计算机硬件专业知识西瓜视频,计算机硬件及嵌入式系统[SA-19]

1、嵌入式系统特点

专用性强；

实时性强；

软硬件依赖性强；

处理器专用；

多种技术紧密结合；

系统透明性；

系统资源受限。

2、嵌入式系统的组成

一般由软件和硬件两个部分组成，其中硬件部分包括嵌入式处理器、存储器和外部设备等，软件部分分为系统软件、支撑软件和应用软件。

3、嵌入式系统网络

现场总线；

家庭信息网；

无线数据通信网；

嵌入式因特网。

4、嵌入式系统设计的核心技术

处理器技术；

IC技术；

设计/验证技术；

嵌入式系统的设计技术包括硬件设计技术和软件设计技术两大类，其中硬件设计领域的技术为芯片级设计技术和电路板级设计技术两类。

5、嵌入式软件子系统的任务优先级分配原则

与中断的关联性，关联性越强则优先级越高；

紧迫性，任务的紧迫性体现到优先级上；

任务的频繁性，越频繁的任务，允许耽误的时间越短，故优先级应越高；

传递性，信息流的处理流程决定了上游的处理任务优先级要高于下游的处理任务；

6、存储系统

在计算机体系中存储系统是分层的，从内到外也是从快到慢依次是：

寄存器，是位于CPU内的一个重要组成部分，用来暂存指令、数据和位址，

包括指令寄存器、程序计数器、程序状态寄存器、累加器等。

指令寄存器中保存的是当前正在执行的一条指令；

程序计数器中保存的是将要执行的下一条指令的地址；

程序状态寄存器中存放的是条件码标志、控制标志、系统标志；

累加器中存放的是算术运算或逻辑运算的源操作数、结果操作数，会有多个累加器。

Cache，存放的是程序使用的工作集数据，CPU在需要数据时会先找Cache，如果没有再找内存，相关算法是固化在硬件中的。Cache对程序员来说是透明的，它是系统为提高内存访问速度而设置的。

内存

外存

6.1 Cache命中率、平均访问时间的计算

Cache到内存的地址映射是由硬件完成的，即按选定的调度算法直接由CPU、Cache和主存完成该地址映射的计算和使用。

如果Cache的访问命中率为h(失效率即是1-h)，而Cache的访问周期时间是t1，主存的访问周期时间是t2，则整个系统的平均访问时间t3是：

t3=t1*h+ t2*(1-h)

6.2 Cache存储器的映射机制

CPU发生访问内存请求时，会先判断Cache是否包括，有则直接使用，无则需要先从内存调入Cache。要注意的是在Cache映射中，主存和Cache存储器将均分成容量相同的块，那么在Cache和主存之间就有了以下几种映射机制：

直接映射方式，是一种多对一的映射关系(从主存到Cache)，Cache的行号i和主存的块号j有函数关系i=j%m(m为Cache的总行数)。

直接映射方式下，从主存地址推算Cache的行号和行内地址如下：

某Cache容量为16KB(16KB=2^4*2^10，所以可以使用14位来表示)，每行大小为16B(行内地址可用4位来表示)，可见Cache可以分成1024行(可以用10位来表示)。在主存的地址编排中指定最低4位标识为Cache的行内地址，再往中间的10位标识为Cache的行号。此时，如果有一个主存地址是1234E8F8H的话，请推算一下它在Cache中的行号和行内地址是多少？

我们可以看到这个主存地址是16进制表示的地址，我们从它末尾一个个先转换成为二进制表示。8H的二进制形式是1000，刚好对应上Cache的行内地址的位数(4位)，所以Cache的行内地址就是1000；下一段E8F从位数上已经达到了二进制的12位，所以说先把它转换为二进制表示，然后取后10位即可得到Cache的行号，转成二进制后是1110

1000 1111，因此Cache行号是1010001111。

相联映射，将主存中一个块的地址与块的内容一起放进Cache中，一方面速度会更快，同时会导致控制更复杂。

组相联映射，混合使用上两种方式，即先将Cache中的块分组，然后使用直接映射的方式决定组号，再通过相联映射的方式决定Cache中的块号。在这种情况下，会先判断主存能够按Cache的大小分成多少个Cache相同容量的区，然后每个区和Cache一样划分成多个大小相同的组，每组会有指定数量的块，每块有指定数量的Byte。根据区、组、块的各自数量，可以推算出它们分别需要使用的地址位数，相加起来就可以得到主存地址的编码位数。

7、主存(内存)

主存采用的是随机存取方式，因此需要对每个数据块进行编码，而在主存中数据块是以word来标识的，即每个字一个地址(字是由1个或多个字节组成的)，通常采用16进制表示。

7.1 主存的类别及特点

RAM

SRAM

DRAM

ROM

PROM

EPROM

E^2PROM

闪速存储器，即U盘

7.2 主存的结构组成

实际的存储器都是由一片或多片存储器配以控制电路构成的。如果一个存储芯片的规格为w×b(w为存储单元的字数，b为每个字的位数)，那么要设计一个W×B的存储器会需要(W/w)×(B/b)个同一规格的存储芯片。

8、磁盘

磁盘包括磁道、扇区、柱面、记录面这几个概念，最外侧的磁道是编号为0的磁道。扇区，磁盘上的每个磁道被等分为若干个弧段，这些弧段是磁盘的扇区。柱面，即多个盘面条件下的垂直方向上同一位置的磁道共同形成的圆柱面，柱面号在只有一个盘片时等于磁道号。

8.1 几个计算公式的计算

磁道数=(外半径-内半径)×道密度×记录面数。

非格式化容量=位密度×π×最内圈直径×总磁道数

格式化容量=每道扇区数×扇区容量×总磁道数

平均数据传输速率=每道扇区数×扇区容量×盘片转数

存取时间=寻道时间+等待时间

(寻道时间是磁头在纵向上移动到指定磁道的时间，等待时间是盘片转动将指定扇区转到磁头下方的时间，等待时间一般取值为磁道旋转一周时间的1/2，磁盘转速单位为rpm，即每分钟多少转)

8.2 数据存取过程

根据磁盘硬件设计特点，为了得到最快的存取效率，应该尽量将文件记录在同一个柱面上，先写完同一盘片的一个磁道，写满后继续向其它盘片的同一个磁道上写，只有当同一个柱面记录不下时才能记录到相邻柱面上。

因此，为存取一个物理记录，需要有三个参数，分别是柱面号、磁头号(盘片号)、扇区号。(注：每个盘片都会有一个磁头，因此磁头号等于盘片号)

8.3 磁盘调度算法

先来先服务

最短寻道时间优先

扫描算法，又称为电梯算法，运算变量中考虑到了磁头移动方向的惯性

循环算法，磁头单向移动，最外侧磁道和最内侧相连形成循环

9、相联存储器

关联存储器(associative memory)，也称为按内容访问存储器(content

addressed memory)或简称为TLB(Translation

Lookaside Buffer)。它是一种不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器,可以实现快速地查找快表。

10、计算机执行指令的过程

在控制器的指挥下，将程序计数器的内容经过地址总线送入存储器的地址寄存器，按该地址从存储器的相应单元中读出将要执行的指令，再经数据总线送入CPU的指令寄存器中，通过指令译码器对读出的指令内容进行分析，以产生相应的操作控制信号送达各执行部件。

若执行的是非转移类指令，则指令应顺序执行，下一条将执行的指令的存储器地址就是本条正在执行指令的存储器地址加1，故存放正在执行指令存储器地址的程序计数据的内容应加1，以便为取下一条指令做好准备。若转移指令条件成立，则应根据指令给出的寻址方式计算出目标地址(转移指向下一条将执行指令的存储器地址)，送入程序计数器。若有中断发生，则应转入相应的中断服务程序，故送入程序计数器的应是中断服务程序的入口地址。

11、计算机系统中的数据传输方式

CPU访问内存通常是同步方式；

CPU与I/O接口交换信息通常是同步方式；

CPU与PCI总线交换信息通常是异步方式；

I/O接口与打印机交换信息通常采用基于缓冲池的异步方式；

数据总线，挂在总线上的多个部件在发送数据时采用的是分时机制，而接收数据时可以同时接收