式系统本身不具备自开发能力，设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
第二章习题答案2.2 完成下列逻辑运算（1）101+1.01 = 110.01（2）1010.001-10.1 = 111.101（3）-1011.0110 1-1.1001 = -1100.1111 1（4）10.1101-1.1001 = 1.01（5）110011/11 = 10001（6）(-101.01)/(-0.1) = 1010.12.3 完成下列逻辑运算（1）1011 0101∨1111 0000 = 1111 0101（2）1101 0001∧1010 1011 = 1000 0001（3）1010 1011⊕0001 1100 = 1011 01112.4 选择题（1）下列无符号数中最小的数是( A )。
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。
CPU结构与微处理器
CPU结构与微处理器CPU（Central Processing Unit，中央处理器）是计算机系统的核心组件，负责执行指令、进行算术运算和逻辑判断等任务。
微处理器（Microprocessor）则是CPU的一种实现方式，采用了高度集成的集成电路技术，将多个功能模块集成在一个芯片上。
1. CPU结构的概述CPU的结构可以分为三个主要部分：控制单元（Control Unit）、算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）和寄存器（Registers）。
- 控制单元负责指令的解析和执行，包括从内存中取出指令、解码、分发和协调各个执行单元的工作。
- 算术逻辑单元负责执行算术运算和逻辑判断等操作，如加减乘除、与或非等逻辑运算。
- 寄存器用于暂存数据和指令，包括通用寄存器、程序计数器、指令寄存器等。
2. 时钟信号与时序CPU中的各个功能单元需要时钟信号来进行同步工作。
时钟信号以特定频率来控制CPU的工作速度，每个时钟周期称为一个时钟脉冲。
根据时钟脉冲的不同，CPU的工作可以分为时钟上升沿和时钟下降沿。
时钟信号的频率越高，CPU的运算速度越快。
3. 微处理器的发展历程微处理器的发展经历了几个重要的阶段：- 早期微处理器：Intel 4004是世界上第一个商用微处理器，诞生于1971年。
它的出现标志着微处理器时代的开始，虽然功能有限，但为后来的微处理器奠定了基础。
- x86架构的崛起：Intel 8086是第一款x86架构的微处理器，是个人电脑发展的重要里程碑。
8086的32位扩展版本80286、80386和80486也逐渐推出，提升了计算机性能。
- 高性能处理器的出现：随着技术进步，处理器性能大幅提升。
英特尔的Pentium、Core系列以及AMD的Athlon、Ryzen等处理器，逐渐推动着计算机性能的提升。
- 多核处理器的时代：为了应对多核心、多任务的需求，多核处理器逐渐成为主流。
微处理器与系统结构PPT详细讲解
•29 •HLDA* •28 •WR*
有效，三态)
•27 •M/IO* 测试信号(输入、低电
•26 •DT/R* •25 •DEN*
平有效)
•24 •23 •22
•ALE* •INTA* •TEST
READY 准备就绪(输入 、高电平有效)
•21 •READY
•RESET
状态信号指示当前使用段
一、8086通用引脚信号
•1
•40 •VCC
•2
•39 •AD15 INTR可屏蔽中断请求
•3 •4
•38 •A16/S3 •37 •A17/S4
信号(输入、高有效)
•5 •6
•36 •35
•A18/S5 •A19/S6
NMI非屏蔽中断请求(
•7 •8
•34 •BHE/S7 •33 •MN/M
输入，上升沿触发)
•GND •AD14 •AD13 •AD12 •AD11 •AD10 •AD9 •AD8 •AD7 •AD6 •AD5 •AD4 •AD3 •AD2 •AD1 •AD0 •NMI •INTR •CLK •GND
二、8086最小模式引脚信号
M/ 存储器/IO控制信号
•1 •2 •3
•40 •39 •38
微处理器与系统结构PPT详 细讲解
第二章学习要点
重点掌握内容： 1．微处理器的基本结构。 2．Intel 8086微处理器的基本结构，包括： 功能结构、寄存器结构和总线结构。 3．Intel 8086微处理器系统的组成： 控制核心单元＋存储器组织＋I/O端口组织 4．Intel 8086微处理器在最小模式下的典型总线 操作和时序。 5．几个重要概念：时钟周期，总线周期，指令周期。
微处理器的体系结构
兼容性
针对系列计算机 要求所有机种间能够保持向上兼容和向后兼容 向上兼容：为某个档次机种编制的软件能够不加修 改地运行在比它高档的机种上 向后兼容：为某个时期生产的机种编制的软件能够 不加修改地运行在它之后生产的机种上 Pentium微处理器的运行模式：实模式、保护模式
兼容性 针对（软件）体系结构，非硬件实现
1000：1234 0100：ABCD
计算机体系结构是程序员所看到的系统的一些属性： 概念性的结构和功能上的表现，这些属性既不同于数 据流和控制的组织，也不同于逻辑设计和物理实现。
Amdahl,1964
计算机体系结构是连接硬件和软件的一门学科，它研 究的内容不但涉及计算机硬件，也涉及计算机软件。
计算机体系结构与计算机组成
区别在于关心的问题不同： •计算机体系结构关心的是怎样合理地进行软硬 件功能分配，为软件人员提供适用的计算机 •计算机组成关心的是怎样合理地实现分配给硬 件的功能和指标，提高性能价格比
第二章 Pentium微处理器的体系结构
2.1 计算机体系结构的含义 2.2 Pentium微处理器的内部结构 2.3 实模式软件体系结构 2.4 保护模式软件体系结构 2.5 浮点部件软件体系结构
2.1 计算机体系结构的含义
计算机体系结构 = computer architecture (计算机系统结构)
简单指令：完全由硬件执行而无需任何微码控制， 在一个时钟周期内执行的指令
•mov reg, reg/mem/imm •mov mem,reg/imm •alu reg, reg/mem/imm •alu mem, reg/imm •inc reg/mem •dec reg/mem •push reg/mem •pop reg •lea reg, mem •jmp/call/jcc near •nop
微处理器CPUCPU的内部和外部结构微处理器级总线
数据寄存器Data Register
存放数据
2.4 微处理器的寄存器组织
2.地址指针和变址寄存器（４个）
均
为
SP
地 址
BP
寄
SI
存 器
DI
堆栈指针寄存器Stack Pointer 基址指针寄存器Base Pointer 源变址寄存器Source Index 目的变址寄存器Destination Index
均为16位，也能存放数据
2.4 微处理器的寄存器组织
二.段寄存器
在微机系统的内存中通常存放着三类信息： 代码（指令码） 指示CPU执行何种操作。 数据（数值、字符等） 程序处理的对象或结果。 堆栈信息 被保存的返回地址和中间结果等。
代码段 数据段 堆栈段
2.4 微处理器的寄存器组织
８０８６／８０８８ＣＰＵ有４个段寄存器。
四.控制寄存器（2个）
1.指令指针寄存器(IP:Instruction Pointer )(16位)
指令指针寄存器相当于一般微处理器中的程
序计数器(PC:Program Counter )。
它始终指向CPU下一条要取指令所在存贮器单 元的偏移地址(段地址由CS提供)。
用户不能更改IP的值,只有CPU执行转移指令, 子程序调用指令和子程序返回指令以及中断处理 时,IP才作相应的改变。
2.2 微处理器的内部结构
指令寄存器（IR）
保存从存储器中读入的当前要执行的指令。
指令译码器（ID）
对指令寄存器中保存的指令进行译码分析。
控制逻辑部件
根据ID对指令的译码分析，发出相应的一系 列的节拍脉冲和电位（控制信号），去完成指令 的所有操作。
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SI 、 DI
2、段寄存器
段寄存器包括: CS 、 SS 、 DS 、 ES
3、控制寄存器
控制寄存器包括：IP微处、理器P体S系与W结构
（一）、通用寄存器
（1）、数据寄存器
AX：（Accumulator）作为累加器。
它是算术运算的主要寄存器，所有I/O指令都使用这一寄 存器与外部设备交换数据。
对某些I/O操作DX可用来存放I/O的端口地址（口地址 256）。
微处理器体系与结构
（一）、通用寄存器（cont.）
（2）、地址指针与变址寄存器
SP、BP、SI、DI 四个16位寄存器。以字为单位在运算过 程中存放操作数，经常用以在段内寻址时提供偏移地址。
数据寄存器
地址指针、 变址寄存器 控制寄存器
段寄存器
通用寄存器组
微处理器体系与结构
二、8086/8088的寄存器结构 （cont.）
1、通用寄存器
通用寄存器包括：
数据寄存器、地址指针寄存器、变址寄存器
数据寄存器包括: AX 、BX 、CX 、DX
地址指针寄存器包括: SP 、 BP
变址寄存器包括:
器和标志寄存器进行管理。
组成：
4个通用寄存器：AX、BX、CX、DX 4个专用寄存器：BP、SP、SI、DI 标志寄存器（PSW）：
9个标志位，其中6个条件标志位用于存放结果状态，
算术逻辑单元：
16 位加法器，用于对寄存器和指令操作数进行算术或逻辑运算，
EU 控制系统：
接受从总线接口单元的指令队列中取来的指令代码，对其译码和向 EU 内 各有关部分发出时序命令信号，协调执行指令规定的操作。
数据。
组成 4 个段地址寄存器（CS、DS、ES、SS） 16位指令指针寄存器IP 20位的地址加法器(16d段地址+偏移地址＝物理地址) 6字节（8086）或4字节（8088）的指令队列 总线控制电路: 处理器与外界总线微处联理器系体系的与结转构 接电路。括三组总线：
（一）、总线接口单元BIU （Bus Interface Unit）（cont.）
第二章 微处理器体系与结构
微处理器体系与结构
第一节 Intel微处理器的概要历史
8086/88
初始芯片时钟频率为4.77MHz 内部数据总线和外部数据总线都是16位 地址总线为20位，可最大寻址1MB的存储空间
80386
80x86家族的第一个32位处理器
内部和外部数据总线都是32位
取指 执行 取指 执行 ... ... 取指 执行 时间坐标
微处理器体系与结构
二、8086/8088的寄存器结构
15 8 7 0
AX AH AL BX BH BL CX CH CL DX DH DL
SP BP SI DI IP FLAGS CS DS SS ES
累加器 基址寄存器 计数寄存器 数据寄存器 堆栈指针 基址指针 源变址寄存器 目的变址寄存器 指令指针 标志寄存器 代码段寄存器 数据段寄存器 堆栈段寄存器 附加段寄存器
地址总线也是32位，可寻址高达4GB内存
具有实模式和保护模式外，还增加了一种叫虚拟86的
工作方式，可以通过同时模拟多个8086处理器来提供
多任务能力
微处理器体系与结构
第二节 Intel 8086/8088微处理器的 结构
分三部分：
一、执行单元与总线接口单元 二、8086/8088的寄存器结构 三、8086/8088的存储器组织
微处理器体系与结构
一、执行单元与总线接口单元
通用 寄存器
AH AL BH BL CH CL DH DL
SP BP DI SI
16 位
20 位 地址加法
16 位
CS DS SS ES IP
内部暂存器
输入/输出 控制电路
运算寄存器
ALU
标志
执行部分 控制电路
8位
12 3 4 5 6
指令队列 缓冲器
执行部件（EU）
执行转移指令：BIU 清除指令队列中的内容，从新的地址取 入指 令，立即送往微执处理行器体单系元与结，构 然后再从新单元开始重新
（二）、执行单元EU
（ Execution Unit ）
功能
执行指令，进行全部算术逻辑运算、完全偏移地址的计算 向总线接口单元BIU提供指令执行结果的数据和偏移地址，并对通用寄存
BIU和EU分开，取指和执行可以重迭， 大大减少了等待取指所需的时间，提高CPU的利用率。
取指 取指 取指 取指 得到数据
等待 执行 执行 执行 执行
微处理器体系与结构
（三）、流水线工作方式(cont.)
对于8080与8085及较早的8位微处理器:
程序执行由取指令和执行指令的循环来完成的， 每条指令执行完后CPU必须等待到下条指令取出来后才能执行。
微处理器体系与结构
（三）、流水线工作方式
8086/8088取指部分与执行部分是分开的。
在一条指令的执行过程中可以取出下一条（或多条）指令，指令 在 指令队列中排队；
在一条指令执行完成后,就可以立即执行下一条指令，减少CPU为取 指令而等待的时间，提高CPU的利用率和整个运行速度。
8086/8088微处理器:
BX ： Base用作基址寄存器使用。
在计算内存储器地址时，经常用来存放基址。
CX ： Count可以作计数寄存器使用。
在循环LOOP指令和串处理指令中用作隐含计数器。
DX ： Data可以作为数据寄存器使用。
一般在双字长乘除法运算时，把DX和AX组合在一起存 放一个双字长(32位)数，DX用来存放高16位;
指令队列
8086 的指令队列为6个字节, 8088 的指令队列为4个字节。
不论是8086还是8088都会在执行指令的同时从内存中取下 一条或几条指令，取来的指令放在指令队列中，使 BIU 具有预取指令的功能，是一种先进先出（FIFO）的数据结 构。
指令执行顺序
顺序指令执行：指令队列存放紧接在执行指令后面的那一条 指令。
总线接口部件（BIU）
外部 总线
注：8086 CPU数据总线16位，指令队列为六个字节；8088 CPU数据总线 八位，指令队列为四个字节。
微处理器体系与结构
（一）、总线接口单元BIU （Bus Interface Unit）
功能：负责与 Memory、I/O 端口传送数据。
取指令时，从存储器指定地址取出指令送入指令队列排队。 执行指令时，根据EU命令对指定存储器单元或I/O端口存取