微处理器系统结构与嵌入式系统设计笔记（一）

1.1 计算机发展历程

• 摩尔定律：处理器内晶体管集成度每18个月翻一番。
• 普适计算：是一个强调和环境融为一体的计算概念,而计算机本身则从人们的视线里消失。

1.2 集成电路与SoC技术

• 系统集成芯片（SoC）以嵌入式系统为核心，以知识产权（IP）复用技术为基础，集软硬件于一体，采用超深亚微米工艺技术，将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储单元等集成在单一芯片上。
• SoC的优势：
  • 降低耗电量；
  • 减小体积；
  • 丰富的系统功能；
  • 提高速度；
  • 节省成本。
• IP核：是指已经设计好的并经过实际验证的，具有特定功能并经过性能优化的一些电路模块。它分为三种：软核、硬核、固核。

1.3 先进的处理器技术

• 片上多核处理器（CMP）：在单芯片中放入多个结构相对简单的内核 ；
• 流处理器（Stream Processor）:现有的流处理器都可看作流计算模型对的实现。流计算模型将应用表达为一组可以并行计算的模块，通过若干数据通道进行数据交换。
• PIM（Processor In Memory）:存储层次化。在CPU芯片和存储器芯片中插入容量依次增大的多级cache，以解决CPU与存储器传输速度差距大的问题。
• 可重构计算处理器：它抛弃了指令流这种存储访问密集的计算方式，重要数据的计算全部在硬件上完成。

1.4 信息在计算机中的表示方法

• 二进制：0，1分别表示电子元件的两种状态。
• 源码、反码和补码：
    计算机内部用补码存储数值:
    ①采用补码，计算中的加法和减法都变做加法；
    ②避免了+/-0的表示。

1.5 指令、程序的概念以及程序的执行过程

• 指令：指挥机器工作的指示和命令。
• 程序：一系列按一定顺序排列的指令。
• 程序的执行过程：取指令，分析指令，执行指令。
    按照程序规定的次序，从内存储器取出当前执行的指令，并送到控制器的指令寄存器中，对所取的指令进行分析，即根据指令中的操作码确定计算机应进行什么操作。根据指令分析结果，由控制器发出完成操作所需的一系列控制电位，以便指挥计算机有关部件完成这一操作，同时，还为取下一条指令作好准备。

1.6 嵌入式系统的概念、特点、组成、发展现状和趋势

• 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：
  • 面向特定应用；
  • 不容易形成垄断；
  • 硬件和软件设计高效率；
  • 嵌入式系统软件和应用软件的要求与通用计算机不同：
      ①软件要求固件化，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。
  • 具有较长的生命周期；
  • 嵌入式系统本身不具有自开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
• 组成：
  • 嵌入式系统的硬件：包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。
  • 嵌入式系统的软件：包括嵌入式操作系统和应用软件。
  • 嵌入式系统的开发工具和开发系统：开发工具独立于嵌入式系统产品之外。开发工具一般用于开发主机，包括语言编译器、连接定位器和调试器等。
• 发展现状和趋势：
  • 开发平台的完备化
  • 嵌入式系统的网络化
  • 系统集成度的提高和性能指标的提高
  • 友好的人机界面