盧偉《計算機原理》themicrocomputerprinciple-ch課件

計算機原理計算機原理是研究計算機系統(tǒng)硬件和軟件的基本原理和工作機制的學科。它涵蓋了計算機系統(tǒng)的各個組成部分，包括中央處理器(CPU)、內(nèi)存、輸入輸出設(shè)備、存儲器等。計算機系統(tǒng)的基本組成硬件計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，包括各種電子元件、機械部件和連接線路。主要負責數(shù)據(jù)的處理、存儲和傳輸?shù)裙δ堋＼浖嬎銠C系統(tǒng)的靈魂，是指控制硬件運行、執(zhí)行用戶指令的程序和數(shù)據(jù)。主要負責控制硬件、管理數(shù)據(jù)和執(zhí)行用戶任務(wù)。計算機系統(tǒng)的硬件組成主板連接計算機所有硬件組件，提供數(shù)據(jù)傳輸路徑。中央處理器(CPU)計算機的大腦，負責執(zhí)行程序和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存(RAM)臨時存儲數(shù)據(jù)和程序，供CPU訪問。存儲器持久存儲數(shù)據(jù)和程序，供計算機啟動和運行。計算機存儲器的分類和作用主存儲器也稱為內(nèi)存或RAM，速度快，容量小，用于存放當前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器也稱為外存，速度慢，容量大，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。高速緩存位于主存儲器和CPU之間，速度更快，容量更小，用于存儲CPU經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)，提高訪問速度。計算機中的主存儲器11.隨機存取存儲器(RAM)RAM是主存儲器中最常用的類型，可以隨機訪問任何位置的數(shù)據(jù)，速度快，但數(shù)據(jù)易失。22.只讀存儲器(ROM)ROM用于存儲固定的程序和數(shù)據(jù)，只能讀取不能寫入，數(shù)據(jù)不會丟失。33.緩存(Cache)緩存是位于CPU和主存儲器之間的存儲器，速度更快，用于存儲常用的數(shù)據(jù)，提高系統(tǒng)效率。計算機中的輔助存儲器非易失性存儲器輔助存儲器，又稱外存，指用于長期保存數(shù)據(jù)的存儲器。容量大相較于主存儲器，輔助存儲器具有更大的容量，可以存儲大量的程序和數(shù)據(jù)。成本低輔助存儲器的成本遠低于主存儲器，因此適合用于存儲大量數(shù)據(jù)。種類多樣常見的輔助存儲器包括硬盤、光盤、磁帶等，適用于不同的應(yīng)用場景。計算機中的輸入/輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機可識別的數(shù)據(jù)，方便計算機處理。鍵盤鼠標掃描儀麥克風輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計算機處理的結(jié)果以人類可理解的形式展現(xiàn)出來。顯示器打印機音箱投影儀輸入/輸出接口輸入/輸出接口負責連接計算機和外部設(shè)備，負責數(shù)據(jù)傳輸和控制信號的傳遞。串口并口USB接口網(wǎng)絡(luò)接口集成電路的發(fā)展集成電路（IC）是現(xiàn)代計算機技術(shù)的基礎(chǔ)，它將多個電子元件集成在一個半導(dǎo)體芯片上，大幅度提升了計算機的性能和可靠性。集成電路的發(fā)展經(jīng)歷了多個階段，從早期的晶體管集成到后來的大規(guī)模集成電路，再到超大規(guī)模集成電路，不斷突破集成密度和功能復(fù)雜度。集成電路的發(fā)展促進了計算機的miniaturization,降低了成本，并推動了計算機性能的飛躍式提升。如今，集成電路已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備，從手機到汽車，從工業(yè)控制到航空航天，深刻改變了人類的生活方式。微處理器的概念和歷史概念微處理器是計算機的核心，是一個可以執(zhí)行指令的集成電路。它是計算機系統(tǒng)的“大腦”，負責控制所有其他組件。早期第一個微處理器是英特爾公司在1971年推出的4004。這標志著計算機技術(shù)的重大突破，使計算機小型化和普及成為可能。發(fā)展微處理器技術(shù)在過去幾十年中不斷發(fā)展，性能和功能不斷提升，為現(xiàn)代計算機提供了強大的處理能力。應(yīng)用微處理器廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中，包括計算機、手機、汽車、工業(yè)設(shè)備等，成為現(xiàn)代社會不可或缺的一部分。微處理器的基本功能和性能指標基本功能微處理器是計算機的核心部件，負責執(zhí)行指令和控制數(shù)據(jù)流。它從內(nèi)存中讀取指令，解釋并執(zhí)行，并將結(jié)果寫入內(nèi)存或輸出設(shè)備。性能指標時鐘頻率，衡量微處理器每秒執(zhí)行指令的次數(shù)。頻率越高，速度越快。字長，表示微處理器一次處理數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長越大，處理能力越強。微處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)微處理器包含多個關(guān)鍵組件，共同實現(xiàn)復(fù)雜的指令處理功能。這些組件包括：運算器(ALU)、控制單元(CU)、寄存器組和內(nèi)部總線。ALU執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，CU負責控制指令的執(zhí)行過程，寄存器組用于臨時存儲數(shù)據(jù)和指令，內(nèi)部總線則用于在各組件之間傳輸數(shù)據(jù)和指令。微處理器的指令系統(tǒng)指令集指令集是微處理器能夠理解和執(zhí)行的一組指令。它定義了微處理器所能執(zhí)行的操作和操作數(shù)類型。指令格式每條指令都有特定的格式，包括操作碼和操作數(shù)，分別指示操作類型和操作對象。指令類型指令類型包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運算、邏輯運算、控制轉(zhuǎn)移等，用于完成各種操作。指令周期指令周期是執(zhí)行一條指令所需要的全部時間，包括取指令、譯碼、執(zhí)行和寫回等步驟。微處理器的工作原理1指令獲取從內(nèi)存中讀取指令，并將其存儲在指令寄存器中。2指令譯碼將指令分解為操作碼和操作數(shù)，確定指令的功能和操作對象。3指令執(zhí)行根據(jù)指令的功能，執(zhí)行相應(yīng)的操作，例如數(shù)據(jù)運算、數(shù)據(jù)傳輸、程序控制等。計算機系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)，包括指令、數(shù)據(jù)和地址等信息。地址總線用于指定存儲器或外設(shè)的地址，決定數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪繕?。控制總線傳輸控制信號，控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?、時間和方式?？偩€的基本概念和分類11.定義總線是連接計算機系統(tǒng)各個部件的公共通路，用于傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。22.分類總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。33.功能地址總線用于傳送數(shù)據(jù)地址，數(shù)據(jù)總線用于傳送數(shù)據(jù)，控制總線用于傳送控制信號。44.特性總線的寬度、速度和類型影響著計算機系統(tǒng)的性能和擴展能力。微處理器與總線的接口微處理器與總線的接口是計算機系統(tǒng)中至關(guān)重要的組成部分。它負責連接微處理器與系統(tǒng)中的其他組件，例如內(nèi)存、外設(shè)和總線控制邏輯。1地址總線傳輸內(nèi)存地址信息2數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù)信息3控制總線傳輸控制信號微處理器通過地址總線發(fā)出讀寫內(nèi)存或外設(shè)的地址信號，數(shù)據(jù)總線則用于傳輸數(shù)據(jù)，控制總線用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和控制操作。計算機系統(tǒng)的中斷機制中斷機制的優(yōu)勢中斷機制可以提高計算機系統(tǒng)效率，使CPU能夠同時處理多個任務(wù)。硬件中斷和軟件中斷硬件中斷是由硬件設(shè)備發(fā)起的，軟件中斷是由程序發(fā)起的。中斷處理流程中斷處理包括中斷請求、中斷響應(yīng)、中斷處理和中斷返回。中斷的概念和分類中斷的概念中斷是一種特殊的硬件機制，允許外部設(shè)備或事件在需要時打斷CPU的正常執(zhí)行流程，以便及時處理緊急事件。中斷的分類根據(jù)中斷源的不同，可以將中斷分為硬件中斷和軟件中斷。中斷類型硬件中斷包括外部中斷，內(nèi)部中斷，時鐘中斷和I/O中斷等，軟件中斷包括系統(tǒng)調(diào)用和異常中斷。中斷處理的過程1中斷請求當硬件或軟件事件發(fā)生時，會向處理器發(fā)送中斷請求。2中斷響應(yīng)處理器收到中斷請求后，會暫停當前正在執(zhí)行的程序，并保存程序狀態(tài)。3中斷處理處理器會根據(jù)中斷向量表找到相應(yīng)的處理程序，并執(zhí)行中斷處理程序。4返回中斷處理完成后，處理器會恢復(fù)程序狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行被打斷的程序。微處理器的時序控制時鐘信號微處理器的工作節(jié)奏由時鐘信號控制。時鐘信號是一個周期性的脈沖信號，控制著指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳送。時鐘頻率越高，微處理器的執(zhí)行速度越快。時序控制電路時序控制電路負責產(chǎn)生各種控制信號，控制微處理器的各個部件的協(xié)同工作?？刂菩盘柊ǎ旱刂沸盘?、數(shù)據(jù)信號、讀寫信號、控制信號等。計算機系統(tǒng)的控制單元指令譯碼控制單元讀取指令，并將其轉(zhuǎn)換為計算機可以理解的信號。指令執(zhí)行控制單元根據(jù)指令，協(xié)調(diào)各個部件執(zhí)行操作，例如內(nèi)存訪問、數(shù)據(jù)運算等。數(shù)據(jù)流控制控制單元控制數(shù)據(jù)在各個部件之間的流動，確保數(shù)據(jù)流的正確性和時序。系統(tǒng)狀態(tài)管理控制單元負責管理系統(tǒng)狀態(tài)，包括程序計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等。微處理器的外圍接口1接口類型常見接口類型包括串行接口、并行接口和總線接口。2通信協(xié)議接口需要遵循特定的通信協(xié)議以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和控制功能。3功能擴展外圍接口擴展了微處理器的功能，使其能夠與各種外設(shè)進行交互。4數(shù)據(jù)交互通過外圍接口，微處理器可以與外部設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸、控制和管理。輸入/輸出的基本概念輸入從外部世界獲取信息，例如鍵盤、鼠標等設(shè)備。輸出將計算機處理結(jié)果傳送到外部，例如顯示器、打印機等設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸輸入/輸出設(shè)備與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。輸入/輸出的方式和技術(shù)1程序控制的輸入/輸出CPU通過指令直接控制I/O設(shè)備的傳輸。速度較慢，效率低下，適合小型系統(tǒng)。2中斷驅(qū)動的輸入/輸出I/O設(shè)備完成操作后，向CPU發(fā)出中斷信號，CPU處理中斷請求，提高效率。3直接存儲器訪問(DMA)I/O設(shè)備直接與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸，CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸，效率最高。4通道技術(shù)通道是專門的硬件，負責控制I/O設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸，解放CPU。程序控制的輸入/輸出1CPU發(fā)起CPU控制數(shù)據(jù)傳輸2I/O設(shè)備就緒等待CPU命令3數(shù)據(jù)傳輸CPU控制數(shù)據(jù)傳輸程序控制I/O由CPU負責控制數(shù)據(jù)傳輸，需要等待I/O設(shè)備就緒后才能進行數(shù)據(jù)交換。中斷驅(qū)動的輸入/輸出中斷請求當I/O設(shè)備完成操作時，會向CPU發(fā)送中斷請求信號。中斷處理CPU暫停當前正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而去處理中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序處理I/O設(shè)備的請求，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮?。返回主程序中斷服?wù)程序執(zhí)行完畢后，CPU返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。直接存儲器訪問(DMA)高效數(shù)據(jù)傳輸DMA允許外設(shè)直接訪問主內(nèi)存，無需CPU干預(yù)。這種方法提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，釋放了CPU進行其他任務(wù)。CPU卸載DMA減少了CPU處理數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，提升了系統(tǒng)性能。CPU可以專注于更復(fù)雜的操作，例如程序執(zhí)行和計算。應(yīng)用場景DMA在高數(shù)據(jù)傳輸量場景中至關(guān)重要，例如硬盤數(shù)據(jù)讀取、圖形圖像處理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式系統(tǒng)的概念和特點嵌入式系統(tǒng)定義嵌入式系統(tǒng)是將計算機技術(shù)應(yīng)用于特定領(lǐng)域的專用系統(tǒng)，通常指用于控制、監(jiān)測或管理設(shè)備或機器的計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常被設(shè)計為具有特定功能，并集成到更大的系統(tǒng)中。特點嵌入式系統(tǒng)通常具有以下特點：專用性強、體積小、功耗低、可靠性高、實時性強、成本低廉，并且通常運行特定的操作系統(tǒng)或?qū)崟r操作系統(tǒng)(RTOS)。嵌入式系統(tǒng)的硬件組成微處理器嵌入式系統(tǒng)通常使用專用微處理器，例如ARM或MIPS架構(gòu)處理器。存儲器嵌入式系統(tǒng)使用多種類型的存儲器，包括閃存、SRAM和DRAM。接口電路接口電路連接微處理器和其他外圍設(shè)備，例如傳感器、執(zhí)行器和通信模塊。電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)提供嵌入式系統(tǒng)所需的電力，并確保電源穩(wěn)定。嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)操作系統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)負責管理系統(tǒng)資源，如內(nèi)存、存儲器和外設(shè)。常見嵌入式操作系統(tǒng)包括V