《微機(jī)原理與應(yīng)用》課件：探索微機(jī)科技的奧秘

《微機(jī)原理與應(yīng)用》：探索微機(jī)科技的奧秘歡迎來到《微機(jī)原理與應(yīng)用》的探索之旅！本課程將帶您深入了解微型計(jì)算機(jī)的科技奧秘。從微機(jī)的基本概念到高級(jí)應(yīng)用，我們將一起揭開微機(jī)世界的神秘面紗。準(zhǔn)備好了嗎？讓我們一起啟航，探索微機(jī)科技的無限可能！課程簡(jiǎn)介：微機(jī)原理的重要性理解計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)微機(jī)原理是計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)，理解微機(jī)原理有助于我們更好地理解計(jì)算機(jī)的工作方式。通過學(xué)習(xí)微機(jī)原理，我們可以深入了解計(jì)算機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制，為學(xué)習(xí)更高級(jí)的計(jì)算機(jī)知識(shí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。掌握編程技能學(xué)習(xí)微機(jī)原理可以幫助我們更好地掌握編程技能。通過了解微機(jī)的指令系統(tǒng)和尋址方式，我們可以編寫更高效、更優(yōu)化的程序。這對(duì)于從事軟件開發(fā)、系統(tǒng)編程等工作的人員來說至關(guān)重要。解決實(shí)際問題微機(jī)原理的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)習(xí)微機(jī)原理可以幫助我們解決實(shí)際問題。例如，在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，微機(jī)原理都發(fā)揮著重要的作用。掌握微機(jī)原理，可以讓我們更好地應(yīng)對(duì)各種挑戰(zhàn)。課程目標(biāo)：掌握微機(jī)核心概念1理解微機(jī)基本組成掌握CPU、存儲(chǔ)器、輸入/輸出系統(tǒng)等微機(jī)的基本組成部分及其功能。理解它們之間的相互作用關(guān)系，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2掌握指令系統(tǒng)與尋址方式學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言，掌握指令系統(tǒng)和尋址方式，能夠編寫簡(jiǎn)單的匯編程序。這有助于我們深入了解計(jì)算機(jī)的底層運(yùn)行機(jī)制。3了解中斷與DMA理解中斷和DMA的概念，掌握中斷處理過程和DMA的工作原理。這對(duì)于理解計(jì)算機(jī)的并發(fā)處理和高速數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。章節(jié)概覽：課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)微機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)介紹微機(jī)的發(fā)展歷史、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)制與編碼等基礎(chǔ)知識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。CPU與存儲(chǔ)器深入講解CPU的組成、存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)等核心概念，理解計(jì)算機(jī)的運(yùn)行原理。輸入/輸出系統(tǒng)介紹I/O接口、總線結(jié)構(gòu)、中斷系統(tǒng)等，了解計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備之間的交互方式。匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言的基本語(yǔ)法，能夠編寫簡(jiǎn)單的匯編程序，深入了解計(jì)算機(jī)的底層運(yùn)行機(jī)制。微機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史：從ENIAC到現(xiàn)代處理器1ENIAC1946年，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC誕生，標(biāo)志著計(jì)算機(jī)時(shí)代的開始。ENIAC體積龐大，功耗巨大，但其強(qiáng)大的計(jì)算能力令人矚目。2晶體管計(jì)算機(jī)20世紀(jì)50年代，晶體管取代了電子管，計(jì)算機(jī)的體積和功耗大大降低，可靠性得到提高。晶體管計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，為計(jì)算機(jī)的普及奠定了基礎(chǔ)。3集成電路計(jì)算機(jī)20世紀(jì)60年代，集成電路的出現(xiàn)使計(jì)算機(jī)的體積更小、速度更快、成本更低。集成電路計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，推動(dòng)了計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展。4微處理器1971年，Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，標(biāo)志著微型計(jì)算機(jī)時(shí)代的到來。微處理器的出現(xiàn)，使計(jì)算機(jī)的應(yīng)用范圍更加廣泛。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)：核心概念解析存儲(chǔ)程序?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，計(jì)算機(jī)可以自動(dòng)執(zhí)行程序。1二進(jìn)制計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用二進(jìn)制表示數(shù)據(jù)和指令，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。2五大部件運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，各司其職，協(xié)同工作。3CPU組成：運(yùn)算器、控制器、寄存器運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，是CPU的核心部件之一?？刂破髫?fù)責(zé)指令的讀取、譯碼和執(zhí)行，控制CPU的運(yùn)行。寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的運(yùn)行速度。存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)：高速緩存、主存、外存1外存2主存3高速緩存高速緩存（Cache）速度最快，容量最小，用于存儲(chǔ)CPU經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。主存（MainMemory）速度較快，容量較大，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。外存（SecondaryMemory）速度最慢，容量最大，用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。輸入/輸出系統(tǒng)：I/O接口與設(shè)備鍵盤用于輸入字符和指令。鼠標(biāo)用于控制屏幕上的光標(biāo)。打印機(jī)用于打印文檔和圖片?？偩€結(jié)構(gòu)：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?，確定CPU訪問的存儲(chǔ)器單元或I/O端口。數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)CPU與存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換?？刂瓶偩€用于傳輸控制信號(hào)，控制CPU、存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作。數(shù)制與編碼：二進(jìn)制、十進(jìn)制、十六進(jìn)制數(shù)制基數(shù)數(shù)碼權(quán)二進(jìn)制20,12^n十進(jìn)制100,1,2,3,4,5,6,7,8,910^n十六進(jìn)制160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F16^n補(bǔ)碼、反碼與移碼：有符號(hào)數(shù)表示1原碼最高位表示符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。2反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是其原碼除符號(hào)位外按位取反。3補(bǔ)碼正數(shù)的補(bǔ)碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼是其反碼加1。邏輯代數(shù)基礎(chǔ)：邏輯運(yùn)算、邏輯表達(dá)式與運(yùn)算只有當(dāng)所有輸入都為真時(shí)，輸出才為真?；蜻\(yùn)算只要有一個(gè)輸入為真，輸出就為真。非運(yùn)算輸入為真時(shí)，輸出為假；輸入為假時(shí)，輸出為真。邏輯門電路：與門、或門、非門與門實(shí)現(xiàn)與運(yùn)算的電路?；蜷T實(shí)現(xiàn)或運(yùn)算的電路。非門實(shí)現(xiàn)非運(yùn)算的電路。組合邏輯電路：加法器、編碼器、譯碼器1加法器實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的電路。2編碼器將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼的電路。3譯碼器將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為輸出信號(hào)的電路。時(shí)序邏輯電路：觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器、寄存器觸發(fā)器具有記憶功能的電路，可以存儲(chǔ)一位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。1計(jì)數(shù)器用于對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)的電路。2寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的電路，由多個(gè)觸發(fā)器組成。3Intel8086/8088微處理器：經(jīng)典架構(gòu)回顧Intel8086/8088微處理器是20世紀(jì)80年代最流行的微處理器之一。它們采用了經(jīng)典的CISC架構(gòu)，具有強(qiáng)大的指令系統(tǒng)和靈活的尋址方式。8086/8088的出現(xiàn)，推動(dòng)了個(gè)人計(jì)算機(jī)的普及。8086/8088引腳信號(hào)：重要引腳功能引腳名稱功能AD0-AD15地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線A16-A19/S3-S6地址/狀態(tài)復(fù)用總線RD讀信號(hào)WR寫信號(hào)寄存器組：通用寄存器、段寄存器、指令指針1指令指針2段寄存器3通用寄存器通用寄存器用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和地址。段寄存器用于存儲(chǔ)段地址，實(shí)現(xiàn)分段存儲(chǔ)管理。指令指針用于存儲(chǔ)下一條要執(zhí)行的指令的地址。尋址方式：立即尋址、寄存器尋址、存儲(chǔ)器尋址立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。寄存器尋址操作數(shù)存儲(chǔ)在寄存器中。存儲(chǔ)器尋址操作數(shù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，指令中包含操作數(shù)的地址。指令系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳送指令MOV傳送指令，將數(shù)據(jù)從一個(gè)位置傳送到另一個(gè)位置。PUSH入棧指令，將數(shù)據(jù)壓入堆棧。POP出棧指令，將數(shù)據(jù)從堆棧彈出。指令系統(tǒng)：算術(shù)運(yùn)算指令A(yù)DD加法指令，將兩個(gè)操作數(shù)相加。SUB減法指令，將兩個(gè)操作數(shù)相減。MUL乘法指令，將兩個(gè)操作數(shù)相乘。DIV除法指令，將兩個(gè)操作數(shù)相除。指令系統(tǒng)：邏輯運(yùn)算指令1AND與運(yùn)算指令，將兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行與運(yùn)算。2OR或運(yùn)算指令，將兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行或運(yùn)算。3NOT非運(yùn)算指令，將操作數(shù)進(jìn)行非運(yùn)算。指令系統(tǒng)：控制轉(zhuǎn)移指令JMP無條件跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到指定地址。JE/JZ相等/為零則跳轉(zhuǎn)指令，如果結(jié)果相等或?yàn)榱?，則跳轉(zhuǎn)到指定地址。JNE/JNZ不相等/不為零則跳轉(zhuǎn)指令，如果結(jié)果不相等或不為零，則跳轉(zhuǎn)到指定地址。匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)：基本語(yǔ)法匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，它使用助記符來表示機(jī)器指令。匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)需要了解微機(jī)的指令系統(tǒng)和尋址方式。匯編語(yǔ)言程序通常由數(shù)據(jù)定義、代碼段和堆棧段組成。偽指令：數(shù)據(jù)定義、段定義DB定義字節(jié)數(shù)據(jù)。1DW定義字?jǐn)?shù)據(jù)。2DD定義雙字?jǐn)?shù)據(jù)。3匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)：簡(jiǎn)單程序示例;計(jì)算1+2的值MOVAX,1ADDAX,2;將結(jié)果存儲(chǔ)到變量RESULT中MOVRESULT,AXDATASEGMENTRESULTDW?DATAENDS存儲(chǔ)器管理：分段存儲(chǔ)管理邏輯地址由段地址和段內(nèi)偏移地址組成。物理地址實(shí)際的存儲(chǔ)器地址，通過地址變換得到。地址變換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程。中斷系統(tǒng)：中斷概念與分類1中斷CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。2硬件中斷由外部設(shè)備發(fā)出的中斷請(qǐng)求。3軟件中斷由程序指令觸發(fā)的中斷請(qǐng)求。中斷處理過程：中斷向量表、中斷服務(wù)程序中斷請(qǐng)求外部設(shè)備或程序發(fā)出中斷請(qǐng)求。中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行。中斷向量表查找中斷向量表，獲取中斷服務(wù)程序的入口地址。中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理中斷事件。中斷優(yōu)先級(jí)：中斷嵌套當(dāng)多個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，CPU根據(jù)中斷優(yōu)先級(jí)來決定先處理哪個(gè)中斷。優(yōu)先級(jí)高的中斷可以中斷優(yōu)先級(jí)低的中斷，形成中斷嵌套。DMA：直接存儲(chǔ)器訪問DMA允許外部設(shè)備直接訪問存儲(chǔ)器，無需CPU的干預(yù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。DMA控制器負(fù)責(zé)控制DMA傳輸?shù)倪^程。數(shù)據(jù)傳輸外部設(shè)備通過DMA控制器直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯?chǔ)器或從存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)。并行接口：8255A可編程并行接口端口功能PAA端口PBB端口PCC端口串行接口：UART通用異步收發(fā)器TXD發(fā)送數(shù)據(jù)線。RXD接收數(shù)據(jù)線。GND地線。A/D轉(zhuǎn)換器：模數(shù)轉(zhuǎn)換原理1采樣將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的采樣值。2量化將采樣值轉(zhuǎn)換為有限個(gè)離散的量化值。3編碼將量化值轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼。D/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)模轉(zhuǎn)換原理數(shù)字輸入接收二進(jìn)制代碼。轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。模擬輸出輸出模擬信號(hào)。微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展：存儲(chǔ)器擴(kuò)展當(dāng)微機(jī)的存儲(chǔ)器容量不足時(shí)，可以通過存儲(chǔ)器擴(kuò)展來增加存儲(chǔ)器容量。存儲(chǔ)器擴(kuò)展可以通過增加存儲(chǔ)器芯片或使用更大的存儲(chǔ)器芯片來實(shí)現(xiàn)。微機(jī)系統(tǒng)擴(kuò)展：I/O接口擴(kuò)展地址譯碼通過地址譯碼來選擇不同的I/O接口。數(shù)據(jù)傳輸CPU通過數(shù)據(jù)總線與I/O接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？刂菩盘?hào)CPU通過控制總線控制I/O接口的工作。微型計(jì)算機(jī)的典型應(yīng)用：工業(yè)控制應(yīng)用描述自動(dòng)化生產(chǎn)線使用微機(jī)控制生產(chǎn)線的各個(gè)環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。機(jī)器人控制使用微機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化作業(yè)。過程控制使用微機(jī)控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。微型計(jì)算機(jī)的典型應(yīng)用：智能家居智能溫控使用微機(jī)控制溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能舒適的家居環(huán)境。智能照明使用微機(jī)控制燈光，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的照明效果。智能安防使用微機(jī)監(jiān)控家居安全，防止非法入侵。微型計(jì)算機(jī)的典型應(yīng)用：醫(yī)療設(shè)備1監(jiān)護(hù)儀使用微機(jī)監(jiān)測(cè)患者的生理參數(shù)，如心率、血壓等。2診斷設(shè)備使用微機(jī)進(jìn)行圖像處理和數(shù)據(jù)分析，輔助醫(yī)生進(jìn)行診斷。3治療設(shè)備使用微機(jī)控制治療過程，如放療、化療等。ARM體系結(jié)構(gòu)：嵌入式系統(tǒng)主流RISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。低功耗適合移動(dòng)設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。高性能能夠滿足各種應(yīng)用的需求。ARM處理器特點(diǎn)：低功耗、高性能節(jié)能采用低功耗設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。1高效采用高性能架構(gòu)，提高運(yùn)算速度。2穩(wěn)定具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。3ARM指令集：Thumb指令集16位指令縮短指令長(zhǎng)度，減少代碼空間?；旌暇幊炭梢耘c32位ARM指令混合使用。提高代碼密度在代碼空間有限的情況下，提高代碼的執(zhí)行效率。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：開發(fā)流程階段描述需求分析明確系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)和硬件電路。軟件開發(fā)編寫和調(diào)試嵌入式軟件。系統(tǒng)測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的測(cè)試和驗(yàn)證。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：調(diào)試工具JTAG用于調(diào)試硬件電路和下載程序。串口用于輸出調(diào)試信息和接收用戶輸入。邏輯分析儀用于分析數(shù)字電路的信號(hào)。嵌入式操作系統(tǒng)：RTOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)1實(shí)時(shí)性能夠及時(shí)響應(yīng)外部事件。2可靠性具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。3可裁剪性可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行裁剪。單片機(jī)：8051單片機(jī)簡(jiǎn)介集成度高將CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口集成在一個(gè)芯片上。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于學(xué)習(xí)和使用。應(yīng)用廣泛適用于各種控制應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用：LED顯示控制端口配置將單片機(jī)的端口配置為輸出模式。1數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉丝凇?顯示控制控制LED的亮滅，實(shí)現(xiàn)顯示效果。3單片機(jī)應(yīng)用：電機(jī)控制PWM使用PWM信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。方向控制控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)方向。保護(hù)提供過流保護(hù)和過壓保護(hù)。微機(jī)新技術(shù)：多核處理器優(yōu)勢(shì)描述并行處理多個(gè)核心可以同時(shí)執(zhí)行不同的任務(wù)，提高處理速度。負(fù)載均衡可以將任務(wù)分配到不同的核心，實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡。節(jié)能可以根據(jù)負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整核心的頻率，降低功耗。微機(jī)新技術(shù)：GPU加速計(jì)算并行計(jì)算GPU具有大量的計(jì)算單元，適合并行計(jì)算。圖像處理GPU在圖像處理領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢(shì)。機(jī)器學(xué)習(xí)GPU可以加速機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練。微機(jī)新技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用1傳感器采集各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照等。2網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_(tái)。3云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，提供各種服務(wù)。微機(jī)安全：病毒與防護(hù)病毒能夠自我復(fù)制和傳播的惡意程序。木馬