第一章緒論

微處理器分為三類的劃分

微處理器主要可以分為三類：

通用高性能微處理器（通用CPU）

通用處理器追求高性能，它們用于運行通用軟件，配備完備、復雜的操作系統。

通用微處理器一般指的是服務器用和桌面計算用的CPU芯片。目前，Intel 的CPU和其兼容產品統治著微型計算機的大半江山,這類微處理器主要采用x86構架的CISC(Complex Instruction Set Comouter）指令系統，同時，IBM、HP (COMPAO)等公司也有使用RISC指令系統的微處理器。

傳統上，實現高性能的方法主要是開發指令級并行性（ILP）。以Intel x86為代表的CISC體系結構以超流水結構為提高性能的主要手段，這種結構將指令流水線劃分成更簡單的流水級以提高時鐘速率。而RISC芯片則采用超標量結構為提高處理器性能的主要手段，這種結構在指令界面上保持與RISC結構兼容，但在內部由硬件做動態調度，實現多個操作的并行執行。目前，CISC與 RISC微處理器在發展的過程中都從對方借鑒了很多東西來進一步提高性能，兩者在體系結構上的界限已越來越模糊。

嵌入式微處理器和DSP處理器

嵌入式微處理器和DSP處理器強調處理特定應用問題的高性能，主要用于運行面向特定領域的專用程序，配備輕量級操作系統，用于蜂窩電話、CD播放機等消費類家電；

嵌入式微處理器（EMPU）由通用計算機中的CPU演變而來的，主要特點是具有32位以上的處理器，具有比較高的性能，價格也較高。與計算機CPU不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求，和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一個芯片上，也稱為單板計算機。

嵌入式微控制器

嵌入式微控制器價位相對較低，在微處理器市場需求量最大，主要用于汽車、空調、自動機械等領域的自控設備。此外，為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式CPU在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用CPU都做了各種增強。

注：其中2，3統稱嵌入式CPU。

單片機，英文名Microcontrollers。

單片機誕生于1971年，經歷了**SCM（Single Chip Microcomputer，SCM）、MCU（Micro Controller Unit，MCU）、SoC（System on Chip）**三大階段，早期的SCM（Single Chip Microcomputer，SCM）單片機都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，此后在8031上發展出了MCS51系列MCU系統。基于這一系統的單片機系統直到現在還在廣泛使用。隨著工業控制領域要求的提高，開始出現了16位單片機，但因為性價比不理想并未得到很廣泛的應用。90年代后隨著消費電子產品大發展，單片機技術得到了巨大提高。隨著INTEL i960系列特別是后來的ARM系列的廣泛應用，32位單片機迅速取代16位單片機的高端地位，并且進入主流市場。而傳統的8位單片機的性能也得到了飛速提高，處理能力比起80年代提高了數百倍。高端的32位Soc單片機主頻已經超過300MHz，性能直追90年代中期的專用處理器，而普通的型號出廠價格跌落至1美元，最高端的型號也只有10美元。
當代單片機系統已經不再只在裸機環境下開發和使用，大量專用的嵌入式操作系統被廣泛應用在全系列的單片機上。而在作為掌上電腦和手機核心處理的高端單片機甚至可以直接使用專用的Windows和Linux操作系統。

計算機發展五代

1946年2月15日，世界上第一臺電子數字計算機在美國賓夕法尼亞大學問世，這臺電子計算機叫“ENIAC
計算機的五代變化。其內存：水銀延遲線（Mercury Delay Line）存儲裝置——二戰期間為軍用雷達開發的一種存儲裝置作為內存，脈沖信號從管子一端進入，轉換成超聲波，960ms后超聲波到達管子的另一端，然后再轉換成電信號輸出。

第一代為1946—1958年，電子管計算機：數據處理

這一時期，美籍匈牙利科學家馮·諾伊曼提出了“程序存儲”的概念，基本思想是把一些常用的基本操作都制成電路，每一個這樣的操作都采用一個特定的數表示，這個數就可以指令計算機執行某項操作。“程序存儲”使得全部計算成為真正的自動過程，它的出現被譽為電子計算機史上的里程碑，這種類型的計算機也被后人稱為“馮·諾伊曼機”。

馮·諾依曼體系的兩個重要設想：存儲程序和采用二進制

第二代為1958—1964年，晶體管計算機：工業控制

在此期間，工業控制機開始得到應用。

第三代為1965—1970年，中小規模集成電路計算機：小型計算機

以中、小規模集成電路為主要電路元器件的電子計算機，它以1964年美國 IBM360 系列機為標志，其主存儲器為磁芯或磁膜存儲器，外存儲器為磁鼓存儲器、磁帶存儲器或磁盤存儲器。操作系統得到進一步普及與發展。小型計算機開始出現。

第四代為1971—1990年，大規模和超大規模集成電路計算機：微型計算機

以大規模或超大規模集成電路為主要電路元器件的電子計算機。它以1970年美國IBM370系列機為標志。其主存儲器是半導體集成電路存儲器，外存儲器是磁帶存儲器、磁盤存儲器以及電荷耦合器件等。第四代計算機使電子計算機向兩個方向發展：1.巨型計算機，2.微處理機以及以微處理機為核心的微型計算機。

第五代為1991年開始，第五代計算機又稱“知識信息處理系統”（KIPS）巨大規模集成電路計算機：單片機

第五代計算機又稱“知識信息處理系統”(KIPS)，同時由一片巨大規模集成電路實現的單片計算機開始出現

Intel CPU發展史

CPU的定義：中央處理器(Central Processing Unit，CPU)是指計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴隨著大規模集成電路技術的迅速發展，芯片集成密度越來越高，CPU 可以集成在一個半導體芯片上，這種有中央處理器功能的大規模集成電路器件，被統稱為“微處理器”。

X86架構：

x86是由Intel推出的一種復雜指令集，用于控制芯片的運行的程序，x86架構于1978年推出的Intel 8086中央處理器中首度出現。x86架構是可變指令長度的CISC體系結構。字組（word, 4字節）長度的存儲器訪問允許不對齊存儲器地址，字組是以低位字節在前的順序儲存在存儲器中。向前兼容性一直都是在x86架構的發展背后一股驅動力量。但在較新的微架構中，x86處理器會把x86指令轉換為更像RISC的微指令再予執行，從而獲得可與RISC比擬的超標量性能，而仍然保持向前兼容。

x86架構的處理器一共有四種執行模式，分別是實時模式，保護模式，系統管理模式以及虛擬V86模式。

AMD主動把32位x86（或稱為IA-32）擴充為64位， x86-64出現了，即AMD64架構，且以這個技術為基礎的第一個產品是單內核的Opteron和Athlon 64處理器家族。由于AMD的64位處理器產品線首先進入市場，且微軟也不愿意為Intel和AMD開發兩套不同的64位操作系統，Intel也被迫采納AMD64指令集且增加某些新的擴充到他們自己的產品，命名為EM64T架構，后被Intel正式更名為Intel 64。

第一代：

Intel 4004：

1971年11月15日，Intel公司工程師霍夫和費金發明了世界第一個商用微處理器—Intel 4004，集成度高，集成晶體管2300只，而且是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內的產品，于是微處理器誕生了。

Intel C8008：

Intel C8008為世界上第一款八位微處理器。8008共推出兩種速度，0.5 Mhz以及0.8 Mhz，雖然比4004的工作時脈慢，不過因為是八位元處理器（比起4004的四位元），整體效能要比4004好上許多。8008可以支援到16KB的內存。

X86構架開始（第二代微處理器）：

1974年，8008發展成8080，成為第二代微處理器。1978年英特爾公司生產的8086是第一個16位的微處理器。這就是第三代微處理器的起點。1979年，英特爾公司又開發出了8088而且英特爾在后續CPU的命名上沿用了原先的x86序列，直到后來因商標注冊問題，才放棄了繼續用阿拉伯數字命名。1981年，美國IBM公司將8088芯片用于其研制的PC機中，從而開創了全新的微機時代。也正是從8088開始，個人電腦(PC)的概念開始在全世界范圍內發展起來。

Intel 80286：

1982年，英特爾公司在8086的基礎上，研制出了80286微處理器， 8086～80286這個時代是個人電腦起步的時代，Intel 80286也是Intel最后一塊16位CPU。

Intel 80386：

1985年秋，Intel再度推出了Intel 80386處理器。它是Intel第一款32位處理器，集成275000只晶體管，超過4004芯片的一百倍，每秒處理500萬條指令，它是具有“多任務”功能的處理器，可以同時處理多個程序程序的指令，這對微軟的操作系統發展有著重要的影響。80386最經典的產品為80386DX－33MHz，一般我們說的80386就是指它。80386使32位CPU成為了PC工業的標準。筆記本電腦設計的移動處理器：1989年，Intel的80386SL/80386DL才算首批專為筆記本電腦設計的移動處理器（主頻16MHz起、工作電壓3.3V）。

Intel 80486：1989年，推出Intel 80486，這是intel最后一代以數字編號的CPU。

Intel 486DX：1995年，33MHz的486SL和250MHz的486DX因為性價比高，成為了市場低價機型的首選。

Pentium，傳說中的586：

1993年3月22日：全面超越486的新一代586 CPU問世，為了擺脫486時代微處理器名稱混亂的困擾，英特爾公司把自己的新一代產品命名為Pentium(奔騰)以區別AMD和Cyrix的產品，此外還推出了Pentium Pro，Pentium MMX等。

PentiumII處理器：

1997年5月7日，英特爾發布Pentium II 233MHz、Pentium II 266MHz、Pentium II 300MHz三款PII處理器，采用0.35微米工藝技術，核心提升到750萬晶體管組成。采用SLOT1架構，引入了S.E.C封裝(Single Edge Contact)技術，將高速緩存與處理器整合在一塊PCB板上 ，二級高速緩存的工作速度是處理器內核工作速度的一半；處理器采用與Pentium PRO相同的動態執行技術，通過雙重獨立總線與系統總線相連，進行多重數據交換，提高系統性能；PentiumII也包含MMX指令集。Intel此舉希望用SLOT1構架的專利將AMD等一棍打死，可沒想到Socket 7平臺在以AMD的K6-2為首的處理器的支持下，走入了另一個春天。而從此開始，Intel也開始走上了一條前途不明的道路，開始頻繁的強行制定自己的標準，企圖借此迅速擠垮競爭對手，但市場與用戶的需要使得Intel開始不斷的陷入被動和不利的局面。

Celeron 300A：

1998年8月24日，熱愛硬件的人們都會無法忘記的日子，Intel推出了裝有二級高速緩存的賽揚A處理器，這就是日后被眾多DIYer捧上神壇的賽揚300A，一個讓經典不能再經典的型號。賽揚300A，從某種意義上已經是Intel的第二代賽揚處理器。第一代的賽揚處理器僅僅擁有266MHz、300MHz兩種版本，第一代的Celeron處理器由于不擁有任何的二級緩存，雖然有效的降低了成本，但是性能也無法讓人滿意。為了彌補性能上的不足，Intel終于首次推出帶有二級緩存的賽揚處理器——采用Mendocino核心的Celeron300A、333、366。經典，從此誕生。賽揚300A的經典，并不僅僅是因為它的超頻(多數賽揚300A可以輕松超頻至550MHZ)，還在于賽揚300A的超頻性幾乎造就了一條專門為它而生的產業鏈，主板、轉接卡…有多少這樣的產品就為了賽揚300A而生。一時間，報紙雜志網絡媒體都在討論這款Celeron300A的超頻方式、技巧、配合主板、內存等等。DIY的超頻時代正式到臨。

Pentium III：1999年2月26日，英特爾發布Pentium III 450MHz、Pentium III 500MHz處理器，同時采用了0.25微米工藝技術,核心由950萬個晶體管組成，從此INTEL開始踏上了PIII旅程。

AMD K6-III：1999年2月22日：AMD 發布K6-III 400MHz 版本，在一些測試中，它的性能超越了后來發布的Intel Pentium III 。

Pentium III tualatin/coppermine Socket 370：

Pentium III光是桌上型就擁有Katmai Slot 1 、Coppermine Slot 1以及Coppermine Socket 370等三種不同的系列。后期，英特爾放棄插卡式界面而又回歸到插槽界面（Socket 370）

Pentium 4：

2000年11月21日，Intel 全球同步發布了新一代的微處理器Pentium4（奔騰4）。Pentium 4處理器， Socket 423接口，原始代號為 Willamette，采用0.18微米鋁導線工藝，配合低溫半導體介質（Low-Kdiclcctric）技術制成，是一顆具有超級深層次管線化架構的處理器。Pentium 4處理器最主要的特點就是拋棄了Intel沿用了多年的P6結構，采用了新的 NetBurst CPU結構 。NetBurst結構具有不少明顯的優點：20段的超級流水線、高效的亂序執行功能、2倍速的ALU、新型的片上緩存、SSE2指令擴展集和400MHz的前端總線等。從P4開始，Intel已不再每一兩年就推出全新命名的中央處理器芯片（CPU），反而一再使用 Pentium 4這個名字，這個作法，導致 Pentium 4這個家族有一堆兄弟姊妹，而且這個P4家族延續了五年。

但是Pentium 4（Willamette）致命弱點：耗電驚人、它的發熱量很大、頻率提升困難、它的二級緩存只有256KB，超深的處理流水線使得總體性能并不理想。Socket 423不兼容的封裝，升級困難且只能使用Rambus這個怪物內存，雙通道的Rambus內存達到了前所未有的2.5GB/S的內存數據帶寬，但是由于Rambus內存價格昂貴所以使得早期P4平臺相當昂貴。

Northwood核心的Celeron全部都是400MHz FSB，Prescott核心的Celeron D，Smithfield核心的Pentium EE 840是800MHz FSB，而Presler核心的Pentium EE 955和965都是1066MHz FSB。

2002年11月，Intel推出了超線程（HT）技術，采用130nm制造工藝。2003年11月，Intel推出了支持HT技術，具有512KB的L2高速緩存，2MB 的L3高速緩存和800MHz系統總線的P4處理器至強版（XEON)。

Core 2 Duo：

Core 2 Duo改變了以Pentium命名處理器的傳統，不在有奔騰5、6的叫法了。英文名是Core，服務器版開發代號為Woodcrest，桌面版開發代號為Conroe，移動版開發代號為Merom，分雙核、四核、八核三種。 桌面平臺的Core 2 Duo E4x00系列800MHz FSB，E6x00系列大部分都是1066MHz， E8x00系列則是1333MHz。

Core i3/i5/i7：

2010年6月份，Intel發布革命性的處理器——第二代Core i3/i5/i7。第二代Corei3/i5/i7隸屬于第二代智能酷睿家族，全部基于全新的Sandy Bridge微架構，相比第一代產品主要帶來五點重要革新： 1、采用全新32nm的Sandy Bridge微架構，更低功耗、更強性能。 2、內置高性能GPU（核芯顯卡），視頻編碼、圖形性能更強。 3、睿頻加速技術2.0，更智能、更高效能。 4、引入全新環形架構，帶來更高帶寬與更低延遲。 5、全新的AVX、AES指令集，加強浮點運算與加密解密運算。

馮·諾依曼結構 哈佛結構（改進型哈佛結構）

計算機的體系結構稱為馮諾依曼結構，可以把計算機演變為五大結構。馮諾依曼體系結構認為，計算機是存儲程序和程序控制的電子設備，那么根據這一體系結構，可以清楚的看到計算機分為五大部件，分別是存儲器，控制器，運算器，外加輸入設備和輸出設備。

計算機系統的組成結構：

計算機系統的硬件構成：

典型計算機系統的硬件構成，如圖所示。其中包括由微處理器芯片構成的中央處理機(CPU)、存儲器(memory)和輸入輸出(IO)子系統三個主要組成部分，用系統總線把它們連接在一起。

CPU硬件設計結構：

**馮·諾依曼結構是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構。**程序指令存儲地址和數據存儲地址指向同一個存儲器的不同物理位置，因此程序指令和數據的寬度相同。馮諾依曼結構框圖如下：

馮·諾依曼體系結構：

馮·諾依曼體系結構由以下幾個關鍵概念：
1）計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備五大部分組成！！！
2）數據與指令存儲在單一的讀寫存儲器中！！！
3）存儲器的內容通過位置尋址，而不考慮它容納的數據是什么；
4）以順序的形式從一條指令到下一條指令來執行（跳轉指令除外）。
在典型情況下，完成一條指令需要3個步驟，即：取指令、指令譯碼和執行指令。對馮·諾依曼結構處理器由于取指令和存取數據需要從同一存儲空間存取，經由同一總線傳輸，因而它們無法重疊執行，只有一個完成后再進行下一個，這種指令和數據共享同一總線的結構，使得信息流的傳輸成為限制計算機性能的瓶頸，影響了數據處理速度的提高。

CPU硬件設計結構（哈佛結構）：

哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構，它的主要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相對應的是系統的四條總線，即程序的數據總線與地址總線，數據的數據總線與地址總線，

改進型哈佛結構仍然使用兩個獨立的存儲器模塊，分別存儲指令和數據，每個存儲模塊都不允許指令和數據并存，以便實現并行處理。改進型哈佛結構具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊（程序存儲模塊和數據存儲模塊），公用數據總線則被用來完成程序存儲模塊或數據存儲模塊與CPU之間的數據傳輸，兩條總線由程序存儲器和數據存儲器分時共用。

硬件體系結構·總結：

考題：那些CPU采用的是哪些結構？

體系結構與采用的獨立與否的總線無關，與指令空間和數據空間的分開獨立與否有關。51單片機雖然數據指令存儲區是分開的，但總線是分時復用得，所以屬于改進型的哈佛結構。ARM9雖然是哈佛結構，但是之前的版本(ARM7)也還是馮·諾依曼結構。早期的x86能迅速占有市場，一條很重要的原因，正是靠了馮·諾依曼這種實現簡單，成本低的總線結構。現在的處理器雖然外部總線上看是馮·諾依曼結構，但是由于內部cache的存在，因此實際上內部來看已經很類似于改進型哈佛結構了。由于哈佛結構復雜，對外圍設備的連接與處理要求高，不適合外圍存儲器的擴展，所以早期通用CPU難以采用這種結構。而嵌入式CPU內部集成了所需存儲器，所以便于采用哈佛結構，現在的處理器依托cache的存在，已經很好的將二者統一起來了。

存儲器（memory）

存儲器是計算機的記憶部件。人們編寫的程序（由指令序列組成）就存放在這里。它也可以存放程序中所用的數據、信息及中間結果。存儲器的主要功能是用來保存各類程序的數據信息。
存儲器分為主存儲器和輔助存儲器兩類：

主存儲器（也稱為內存儲器），屬于主機的一部分。用于存放系統當前正在執行的數據和程序，屬于臨時存儲器；

輔助存儲器（也稱外存儲器），它屬于外部設備。用于存放暫不用的數據和程序，屬于永久存儲器。

輸入輸出（I/O）子系統

輸入輸出子系統一般包括輸入輸出設備及大容量存儲器兩類外部設備。

輸入輸出設備是指負責與計算機的外部世界通信用的輸入、輸出設備，如顯示終端、鍵盤輸入、打印輸出等多種類型的外部設備。

大容量存儲器則是指可存儲大量信息的外部存儲器，如磁盤、磁帶、光盤等。機器內部的存儲器則稱為內存儲器，簡稱內存，由于內存的容量有限，所以計算機用外存儲器作為內存的后援設備，它的容量可以比內存大很多，但存取信息的速度要比內存慢得多。所以，除必要的系統程序外，一般程序（包括數據）是存放在外存中得。只有當運行時，才把它從外存傳送到內存的某個區域，再由中央處理機控制執行。

系統總線

系統總線把中央處理器、存儲器和輸入輸出設備連接在起來，用來傳送各部分之間的信息。系統總線包括數據線、地址線和控制線三組。

數據線傳送信息

地址線指出信息的來源和目的地

控制線則規定總線的動作，如方向等。系統總線的工作由總線控制邏輯負責指揮。

計算機軟件層次圖

計算機軟件層次

• 系統軟件的核心稱為操作系統（operating system）。操作系統是系統程序的集合，它的主要作用是對系統的硬、軟件資源進行合理的管理，為用戶創造方便、有效和可靠的計算機工作環境。

• 操作系統的主要部分是常駐監督程序（resident monitor），只要一開機它就存在于內存中，它可以從用戶接受命令，并使操作系統執行相應的動作。

• **文件管理程序（file management）**用來處理存儲在外存儲器中的大量信息，它可以和外存儲器的設備驅動程序相連接，對存儲在其中的信息以文件（file）的形式進行存取、復制及其他管理操作。

• **I/O驅動程序（I/O driver）**用來對I/O設備進行控制或管理。當系統程序或用戶程序需要使用I/O設備時，就調用I/O驅動程序來對設備發出命令，完成CPU和I/O設備之間的信息傳送。

• **調試程序（debug）**是系統提供給用戶的能監督和控制用戶程序的一種工具。它可以裝入、修改、顯示或逐條執行一個程序。微機的匯編語言程序可以通過DEBUG來調試，完成建立、修改和執行等工作。

• **文本編輯程序（text editor）**用來建立、輸入或修改文本，并使它存入內存儲器或大容量存儲器中。文本是由字母、數字、符號等組成的信息，它可以是一個用匯編語言或高級語言編寫的程序，也可以是一組數據或一份報告。

• 系統程序中的**翻譯程序（translator）包括匯編程序、解釋程序和編譯程序。計算機是通過逐條地執行組成程序的指令來完成人們所給予任務的，所以指令就是計算機所能識別并能直接加以執行的語句，當然它是由二進制代碼組成的。這種語言稱為機器語言，它對于人們顯然是不方便的。既然計算機能識別的唯一語言是機器語言，而用這種語言編寫程序又很不方便，所以在計算機語言的發展過程中就出現了匯編語言和高級語言**。匯編語言是一種符號語言，它和機器語言幾乎一一對應，但在書寫時卻使用由字符串組成的助記符。**例如，加法在匯編語言中一般時用助記符ADD表示的，而機器語言則用二進制代碼來表示。**顯然，相對機器語言來說，匯編語言是易于為人們所理解的，但計算機卻不能直接識別匯編語言。匯編程序就是用來把由用戶編制的匯編語言程序翻譯成機器語言程序的一種系統程序。微機的匯編程序有多種版本，如MASM、TASM等。MASM為Microsoft公司開發的匯編程序，TASM（Turbo Assembler）則為Borland公司開發的匯編程序，它們都具有較強的功能和宏匯編能力。

• 高級語言脫離開機器指令用人們更加易于理解的方式來編寫程序，當然它們也要翻譯成機器語言才能在機器上執行。高級語言的翻譯程序有兩種方式：一種是先把高級語言程序翻譯成機器語言程序，然后再在機器上執行，這種翻譯程序稱為編譯程序（compiler），多數高級編程語言如PASCAL、FORTRAN、C、C++、Java、C#等通過編譯程序把編寫的程序轉換為匯編指令（assembly instruction），然后再轉換為可執行的機器語言。另一種是直接在機器上運行高級語言程序，一邊解釋一邊執行，這種翻譯程序稱為解釋程序（interpreter），如BASIC、dBASE就經常采用這種方式。

• **連接程序（linker）**用來把要執行的程序與庫文件或其他已經翻譯好的子程序（能完成一種獨立功能的程序模塊）連接在一起，形成機器能執行的程序。

• **裝入程序（loader）**用來把程序從外存儲器傳送到內存儲器，以便機器執行。例如，計算機開機后就需要立即啟動裝入程序把常駐監督程序裝入存儲器，使機器運轉起來。又如，用戶程序經翻譯和連接后，由連接程序直接調用裝入程序，把可執行的用戶程序裝入內存以便執行。

• 系統程序庫（system library）和用戶程序庫（user library），各種標準程序、子程序和一些文件的集合稱為程序庫，它可以被系統程序或用戶程序調用。操作系統還允許用戶建立程序庫，以提高不同類型用戶的工作效率。

計算機的系統層次結構

第1級是微程序設計或邏輯電路級。這是一個實在的硬件級，由硬件直接執行。如果某一個應用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運行應用程序。

第2級是一般機器級，也稱為機器語言級，它由微程序 解釋機器指令系統。這一級也是硬件級。

第3級是操作系統級，它由操作系統程序實現。這些操作系統由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是 操作系統定義和解釋 的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。

第4級是匯編語言級，它給程序人員提供一種符號形式語言，以減少程序編寫的復雜性。這一級由匯編程序支持和執行。如果應用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；如果應用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。

第5級是高級語言級，它是面向用戶的，為方便用戶編寫應用程序而設置的。這一級由各種高級語言編譯程序支持和執行。

第一章思考與習題

1、根據微處理器的應用領域，微處理器大致可分為哪三類?分別說說他們的用途?

微處理器主要分為三類，分別是通用高性能處理器，嵌入式微處理器和DSP處理器和嵌入式微控制器。微處理器用于軟件，配備完備，復雜的操作系統。嵌入式微處理器和DS處理器只保留了和嵌入式應用相關的硬件，去除了其他冗余功能的部分，面向專用程序和輕量級操作系統，蜂窩電話等等。嵌入式微控制器主要用于汽車、空調自動化領域的自控設備上。

2、計算機系統的硬件構成和軟件構成?

硬件構成主要由馮諾依曼結構的CPU、存儲器、出入設備和輸出設備組成。

軟件主要由系統軟件和應用軟件構成。

3、馮·諾依曼體系結構的幾個關鍵概念是什么?它的主要設計思想是什么?

馮諾依曼體系的關鍵概念是：計算機的硬件組成五大部分，數據和指令存儲在單一的讀寫存儲器中，存儲器的內容通過位置尋址，以順序的形式執行指令。

主要設計思想：

計算機采用二進制的邏輯，程序存儲執行，計算機由五個部分組成。

4、哈佛結構和改進型哈佛結構是體系結構分別是什么?各自的特點是什么?

哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構，是一種并行體系結構，每個存儲器獨立編址，獨立訪問，一共有四條總線，程序的地址總線與數據總線，數據的數據總線和地址總線。

改進型哈佛結構，仍然是分開存儲，但是具有一條獨立的地址總線和一條獨立的數據總線，利用公用地址總線訪問兩個存儲模塊，兩條總線由程序存儲器和數據存儲器分時公用。

5、為什么軟件能夠轉化為硬件?硬件能夠轉化為軟件?實現這種轉化的媒介是什么?

軟件與硬件的邏輯等價性。任何操作可以由軟件來實現，也可以用硬件來實現；任何指令的執行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。
媒介：
ROM：容量大、價格低、體積小、可以改寫的ROM提供了軟件固化的良好的物質手段.現在已經可以把許多復雜的常用的程序制作成固件。功能上是軟件，形態是硬件。
硅單晶芯片：在其上可以其上可以做復雜的邏輯電路，這為擴大指令的功能提供了物質基礎，因此可以用硬件直接來解釋執行通過軟件手段來實現的某種功能。

因為硬件和軟件在邏輯中邏輯上等價，媒介是固件（將程序固定在ROM中組成的部件）。固件是一種軟件特性的硬件，它既具有硬件的快速性特點，又有軟件的靈活性特點。這是軟件和硬件相互轉化的典型實例。

6、計算機的分類方式有哪些?

①、按信息的形式和處理方式可分類：1、電子數字計算機：所有信息以二進制數表示。2、電子模擬計算機：內部形式為連續變化的模擬電壓，基本運算部件為運算放大器。3、混合式電子計算機：既有數字量又能表示模擬量，設計比較困難。②、按用途可分類為：1、通用機：適用于各種應用場合，功能齊全、通用性好的計算機。2、專用機：為解決某種特定問題專門設計的計算機，如工業控制機、銀行專用機、超級市場收銀機（POS）等。③、按計算機系統的規模分類為：所謂計算機系統規模主要指計算機的速度、容量和功能。一般可分巨型機、大型機、中小型機，微型機和工作站等。

7、淺談計算機的應用領域?

科學計算、過程檢測和控制、信息管理、計算機輔助系統：設計、制造、測試、教學、自動化、統計分析、自動控制、模式識別。

8、淺談計算機的發展方向和趨勢是什么?

計算機體積上的微型化、計算機的網絡化、計算機的人工智能化、計算機巨型化、計算機技術與其他技術結合。計算機的發展趨勢：量子計算機、光計算機、化學計算機，生物計算機。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的微机原理与接口技术 重点详解与章节总结——CPU架构详解的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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