一、嵌入式系统基本概念
定义 ：嵌入式系统是以应用为中心 、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪的专用计算机系统，核心是 "控制程序存储在 ROM 的嵌入式处理器 / 控制板"。
二、基本计算机硬件系统组成
计算机硬件由 5 大核心部件构成（冯・诺依曼体系）：
- 运算器 ：
- 核心是ALU（算术逻辑单元），负责算术运算（+、-、×、÷）和逻辑运算（与、或、非）；
- 嵌入式中集成在 CPU 内部。
- 控制器 ：
- 计算机的 "指挥中心"，负责解析指令、协调硬件动作；
- 与运算器共同组成CPU（中央处理器）。
- 存储器 ：
- 内存储器（内存）：速度快、容量小、断电数据丢失（如 RAM）；
- 外存储器（外存）：速度慢、容量大、断电数据保留（如 ROM、Flash、硬盘）。
- 输入设备 ：
- 向计算机输入数据 / 指令的设备（如键盘、传感器、触摸屏）。
- 输出设备 ：
- 向外部输出处理结果的设备（如显示器、LED、电机）。
三、计算机核心寄存器（CPU 内部组件）
- 指令寄存器（IR） ：
- 存储当前正在执行的指令，供控制器解析。
- 程序计数器（PC） ：
- 功能：① 存储下一条要执行的指令地址；② 自动 "计数"（指令执行后，PC 自动 + 1 指向下一条指令）。
- 地址寄存器（AR） ：
- 存储要访问的内存 / 外设地址，配合地址总线完成数据读写。
- 指令译码器（ID） ：
- 解析指令寄存器中的指令，翻译成硬件可执行的控制信号。
四、数的表示
1. 进制与转换
- 任意进制数（如 N 进制）的权值是 N 的幂次；
- 进制转换：十进制↔二进制 / 八进制 / 十六进制。
2. 机器数的编码（带符号数表示）
机器数用 "最高位表示符号"（0 = 正、1 = 负），常见编码有 3 种：
| 编码类型 | 正数表示 | 负数表示 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 原码 | 符号位 + 数值位 | 符号位（1）+ 数值位 | 简单直观，但加减法需区分符号，0 有两种表示（+0、-0） |
| 反码 | 与原码相同 | 符号位（1）+ 数值位按位取反 | 是原码到补码的过渡，0 仍有两种表示 |
| 补码 | 与原码相同 | 反码 + 1 | 0 只有一种表示，加减法可统一为加法 |
3. 浮点数表示
- 格式：用符号位 + 阶码（指数）+ 尾数（有效数字） 表示（例：科学计数法的机器实现）；
- 分隔：小数部分与整数部分用 "△"（或小数点）隔开。
4. 移码
- 定义：在数 X 的基础上加一个偏移量，用于表示浮点数的阶码（避免阶码出现负数）；
- 规则：偏移量为2n−1（n 是阶码位数）；
五、数据校验
用于检测 / 纠正数据传输中的错误，常见类型：
- 奇偶校验 ：
- 原理：在数据后加 1 位 "校验位"，使数据中 "1 的个数" 为奇数（奇校验）或偶数（偶校验）；
- 特点：仅能检测奇数位错误，无法纠错。
- 海明码 ：
- 原理：在数据中插入多个校验位，通过校验位的组合定位错误位；
- 特点：能检测并纠正 1 位错误。
- CRC（循环冗余校验） ：
- 原理：通过多项式除法生成校验码，接收方重新计算并对比；
- 特点：能检测多位错误（常见于通信、存储领域）。
六、计算机的加减法实现
- 核心逻辑：用补码实现加减法统一（减法转加法）；
- 步骤：
- 将被减数、减数转换为补码；
- 减法→"被减数补码 + 减数补码的相反数补码"；
- 计算结果的补码转换为原码，得到最终结果。
七、寄存器分类与功能
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程序寄存器（PC）
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存放下一条指令的内存地址
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顺序执行时自动+1，跳转时装载目标地址
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指令寄存器（IR）
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存放当前从内存取出的指令
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输出到译码器进行解析
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地址寄存器（AR）
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存放要访问的内存单元地址
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连接地址总线，用于寻址
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八、控制与译码单元
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指令译码器
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输入：IR中的操作码
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输出：控制信号（如ALU操作、寄存器写使能、内存读写）
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时序控制逻辑
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生成时钟同步的控制序列
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控制数据通路的开关
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程序计数器逻辑
- 控制PC的更新（+1、跳转、中断入口装载）
九、数据通路
PC → 地址总线 → 内存
内存 → 数据总线 → IR
IR → 译码器 → 控制信号
AR → 地址总线 → 内存（数据存取）
寄存器组 ↔ ALU ↔ 内存