北邮信通院计原期末总结

注：本文是对考点和教材的一些内容总结，标红部分为期末考试重点部分，碍于时间关系，很多地方写得不够详细、还有一些地方可能有打错字的情况，望大家包容，仅供期末速成参考。

计原期末复习

一、微处理器及相关概念

1、微型计算机系统的三个层次

2、CPU的基本功能、结构

3、执行指令过程

（1）假设程序存储在内存中。开始执行程序时，程序计数器中保存第一条指令的地址，指明当前将要执行的指令存放在存储器的哪个单元

（2）控制器将程序计数器中的地址送到地址寄存器MAR，并发出读命令。存储器根据此地址取出一条指令，经过数据总线送入指令寄存器IR。

（3）指令译码器对IR中的指令进行译码，并由控制逻辑阵列向存储器、运算器等部件发出操作命令，执行指令操作码规定的操作，操作可以是读写内存、算术/逻辑运算或输出操作等。

（4）修改程序计数器的内容，为取下一条指令做好准备。

至此，一条指令执行结束。CPU在执行指令过程中，提供表示状态的状态信号（如运算结果的正负，结果是否溢出等），提供相应的系统控制信号和时序信号，由此来协调计算机系统工作。

4、指令流水线

二级流水线和三级流水线。（六级流水线）

5、精简、复杂指令集特点（CISC与RISC技术）

（1）CISC微处理器主要特点：指令集庞大，指令的长度各不相同，指令译码步骤比较复杂

        CISC的优点：为了高级语言编程方便和提高程序的运行速度

      CISC的弊端：复杂的指令集带来系统结构的复杂性，大大增加了设计的周期和成本。

（2）RISC微处理器主要特点：指令集中只包含那些使用频度高、功能简单、能够在一个节拍内执行完成的指令，并将较复杂的功能用一段子程序来实现。同时大量使用寄存器，优化了CPU的控制逻辑，提高了程序执行的速度。

RISC的弊端：软件的开发变得更加复杂，相同的任务必须编写更多的程序来完成；性能以来于编译器的有效性等。

二、微型计算机

1、冯诺依曼、哈佛结构特点

冯诺依曼结构具有3个主要特征：

与冯诺依曼结构相比，哈佛结构具有两个明显的特点：

2、微型计算机的组成结构：CPU、存储器、输出输出接口电路、系统总线（各部分的概念与组成以及作用）

3、微型计算机的分类

   按结构分类：单片机、单板机、多板机

   按数据总线的宽度：4位、8位、16位、32位、64位

   按应用：通用机和专用机

三、微型计算机系统

1、基本性能指标

（1）字长

（2）主存容量

（3）主频

（4）运算速度

（5）性能价格比

四、嵌入式系统及ARM微处理器体系

1、嵌入式系统的概念、特点及应用

2、ARM微处理器的体系

（1）ARM架构版本，实验中芯片版本：七个基本版本：主要看v4和v7

V4架构主要增加了Thumb指令集使得微处理器可以在16位/32位指令集之间进行切换；v7有3中不同类型的配置，两种增强型一种简约型：注重提高运算性能的v7-A、重视实时处理的v7-R、面向廉价微控制器的v7-M

实验所用为Cortex-M系列

3、常见ARM处理器系列

ARM7、ARM9/ARM9E、向量浮点运算系列、ARM10、ARM11、Cortex系列

经典的系列：Cortex-A、Cortex-R、Cortex-M（注意各个系列特点）

五、计算机中数的表示与编码

1、进制转换

（1）R进制转换为十进制数，基本方法：安全展开，并求和

（2）十进制数转换为R进制数：对小数和整数部分分别进行转换

       整数部分：除R取余，直至商为0，反序排列；

       小数部分：乘R取整，直至小数为0，顺序排列

（3）二进制与八进制、十六进制数之间的转换

2、原码反码补码转换

正数的反码补码原码都是一样的

负数的反码等于原码按位取反、补码等于反码加一

3、数的定点与浮点表示

4、计算机常用编码

一、ARM微处理器特点

1、ARM微处理器主要特点：

（1）ARM7系列采用冯诺依曼结构、9~11系列采用哈佛结构

（2）属于RISC微处理器结构

（3）定义了多种处理器工作模式，提高了工作效率

（4）具有两种处理器工作状态（Thumb和ARM），可以很好的兼容八位和十六位器件

（5）大量使用寄存器。CISC和RISC体系的最大不同点就是RISC具有大量的寄存器，大多数操作都在寄存器中进行。

（6）具有方便灵活的接口

2、指令集的主要特点：

（1）采用固定长度的指令格式

（2）访问内存使用LOAD/STORE模式

3、Cortex-M4的主要技术特点：教材P25

（1）基于哈佛总线结构，取指令和数据访问可以同时进行

（2）三级流水线设计

（3）32位寻址、4GB存储器空间

（4）从经典ARM处理器仅支持Thumb指令、扩展到可以同时支持十六位和三十二位指令的Thumb-2版本

  ......

4、ARM微处理器功能结构

二、经典ARM微处理器编程模型

1、ARM微处理器工作状态

第一种为ARM状态：执行32位的ARM指令集，即执行字方式的ARM指令

第二种为Thumb状态：执行16位的Thumb指令集，即执行半字方式的ARM指令

2、ARM微处理器的工作模式：

用户模式、快速中断模式、外部中断模式、管理模式、数据访问中止模式、未定义指令中止模式、系统模式

3、ARM微处理器支持的数据类型和存储格式

（1）数据类型：字节（8位）、半字、字

所有的数据操作都是以字为单位的、而在对存储器进行数据读写操作时可以按三种类型的任意一种

（2）存储格式：大端、小端两种存储方式；大端格式时字数据的高字节存储在低地址中，而低字节存储在高地址中；小端格式与大端相反

4、ARM微处理器的寄存器

（1）通用寄存器：保存数据和地址

（2）状态寄存器：标识CPU的工作状态及程序的运行状态；ARM微处理器有37个32位寄存器，其中31个为通用寄存器、6个为状态寄存器。

5、ARM微处理器的I/O组织：

   编址方式：独立编址（I/O映射方式）和统一编址（内存映射方式）；

   X86采用独立编址，ARM采用统一编址

三、Cortex-M4

1、工作状态：调试状态和Thumb状态

   调试状态：由于某种原因使处理器被暂停后，就进入调试状态并停止指令的执行

   Thumb状态：当处理器执行程序代码（Thumb指令）时，就处于Thumb状态

2、工作模式：线程模式和处理模式

   线程模式：在复位或异常返回时进入该模式。此时既能使用特权级也能使用用户级代码

   处理模式：执行中断服务程序等异常处理。在处理模式下，处理器具有特权访问等级

   Cortex-M4在启动后默认处于特权线程模式以及Thumb状态

3、寄存器组织：

（1）通用寄存器：R0~R7作为通用寄存器组中的低寄存器，32位指令和大多数16位指令可以访问此类寄存器，复位后的初始值是未定义的；R8~R12作为通用寄存器组中的高寄存器，32位指令和少量16位指令可以访问，复位后的初始值是未定义的。

    R13是堆栈指针寄存器，实际上具有两个物理寄存器，分别对应于主堆栈指针（MSP）和进程堆栈指针（PSP），因此系统可以同时支持两个堆栈。MSP是默认的指针，在复位后或者处于处理模式时使用。PSP只用于线程模式。两个指针在同一时间只有一个是可见的。（栈指针的选择由特殊寄存器CONTROl决定），PSP的初始值未定义，MSP的初始值需要在复位流程中从存储器的第一个字中取出。

（5）32位处理器、

（6）堆栈“满递减”、

（7）异常向量表的作用：提供异常处理程序的起始地址

（8）复位流程

第三章、ARM核心指令

一、ARM指令系统架构及指令格式

1.指令的基本格式：指令操作码+执行条件+标志+第一源操作数+第二源操作数

注意立即数是否合法的判断：8位数循环右移偶数位

二、寻址方式（掌握例子、习题内容）

    七种：立即寻址、寄存器直接寻址、寄存器移位寻址、寄存器间接寻址、基址变址寻址、多寄存器寻址、堆栈寻址

堆栈寻址：对于CM系列处理器而言：POP指令从左到右弹出，PUSH从右到左压入

三、ARM核心指令

1、数据传送指令

2、存储器访问指令

第四章、ARM汇编语言程序设计

一、ARM汇编语言程序格式、各类指示命令

二、复位后程序加载启动过程与调试验证

三、汇编语言结构化程序设计方法

四、C语言程序与汇编程序的相互调用

指令要求：通过看书上的指令表格，会用指令

程序要求：会读程序、写功能描述和结果、补充程序

伪指令：例4-6源代码中出现的指令、伪指令

C和汇编互相调用的几种方式（填空、选择）

一、半导体存储器概述

1.分类：

按工艺分类：双极型（速度快）和金属氧化物半导体型（速度慢）

按存取方式分类：

RAM：分为静态RAM（速度快）和动态RAM（速度慢）

ROM：主要有掩膜ROM，PROM，EPROM，EEPROM，闪存等

2.半导体存储器的主要性能指标：

（1）存储容量：M根地址总线、N位数据总线；存储容量为（2^M）*N位

（2）存储速度

（3）可靠性

（4）性能价格比

3.半导体存储器的结构：存储体、地址寄存器MAR、译码驱动电路、读写驱动电路、数据寄存器MDR、控制逻辑6个部分

4.存储器读写时序：以SRAM HY62256A

（1）读周期：首先地址信号有效，然后片选信号CS有效，然后OE有效，经过一段时间后数据读出至数据总线上，为保证数据可靠，读信号结束后数据要保持一段时间，地址也要保存一段时间

（2）写周期：首先地址信息有效。然后片选信号CS有效，然后WE有效启动写操作，在WE有效的一段时间内写入的数据必须有效，在其上升沿将数据保存至指定的单元。为保证可靠的写入，数据必须在WE结束前和结束后的一段时间内有效

二、典型存储器芯片及其接口特性

1.SRAM：

（1）Intel 6116：

存储容量：2048*8位

引脚：11条地址线、8条数据线、还有5条其他的（包括Vcc、GND、片选信号CS、输出允许信号OE、写允许信号WE）

（2）6264：

存储容量：8K*8位

引脚：13条地址线、8条数据线

接口特性：

引脚与CPU三总线相连：高位地址线经译码后驱动片选信号，低位与存储器芯片地址线直接相连；控制总线组合后驱动存储器芯片读和写控制信号OE和WE；数据线直接相连

2.DRAM

（1）Intel 2164A

存储容量：64K*1位

引脚：理论需要16条地址线、为了减少封装引脚只用8条地址线（用到地址锁存器）、行地址锁存器RAS和列地址锁存器CAS；数据线输入输出分开，当WE信号是高电平为读出，低电平写入；无专门片选信号，两个锁存器起到了片选作用

接口特性：

与SRAM基本相同，但要注意三个特殊问题：1.定时刷新 2.地址信号输入 3.位扩展

3.ROM

（1）Intel 2732A

存储容量：4K*8位

引脚：12条地址线、8条数据线、只有两个控制信号，没有写入信号WE

接口特性：与SRAM基本一致

4.NOR flash和NAND flash

（1）SST39VF160芯片

5.双端口存储器

（1）IDT7132：六个控制引脚加两边都有的BUSY引脚

接口特性：每一边都和SRAM类似

三、主存储器的设计

1.存储器结构确定

2.片外存储系统设计

（1）根据需要扩展的容量选择需要的芯片数目和类型

（2）根据地址分配确定译码方法（线选法、部分译码、全译码）

四、分级存储系统、高速缓存技术

速度从快到慢、容量从小到大：CPU寄存器组、cache、内存储器、外存储器

CPU对主存的平均存取速度如何计算

五、虚拟存储技术

六、存储器结构（主要看位绑定别名区和对应的位绑定区的相应位的对应关系）

别名区地址=别名区起始地址+绑定区中序号*32+第几个字节*4

ZXBCV1、存储器系统设计、译码电路设计（给出指令芯片、设计存储器系统），描述读写过程

2、存储器分类

3、DRAM位结构、字结构的概念

4、SRAM和DRAM特点

5、三级存储体系

6、缓存命中率计算；

7、外部RAM扩展通过ATM32的FSMA接口来实现

一、总线概述

1、总线基本概念（三总线）

数据总线（双向）、控制总线、地址总线（单向通信）

2、时钟周期、总线周期、吞吐量计算

总线的一次操作叫总线周期，包含若干个时钟周期；吞吐量理论上最大为总线宽度/时钟周期，实际无法达到，实际：总线宽度/总线周期

二、总线的时序和制裁

1、总线时序：

总线通过规定明确的操作时间关系来保证传输的可靠性，这种时间关系称为时序

2、总线仲裁：

概念：在计算机系统中设置一个独立的总线仲裁器来决定下一时刻由哪个主设备使用总线

作用：保证一个时刻只有一个主设备操作总线，以避免冲突

3、列出三种常用总线

ISA总线；PCI总线；SPI总线

一、异常和中断的基本概念

1、中断源的分类

1）硬中断：外部的电路在CPU的引脚上产生的中断请求

2）软中断：CPU在执行程序过程中产生的中断请求

不同的中断源又可以分为条件中断和无条件中断；对于无条件中断CPU是一定要响应的，例如不可屏蔽中断（NMI）；对于条件中断，CPU必须处于某种条件下才可以响应中断。

2、中断过程描述（各个阶段）

1）初始化：

确认系统能否响应该中断源，如果是有条件的外部中断，要检查屏蔽位、优先级和触发方式，为其准备对应的中断服务函数

2）中断申请：

如果外部设备发出的请求信号和CPU要求的不一致需要接口电路来解决

3）中断响应：

保存断点地址；将程序指针指向中断服务函数的入口

4）中断服务：

执行中断服务程序

5）中断返回：

返回正常程序的断点，继续执行原来的程序

二、Cortex-M微处理器的异常

1、3个中断屏蔽寄存器：PRIMASK、FAULTMASK、BASEPRI

2、指令型、向量型中断表

指令型的中断向量表 ，一般位于系统的ROM区域（修改比较困难），存放的是一条转移指令 。

矢量中断 ，在系统的ROM或者RAM区域存放的是中断向量（使用比较灵活）。中断向量是异常服务程序的入口地址。

1、接口基础

（1）统一编址、独立编址概念

（2）四种传送方式及特点

（3）DMA传送种类特点

2、并口GPIO

（1）寄存器的地址计算（基地址+偏移地址）

（2）寄存器格式和说明（会印在试卷上）

（3）以例8-6，8-7和8-8为要求：会配置引脚（会自己组成配置寄存器的配置字，写入配置寄存器）；能编程读GPIO口，写GPIO口

（4）课后题8-4，8-9类似的代码需要掌握

3、串口

（1）单工、半双工、全双工概念

2、异步串行的帧格式、发送一个字符绘图或者读图、计算通信效率

3、RS232工作电平和电平转换

4、串口接口芯片或模块的作用（移位寄存器，并串变换、串并变换）