第一章绪论微处理器分为三类的划分主要可以分为三类

第一章简介微处理器分为三类

微处理器可以分为三类：

通用高性能微处理器（通用 CPU）

通用处理器追求高性能。它们用于运行通用软件，并配备完整、复杂的操作系统。

通用微处理器一般是指用于服务器和桌面计算的 CPU 芯片。目前，英特尔的 CPU 及其兼容产品在微机中占主导地位。此类微处理器主要使用x86架构的CISC（Complex Instruction Set Comouter）指令系统。同时，IBM、惠普（COMPAO）等公司也使用RISC。指令系统的微处理器。

传统上，实现高性能的方法是利用指令级并行 (ILP)。以 Intel x86 为代表的 CISC 架构采用超流水线结构作为提高性能的主要手段，将指令流水线划分为更简单的流水线阶段，以提高时钟频率。 RISC芯片采用超标量结构作为提高处理器性能的主要手段。该结构与指令接口上的RISC结构兼容，但在内部由硬件动态调度，实现多个操作的并行执行。目前，无论是CISC还是RISC微处理器，在开发过程中都相互借鉴了很多，进一步提升了性能，两者在架构上的界限也越来越模糊。

嵌入式微处理器和 DSP 处理器

嵌入式微处理器和DSP处理器强调高性能处理特定应用问题，主要用于运行特定领域的特殊程序。搭载轻量级操作系统，用于手机、CD播放器等消费类电器；

嵌入式微处理器 (EMPU) 是从通用计算机中的 CPU 演变而来的。多于一位的处理器具有更高的性能和更高的价格。与计算机CPU不同，在实际的嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用密切相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 ，与工控计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。通常嵌入式微处理器在同一个芯片上实现CPU、ROM、RAM和I/O组件，也称为单板机。

嵌入式微控制器

嵌入式微控制器价格相对较低，在微处理器市场需求量最大。主要用于汽车、空调、自动化机械等领域的自动控制设备。 此外，为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式CPU在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对于通用CPU做了各种增强。

注意：2 和 3 统称为嵌入式 CPU。

Microcontroller，英文名称Microcontrollers。

单片机诞生于1971年，先后经历了SCM（Single Chip Microcomputer，SCM）、MCU（Micro Controller Unit，MCU）、SoC（System on Chip）三个阶段。早期的SCM（Single Chip Microcomputer，SCM）微控制器都是8位或4位的。其中最成功的就是INTEL的8031，之后在8031上开发了MCS51系列MCU系统。基于此系统的单片机系统至今仍被广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，16位单片机开始出现，但由于性价比不理想，一直没有得到广泛应用。 1990年代以后，随着消费电子产品的大发展，单片机技术有了很大的提高。随着INTEL i960系列，尤其是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，进入主流市场。传统 8 位微控制器的性能也得到了快速提升，处理能力比 1980 年代提高了数百倍。高端32位Soc单片机主频已超过300MHz，性能已赶超1990年代中期专用处理器。

当代单片机系统不再只是在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用于全系列的单片机。而在作为PDA和手机核心处理的高端MCU中，甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

五代计算机发展

1946年2月15日，世界上第一台电子数字计算机在宾夕法尼亚大学问世，电子计算机名为“ENIAC”

五代计算机的变化。它的内存：Mercury Delay Line存储设备——二战期间为军用雷达开发的存储设备。作为存储器，脉冲信号从管的一端进入并转换为超声波。 960ms后，超声波到达管的另一端8位复杂指令集cpu设计，然后转换成电信号输出。

第一代是1946年到1958年，电子管计算机：数据处理

在此期间，美籍匈牙利科学家冯·诺依曼提出了“程序存储”的概念。其基本思想是将一些常见的基本操作做成电路，每个这样的操作都用一个特定的数字来表示，它可以指示计算机执行某个项目。 “程序存储”使所有计算成为真正的自动化过程，它的出现被誉为电子计算机历史上的里程碑。这种计算机被后人称为“冯诺依曼机”。

冯诺依曼系统的两个重要假设：存储程序和二进制使用

第二代是 1958-1964，晶体管计算机：工业控制

在此期间，开始使用工控机。

第三代是1965年到1970年，中小型集成电路计算机：小型计算机

主要电路为中小型集成电路带元件的电子计算机，以1964年美国IBM360系列机为标志。主存储器为磁芯或磁膜存储器，外存储器为磁鼓存储器、磁带存储器或磁盘存储器。操作系统得到了进一步的普及和发展。小型计算机开始出现。

第四代是1971年到1990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机

以大规模或超大规模集成电路为主要电路元件的电子计算机。它以1970年美国IBM370系列机为标志。其主存储器为半导体集成电路存储器，外存储器为磁带存储器、磁盘存储器和电荷耦合器件。第四代计算机使电子计算机向两个方向发展：1.超级计算机、2.微处理器和以微处理器为核心的微型计算机。

第五代始于1991年，第五代计算机又称“知识信息处理系统”（KIPS）大规模集成电路计算机：单片机

第五代计算机又称“知识信息处理系统”（KIPS），由大规模集成电路实现的单片机开始出现

英特尔 CPU 发展历程

CPU的确定定义：中央处理器（Central Processing Unit，CPU）是指在计算机内部处理数据并控制处理过程的部件。随着大规模集成电路技术的飞速发展，芯片的集成度越来越高，CPU可以集成在一块半导体芯片上，这种具有中央处理器功能的大规模集成电路器件统称为“微处理器”。

X86 架构：

x86是Intel推出的复杂指令集，用于控制芯片的运行程序。 x86 架构于 1978 年首次出现，采用 Intel 8086 中央处理器。 x86 架构是一种可变指令长度的 CISC 架构。字（字，4 字节）长度的内存访问允许未对齐的内存地址，字以低位字节优先顺序存储在内存中。前向兼容性一直是 x86 架构演进的驱动力。但在较新的微架构中，x86 处理器将 x86 指令转换为类似 RISC 的微指令执行，从而产生与 RISC 相当的超标量性能，同时仍保持前向兼容性。

x86架构的处理器共有四种执行模式，分别是实时模式、保护模式、系统管理模式和虚拟V86模式。

AMD主动将32位x86（或IA-32）扩展到64位，x86-64出现了，AMD64架构，第一个基于该技术的技术。产品是单核 Opteron 和 Athlon 64 处理器家族，由于 AMD 的 64 位处理器产品线首先进入市场，而微软不愿意为 Intel 和 AMD 开发两种不同的 64 位操作系统，Intel 也被迫采用 AMD64 指令为自己的产品设置并添加了一些新的扩展，命名为EM64T架构，被英特尔正式更名为Intel 64。

第一代：

英特尔 4004：

1971 年 11 月 15 日，英特尔工程师 Hoff 和 Fagin 发明了世界上第一个商用微处理器 Intel 4004，它具有高集成度和 2300 个集成晶体管，是第一款将CPU集成到同一个芯片中，微处理器就诞生了。

英特尔 C8008：

英特尔 C8008 是世界上第一款 8 位微处理器。 8008推出了两种速度，0.5 Mhz和0.8 Mhz，虽然运行时钟比4004慢，但是因为是8位处理器（相比4004的4字节） ，整体性能比4004好很多。8008最高可以支持16KB内存。

X86 架构的开始（第二代微处理器）：

1974年，8008发展成第二代微处理器8080。 1978年，英特尔公司生产的8086是第一个16位微处理器。这是第三代微处理器的起点。 1979年，英特尔公司开发了8088，英特尔在后续CPU的命名中继续使用原来的x86序列，直到后来由于商标注册问题，放弃继续使用阿拉伯数字进行命名。 1981年，美国IBM公司在其PC中使用了8088芯片。 ，从而开创了微型计算机的新时代。个人电脑（PC）的概念也是从 8088 开始在世界范围内发展起来的。

英特尔 80286：

1982 2008年，英特尔公司在8086的基础上开发出80286微处理器。8086到80286的时代是个人电脑开始的时代，英特尔80286也是英特尔最后一个16位CPU。

英特尔 80386：

1985 年秋天，英特尔重新推出了英特尔 80386 处理器。它是英特尔首款 32 位处理器，集成了 275,000 个晶体管，超过 4004 芯片的 100 多倍，每秒可处理 500 万条指令。它是一款具有“多任务处理”功能的处理器，可以同时处理多个程序的指令，对微软操作系统的开发有着重要的影响。 80386最经典的产品是80386DX-33MHz。一般80386就是指它。 80386 使 32 位 CPU 成为 PC 行业的标准。专为笔记本电脑设计的移动处理器：1989年，英特尔的80386SL/80386DL是第一款专为笔记本电脑设计的移动处理器（主频16MHz，工作电压3.3V）。

Intel 80486：1989 年推出 Intel 80486，这是 Intel 的最后一代编号 CPU。

Intel 486DX：1995年，33MHz 486SL和250MHz 486DX因其高性价比成为市场上低价机型的首选。

奔腾，传奇的 586：

1993年3月22日：全面超越486的新一代586 CPU问世。为了摆脱486时代微处理器名称的混乱，英特尔将新一代产品命名为奔腾（Pentium）以区分AMD和Cyrix产品，还推出了Pentium Pro、Pentium MMX等。

奔腾II处理器：

1997年5月7日，Intel发布了Pentium II 233MHz、Pentium II 266MHz、Pentium II 300MHz三款PII处理器，采用0.35微米工艺技术，核心升级到750万个晶体管。采用SLOT1架构，引入S.E.C封装（Single Edge Contact）技术，将缓存和处理器集成在一块PCB板上，二级缓存的工作速度是处理器内核工作速度的一半；处理器采用奔腾PRO相同的动态执行技术，通过双独立总线连接到系统总线，进行多次数据交换，提高系统性能； PentiumII 还包括 MMX 指令集。 Intel希望用SLOT1架构的专利把AMD打死，没想到Socket 7平台在AMD的K6-2处理器的支持下又进入了一个春天。此后，英特尔也走上了一条前途未卜的道路，开始频频强行制定自己的标准，企图快速碾压竞争对手。然而，市场和用户的需求，却让英特尔不断陷入被动和不利的境地。情况。

赛扬 300A：

1998年8月24日，一个热爱硬件的人都不会忘记的日子，Intel推出了具有二级缓存的Celeron A处理器，这就是Celeron 300A，以后会被很多DIY爱好者称赞，一个型号让经典不再经典。赛扬300A，从某种意义上来说，已经是英特尔的第二代赛扬处理器了。第一代赛扬处理器只有266MHz和300MHz两个版本。第一代赛扬处理器没有任何二级缓存，虽然有效降低了成本，但性能却不尽如人意。为了弥补性能上的不足，Intel终于首次推出了带有L2缓存的赛扬处理器——Celeron300A，333、366，Mendocino核心。经典，诞生于此。经典的赛扬300A不仅是因为它的超频（大部分赛扬300A都可以轻松超频到550MHZ），还因为赛扬300A的超频几乎打造了专门为其设计的产业链。拿起卡片……为赛扬300A诞生了多少这样的产品。一时间，报刊杂志和网络媒体都在讨论这款Celeron300A的超频方法、技巧、搭配主板、内存等等。 DIY超频时代正式到来。

Pentium III：1999年2月26日，Intel发布了Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz处理器，采用0.25微米工艺技术，核心由950万个晶体管组成，INTEL已经着手此后的 PIII 之旅。

AMD K6-III：1999 年 2 月 22 日：AMD 发布了 400MHz 版本的 K6-III，在某些测试中它的性能优于后来发布的 Intel Pentium III。

Pentium III tualatin/coppermine Socket 370：

Pentium III 有 Katmai Slot 1、Coppermine Slot 1 和 Coppermine Socket 370 三个不同系列。后来 Intel 放弃了卡接口，回到了 socket 接口（Socket 370）

奔腾 4：

2000年11月21日，英特尔全球同步发布新一代微处理器Pentium4（Pentium4）.Pentium 4处理器，Socket 423接口，原代号Willamette，采用0.18微米铝线工艺8位复杂指令集cpu设计，采用低温半导体介质（Low-Kdiclcctric）技术，是一款具有超深流水线架构的处理器，奔腾4处理器的主要特点是摒弃了英特尔多年来沿用的P6结构，采用全新的NetBurst CPU结构NetBurst结构有很多明显的优势：20级超级流水线、高效乱序执行功能、2倍速ALU、新的片上缓存、SSE2指令扩展集和400MHz前端总线等。 P4，Intel已经不再每两年推出新命名的中央处理器（CPU），而是反复使用Pentium 4这个名字，这样的做法导致Pentium 4家族有了一堆兄弟姐妹，而P4家庭持续五年。

但是奔腾4（Willamette）的致命弱点：耗电大，发热量大，频率难以提升，L2缓存只有256KB，超深处理流水线使整体性能不尽如人意。 Socket 423不兼容升级困难，只能用Rambus这个怪物内存。双通道Rambus内存实现了前所未有的2.5GB/S内存数据带宽，但由于Rambus内存价格高昂，早期的P4平台相当昂贵。

Northwood core Celeron 都是 400MHz FSB，Prescott core Celeron D，Smithfield core Pentium EE 840 是 800MHz FSB，Presler core Pentium EE 955 和 965 是 1066MHz FSB。

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2002 年 11 月，英特尔推出超线程 (HT) 技术，采用 130nm 制造工艺。 2003 年 11 月，Intel 推出了 HT 技术，具有 512KB L2 缓存、2MB L3 缓存和 800MHz 系统总线 P4 处理器 Xeon 版本（XEON）。

Core 2 双核：

Core 2 Duo 改变了以 Pentium 命名处理器的传统，不再有 Pentium5、6 被称为。英文名称为Core，服务器版开发代号为Woodcrest，桌面版开发代号为Conroe，移动版开发代号为Merom。桌面平台Core 2 Duo E4x00系列为800MHz外频，E6x00系列大部分为1066MHz，E8x00系列为1333MHz。

核心 i3/i5/i7：

2010 年 6 月，英特尔发布了革命性的处理器——第二代酷睿 i3/i5/i7。二代Corei3/i5/i7属于二代智能酷睿家族，均基于全新Sandy Bridge微架构。与第一代产品相比，主要带来五项重要创新：1、采用全新32nm Sandy Bridge微架构，功耗更低，性能更强。 2、内置高性能GPU（核心显卡），具有更强的视频编码和图形性能。 3、涡轮增压技术2.0，更智能，更高效。 4、引入新的环形架构，带来更高的带宽和更低的延迟。 5、新的 AVX 和 AES 指令集增强了浮点运算以及加密和解密运算。

冯诺依曼结构哈佛结构（改进的哈佛结构）

计算机体系结构被称为冯诺依曼结构，它可以将计算机演化为五个主要结构。冯诺依曼架构认为，计算机是一种存储程序和程序控制的电子设备。按照这种架构，可以清楚地看到计算机分为五个部分，分别是内存、控制器、运算器和输入设备。和输出设备。

计算机系统的组成：

计算机系统的硬件组成：

典型计算机系统的硬件组成，如图所示。它包括三个主要部件：中央处理器（CPU）、内存（内存）和由微处理器芯片组成的输入输出（IO）子系统，它们通过系统总线连接在一起。

CPU硬件设计结构：

**von Neumann 结构是程序指令存储器和数据存储器存储器结构的组合。 **程序指令存储地址和数据存储地址指向同一内存中的不同物理位置，因此程序指令和数据具有相同的宽度。冯诺依曼结构框图如下：

冯诺依曼架构：

冯诺依曼架构包含以下关键概念：

1）计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成！ ！ ！

2）数据和指令存储在一个读写内存中！ ！ ！

3）内存的内容是按位置寻址的，不管它保存的是什么数据；

4）按顺序从一条指令执行到下一条指令（跳转指令除外）。

在典型情况下，完成一条指令需要三个步骤，即：取指令、指令解码和指令执行。对于冯诺依曼结构处理器来说，由于取指令和访问数据需要从同一个存储空间访问，并通过同一个总线传输，所以不能重叠执行。在下一个之前只完成一个。这种指令与数据共享同一总线的结构，使得信息流的传输成为限制计算机性能的瓶颈，影响数据处理速度的提高。

CPU硬件设计结构（Harvard结构）：Harvard结构是将程序指令存储和数据存储分开的内存结构。哈佛架构是一种并行架构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立寻址和独立访问。与这两个存储器对应的是系统的四条总线，即程序的数据总线和地址总线，以及数据的数据总线和地址总线。

改进哈佛架构仍然使用两个独立的内存模块分别存储指令和数据，每个内存模块不允许指令和数据共存以实现并行处理。改进后的哈佛结构具有独立的地址总线和独立的数据总线。公共地址总线用于访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公共数据总线用于完成程序存储模块或数据存储模块。对于模块和CPU之间的数据传输，两条总线由程序存储器和数据存储器共享。

硬件架构·总结：

考试题：这些 CPU 使用什么结构？

架构与是否使用独立总线无关，与指令空间和数据空间的分离和独立有关。 51单片机的数据指令存储区虽然是独立的，但是总线是时分复用的，所以属于改进的哈佛结构。 ARM9虽然是哈佛结构，但之前的版本（ARM7)也是冯诺依曼结构。早期的x86能很快占领市场，一个很重要的原因是冯诺依曼的是总线结构，实现简单，低成本。虽然现在的处理器在外部总线上看起来像冯诺依曼结构，但由于内部缓存的存在，内部实际上与改进后的哈佛结构非常相似。由于哈佛结构复杂，连接和外围设备处理要求高，不适合外围内存的扩展，早期的通用CPU很难采用这种结构，嵌入式CPU集成了需要的内存，使用哈佛结构很方便. 依靠缓存的存在，计算机的处理器将两者很好地统一起来了。

内存（内存）

内存是计算机的内存组件。人写的程序（通过）也可以存储程序中用到的数据、信息和中间结果。内存的主要作用是存储各种程序的数据信息。

内存分为主内存和辅助内存两种：

主存储器（也称为内部存储器），它是主机的一部分。用于存放系统当前正在执行的数据和程序，属于临时内存；辅助存储器（也叫内部存储器，外部存储器），属于外部设备。用于存放暂时不用的数据和程序，属于永久内存。

输入和输出 (I/O) 子系统

输入输出子系统一般包括两种外部设备：输入输出设备和大容量内存。

输入输出设备是指负责与计算机外部世界进行通信的输入输出设备，如显示终端、键盘输入、打印输出等各种类型的外部设备。

大容量存储器是指可以存储大量信息的外部存储器，如磁盘、磁带、CD-ROM等。机器内部的存储器称为内部存储器，简称内存。内存的容量是有限的，所以计算机使用外部存储器作为内存的备份设备。它的容量可以比内存大很多，但访问信息的速度却比内存慢很多。因此，除了必要的系统程序外，一般程序（（包括数据）都存储在外部存储器中。只有在运行时，才从外部存储器转移到存储器的某个区域，然后进行控制和执行。由中央处理单元。

系统总线

系统总线连接中央处理器、存储器和输入输出设备，在各部分之间传递信息。系统总线包括三组数据线、地址线和控制线。

数据线传输信息，地址线指示信息的来源和目的地，控制线指定总线的动作，如方向等。系统总线的工作由总线指挥控制逻辑。

计算机软件层次结构

计算机软件层次结构

计算机系统层次结构

第一层是微程序或逻辑电路层。这是一个真正的硬件级别，由硬件直接执行。如果应用程序是直接用微指令编写的，则可以在这个级别运行应用程序。第二个层次是通用机器层次，也称为机器语言层次，用微程序来解释机器指令系统。这个级别也是硬件级别。 Level 3是操作系统级别，由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和通用指令组成。广义指令是由操作系统定义和解释的软件指令，所以这一层也称为混合层。第四个层次是汇编语言层次，它为程序员提供了一种符号形式的语言，以降低程序编写的复杂性。该级别由汇编程序支持和执行。如果应用程序是用汇编语言编写的，那么机器必须具备这一级别的功能；如果应用程序不是用汇编语言编写的，则不需要此级别。 Level 5是高级语言级别，是面向用户的，是为了方便用户编写应用程序而设置的。该级别由各种高级语言编译器支持和执行。第一章思考与练习

1、按照微处理器的应用领域，微处理器分为哪三类？告诉我们它们的用途？

微处理器主要分为三类，即通用高性能处理器、嵌入式微处理器和DSP处理器、嵌入式微控制器。微处理器用于软件，配备完整、复杂的操作系统。嵌入式微处理器和 DS 处理器仅保留与嵌入式应用程序相关的硬件，并删除其他冗余功能。它们面向专用程序和轻量级操作系统、蜂窝电话等。嵌入式单片机主要应用于汽车、空调自动化领域的自动控制设备。

2、计算机系统的硬件结构和软件结构？

硬件结构主要由冯诺依曼结构的CPU、内存、输入输出设备和输出设备组成。

软件主要由系统软件和应用软件组成。

3、冯诺依曼架构的几个关键概念是什么？它的主要设计理念是什么？

冯诺依曼架构的关键概念 是的：计算机的硬件由五个主要部分组成。数据和指令存储在单个读写存储器中。内存内容按位置寻址，指令按顺序执行。

主要设计理念：

计算机采用二进制逻辑，程序存储和执行。计算机由五个部分组成。

4、What are the architectures of the Harvard architecture and the improved Harvard architecture? What are their characteristics?

The Harvard architecture is a way of storing program instructions and data. The memory structure with separate storage is a parallel architecture. Each memory is independently addressed and accessed independently. There are a total of four buses, the address bus and data bus of the program, and the data bus and address bus of the data.

The improved Harvard structure is still stored separately, but has an independent address bus and an independent data bus, and uses the common address bus to access two memory modules. The two buses are composed of program memory and data memory. Shared time.

5、Why software can be transformed into hardware? Hardware can be transformed into software? What is the medium for this transformation?

The logical equivalence of software and hardware. Any operation can be implemented by software or by hardware; the execution of any instruction can be implemented by hardware or by software.

Media:

ROM: Large capacity, low price, small size, and rewritable ROM provides a good material means for software curing. Now many complex and commonly used The program is made into firmware. The function is software, and the form is hardware.

Silicon single crystal chip: complex logic circuits can be made on it, which provides a material basis for expanding the function of instructions, so hardware can be used to directly interpret and execute the logic implemented by software means. some kind of function.

Because hardware and software are logically equivalent in logic, the medium is firmware (the component that holds the program in ROM). Firmware is a kind of hardware with software characteristics, which not only has the characteristics of rapidity of hardware, but also has the characteristics of flexibility of software. This is a typical example of the mutual transformation of software and hardware.

6、What are the classification methods of computers?

①. According to the form and processing method of information, it can be classified: 1、Electronic digital computer: all information is Binary number representation. 2、Electronic analog computer: The internal form is a continuously changing analog voltage, and the basic operational component is an operational amplifier. 3、Hybrid electronic computer: both digital and analog, the design is more difficult. ②, can be classified into: 1、General-purpose computer: suitable for various applications, with complete functions and good versatility. 2、Special computer: a computer specially designed to solve a specific problem, such as industrial control computer, bank special computer, supermarket cash register (POS), etc. ③, according to the scale of the computer system is classified as: the so-called computer system scale mainly refers to the speed, capacity and function of the computer. Generally, it can be divided into supercomputers, mainframes, small and medium-sized computers, microcomputers and workstations.

7、Talk about the application fields of computers?

Scientific computing, process detection and control, information management, computer-aided systems: design, manufacturing, testing, teaching, automation , statistical analysis, automatic control, pattern recognition.

8、What is the development direction and trend of computer?

The miniaturization of computer volume, the networkization of computer, the artificial intelligence of computer, the huge computer integration, computer technology and other technologies. The development trend of computer: quantum computer, optical computer, chemical computer, biological computer.