Linux嵌入式开发基础——计算机组成原理

目录

 

1.计算机体系

1.1 冯诺依曼结构

1.2 哈佛结构

2.中央处理器（CPU）

3.存储系统

4.总线系统

5.输入输出系统

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1.计算机体系

计算由硬件系统和软件系统两大部分组成。

按照功能可以分为：1）指令系统；2）存储系统；3）输入输出系统等。

按照存储结构分为：1）冯诺依曼结构；2）哈佛结构。

1.1 冯诺依曼结构

该结构把计算机分成了运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5个部分。

工作原理：计算机的指令存储在存储器内，工作的流程是从存储器取出指令，由运算器运算指令，控制器负责处理输入和输出设备。

缺点：数据和指令放在一起，运算器在取指令的时候不能同时取数据，造成工作流程上的延迟，运算效率不高。哈佛结构解决了该缺点。

1.2 哈佛结构

最大的特点：指令和数据分开存储。

控制器可以先读取指令，然后交给运算器解码，得到数据地址后，控制器读取数据交给运算器；在运算器运算的时候，控制器可以读取下一条指令或者数据。

优点：执行效率高；分开存储可以使指令和数据使用不同的数据宽度，方便芯片的设计。

在嵌入式系统中，大多数的处理器都使用的哈佛结构，如常见的ARM处理器，以及一些单片机。

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2.中央处理器（CPU）

组成：运算器、控制器、寄存器和内部总线。

参数：工作频率（包括主频、外频和外部总线频率）、字长（位宽）、指令集和缓存。

主频是CPU的实际工作频率，外频是CPU工作的基准频率。字长决定CPU处理数据的能力，是CPU在一个周期能处理的最大数据宽度。 因此，衡量一个CPU的处理能力要看工作频率和字长。

CPU指令集按照指令的执行方式分为：1）复杂指令集（CISC）；2）精简指令集（RISC）。

1）CISC：特点是使程序按照顺序执行。优点是结构简单，便于控制。缺点是计算机各部分不能同时工作，执行效率不高。常见的CISC指令集CPU是Intel的X86系列。

2）RISC：特点是简化了每条指令的复杂度并且减少了总的指令数量。改进了复杂指令集的缺点。嵌入式系统CPU大多采用RISC指令集，如ARM系列的CPU。

缓存主要用来暂时存储指令和数据，缓存越大，CPU相对处理指令的能力就越强。

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3.存储系统

计算机的存储系统采用了速度由慢到快，容量由大到小和价格由低到高的多层次存储结构。

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4.总线系统

总线是CPU连接外部设备的通道。

• DataBus(数据总线)：从外部设备读取或者写入信息；
• AddressBus(地址总线)：向外部设备发送地址信息；
• ControlBus(控制总线)：发送信号控制外部设备。

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5.输入输出系统

组成：外部设备、输入输出控制器。

CPU通过总线与输入输出系统相连。由于外部设备是速度差异，CPU可以通过不同的方式控制外部设备的访问，常见的又轮询方式、中断控制方式和DMA方式。

• 轮询方式：CPU不断查询某个外部设备的状态，如果外部设备准备好，就可以向其发送数据或读取数据。缺点：由于CPU不断查询总线，导致指令执行受到影响，效率非常低。
• 中断控制方式：正常情况下，CPU执行指令，不会主动去检查外部设备的状态。外部设备的数据准备好之后，向CPU发送中断信号，CPU收到中断信号后停止当前工作，根据中断信号指定的设备号处理相应的设备。优点：既不影响CPU的运行，也能保证外部设备的数据得到及时处理，工作效率很高。嵌入式系统通常会设计许多的中断信号控制线，供连接不同的外部设备。缺点：不适合大量数据传输的情况，因为每收到一个数据包后都会向CPU发出一个中断，大量的中断会导致CPU忙于处理中断而减小对指令的处理，效率会变得很低。
• DMA方式：直接内存访问（Direct Memory Access），外部设备在数据准备好之后只需要向DMA控制器发送一个命令，把数据的地址和大小传送过去，由DMA控制器负责把数据从外部设备直接存放到内存 。优点：对处理大量数据十分有效，越来越多的嵌入式处理器支持它。

 

参考文献：弓雷的《ARM嵌入式Linux系统开发详解》第2版