1.1 系统基本结构
• 微处理器 • 内部存储器 • 外部设备
完整的微处理系统的基本构架
DMA控制器
微处理器
AB DB CB
中断 控制器
存储器
外设
16位PC-8086微处理器结构
硬盘 光驱 IDE控 制器 CMOS RAM ROM 8237 RAM 8286 8086 8282 8288 8042 键盘 8255 打印 机
• 微处理器通过总线对它们进行数据的读取 和写入，即读操作和写操作
微处理器系统
• 是完成信息处理，主要处理操作为数据传送、 数学计算和流程控制 • 处理过程采用格式化的二进制代码描述构成程 序，并保存在存储设备中 • 程序可以存放在内存中，也可以存放在外部存 储器中 • 当需要执行这些程序时，必须先将这些程序读 入内存 • 微处理器可以自动通过系统总线从内存中读取 这些代码，并能够自动通过系统总线来获取和 保存操作中所需要和产生的数值
• 微操作控制信号。由指令部件提供的译码 信号、时序部件提供的时序信号和备控制 功能部件所反馈的状态及条件综合形成的
中断控制逻辑
• 用来控制中断处理的硬件逻辑
存储结构
• 微处理器所执行的指令和操作数据都是放 在存储器中 • 主要有两种结构： • 哈佛结构：微处理器连接一个指令存储器 和一个数据存储器，指令和数据是独立存 储的； • 冯· 诺伊曼结构：微处理器只接一个存储器， 该存储器中既有指令又有数据
• 执行条件是可选的，没有给出条件就意味 着无条件或者认为条件恒成立 • 处理动作主要是数据传送、数学运算和流 程控制这三大类 • 处理内容则是数据传送的源和目的、运算 的输入输出和流程控制的参数等
功能实现结构
• 信息处理：操作及操作对象 • 从电路设计角度来看，逻辑功能单元和存 储功能单元 • 存储功能单元：寄存器单元和存储器单元 • 逻辑功能单元：运算器和控制器
• 缺点：指令集以及晶片的设计比上一代产品更复杂，不同 的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令， 将影响整台机器的执行效率
RISC
• 是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系 • 关键技术在于流水线操作。即在一个时钟周期里完成多条 指令 • 同样长度的指令；单机器周期指令 • 优点：在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系 统的运行速度将是CISC的2～4倍。RISC处理器比相对应的 CISC处理器设计更简单
专用寄存器
• 至少要有5个专用的寄存器：
指令寄存器（IR） 程序计数器（PC） 地址寄存器（AR） 数据缓冲寄存器（DR） 状态条件寄存器（PSW）
存储总线
• 存储器。由大量可以存储一个二进制代码 的存储元构成
A0 A1
„
行 地 址 译 码 器
存储矩阵
„
Ai D0 Ai+1 An-1 CS R/W 列地址译码器 读/写控制电路 „ I/O0 I/Om-1
缓冲器
三总线结构运算器
总线A 总线B
通用 寄存器
总线C
ALU
特殊 寄存器
总线 旁路器
控制器
• 读取指令 • 翻译、分析指令 • 执行指令
微操作命令序列 „„ I/O状态信息 控制台信息 运行状态
状态寄存器 节拍发生器 微操作信号发生器 程序计数器（PC）
+1 送MAR或ALU
„„
译码器 地址形成部件
„„
中断控制逻辑 时钟 操作码 地址码
指令寄存器（IR）
启停 逻辑 脉冲 源
指令结束
中断请求
指令部件
• 程序计数器（PC）：用来保存当前正在执 行的一条指令或接着要执行的下一条指令 的地址； • 指令寄存器（IR）：用来存放从存储器中取 出的指令； • 指令译码器（ID）：用来解释指令、产生相 应的控制信号提供给微操作信号发生器；
• 从内部上看是哈佛结构，即有独立的指令 和数据缓存，指令与数据是分开存储的， 指令执行速度快
新微处理器结构
微处理器
寄存器
总线 （数据）
高速缓存 （数据）
运算器
总线
存储器
控制器
总线 （指令）
高速缓存 （指令）
高速缓存（Cache）
• 最大特点：存取速度快，但容量较小
• 将当前使用频率较高的程序和数据通过一 定的替换机制从存储器放入Cache
• 地址形成部件：根据指令不同寻址方式， 形成操作数的有效地址。
时序部件
• 产生一定的时序信号，以保证系统的各功 能部件有节奏地进行信息传送、加工和信 息存储
微操作信号发生器
• 微操作。一条指令的取出和执行可以分解 成很多最基本的操作，这种最基本的不可 再分割的操作称为微操作信号发生器 • 控制单元（CU）。它是控制器的核心。不 同的机器指令具有不同的微操作序列
通 用 通用 寄存器 寄存器
特 殊 特殊 寄存器 寄存器
ALU
运算器内部总线
• • • • 主要有3种结构形式 单总线结构运算器 双总线结构运算器 三总线结构运算器
单总线结构运算器
内部总线 锁存器 A 锁存器
通 用 通用 寄存器 寄存器
特 殊 特殊 寄存器 寄存器
ALU
双总线结构运算器
总线A 通 用 寄存器 特 殊 寄存器 特 殊 寄存器 ALU 总线B
微处理器系统概述
“好奇号”火星探测器的硬件和软件
• 北京时间2012年8月6日13：31分，美国宇 航局好奇号火星车在火星着陆，它将展开 为期两年的任务，主要任务是探索火星过 去或者现在的环境是否适宜生命存在
好奇号
“好奇号”微处理器系统
硬件
• 两套完全相同的微处理器系统 • CPU为BAE RAD750（1040万晶体管，核心频 率110到200 MHz），基于IBM的PowerPC 750设计而来，速度达到400 MIPS（勇气号 和机遇号为35 MIPS），可以承受-55和70度 气温变化以及1000gray的辐射水平 • 256K EEPROM、256MB内存、2GB闪存
控制器。完成对整个计算机系统操作的协调与 指挥 运算器。数据加工处理部件，所进行的全部操 作由控制器发出的控制信号指挥
寄存器
• 通用寄存器和专用寄存器
• 通用寄存器。用来存放原始数据和运算结 果，有时还可以作为计数器和地址指针等
• 专用寄存器。专门用来完成某一种特殊功 能的寄存器，通常不允许编程直接操作， 必须通过专用指令来修改，有的只是内部 使用，无法编程更改
8259
8051
RS232 串口
显示 器
显示 控制 器
AB DB CB
8254
扬声 器
程序 存储
IA 程序 存储 器 IC ID
指令 flg
指令 读取 指令 执行 指令 译码 SB C R0 OP
运算
AR
数据访问
数据 存储
数据 存储 器
DA 通用运算器 DC SA 数据 读写 控制 DD Rn D RD
„
„
Dm-1
存储器
• 通常为单独器件，指令和数据都存放在存 储器中
地址 总 线 地址总线 数据总线 控制总线
存储器
寄存器 暂存器
控制
运算器
• ALU、操作数通道单元、判别逻辑和控制单 元等构成了运算器
• 运算器不仅可以完成算术逻辑运算，还可 以作为数据信息的传送通道 • 向ALU提供操作数的实现方法有两种：
指令执行过程
• 一条指令运行的过程可分为3个阶段：
取指令阶段 分析取数阶段 执行阶段
微处理器指令运行控制流程
启动 等待 程序执行完了吗 ？ 否 取出指令 是
分析指令
执行指令 否
是否有中断请求 ？ 是 转中断处理程序 返回
取指令阶段
• 完成的任务是将现行指令从主存储器中取出来并送至指令 寄存器（IR）中去，具体操作如下： • 将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器 （AR），并送地址总线（AB）； • 由控制单元（CU）经控制总线（CB）向存储器发读命令； • 从主存储器中取出指令通过数据总线（DB）送到数据寄存 器（DR）； • 将DR的内容送至指令寄存器（IR）中； • 将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。
哈佛结构
微处理器
寄存器 总线 （数据） 存储器 （数据）
运算器
控制器
总线 （指令）
存储器 （指令）
冯· 诺伊曼结构
微处理器
寄存器
运算器
总线
存储器
控制器
微处理结构
• 利用二者各自优点进行折衷构建现在流行 的带高速缓存的 • 从外部上看是冯· 诺伊曼结构，即程序和数 据都存在一个存储器中，接口总线只有一 套，接口简单且存储成本低
外设 寄存 器
微处理器
• 用来实现运算和控制功能的部件，由运算器、控制器和 寄存器三个基本单元组成 • 运算器用于完成数据的算术和逻辑运算 • CPU内部的寄存器用来暂存参加运算的操作数和运算结 果 • 控制器通常由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成 • 指令是一组二进制编码信息，主要包括两个内容：
微处理器系统
• 硬件和软件两个部分组成 • 硬件实现具体操作过程 • 软件实现处理过程，即操作流程
微处理器
• 在功能上主要体现为数据传送、数学运算 和流程控制 • 在形式上体现为数据和指令 • 在结构上由数学运算单元、寄存器、指令 控制单元和存储控制单元组成
处理的格式化描述
• 每个处理包括三个部分：执行条件、处理 动作、处理内容。
• 寄存器保存数据需要时钟信号，时钟是操作的节 拍，所有操作都是以时钟为最基本时间进行的 • 处理速度取决于每个节拍的时钟周期
冯诺依曼结构的处理器时序图
ALU输入端加多路选择器 ALU输入端加一级暂存器（锁存器）