《存储程序控制原理》课件

《存储程序控制原理》探讨计算机系统的基本工作原理，掌握存储程序控制的核心概念和执行流程。从指令系统、存储器、中央处理器等硬件层面全面理解程序控制的机制。课程目标掌握存储程序控制的基本概念了解什么是存储程序控制以及其工作原理。理解存储程序控制的基本组成学习存储程序控制计算机的核心部件及其功能。掌握存储程序控制的应用场景探讨存储程序控制在各领域的广泛应用。展望存储程序控制的发展趋势预测未来存储程序控制技术的创新方向。什么是存储程序控制存储程序控制是计算机的一种工作方式,它将程序指令和数据存储在计算机的存储器中,通过顺序执行存储的指令来实现计算机的运作。这种方式与早期的硬线编程相比,更加灵活和高效。存储程序控制的核心是将程序指令和数据存储在计算机的内存中,由中央处理器按照顺序执行这些指令,从而实现各种计算和控制功能。这种方式大大提高了计算机的灵活性和通用性。存储程序控制的优势灵活性强存储程序控制可以通过修改程序轻松实现功能变更和更新,适应性强。资源利用高效单一硬件可以完成不同功能,大幅提升资源利用率和系统性能。可靠性高错误修复和维护更加便捷,系统故障率大幅降低,可靠性显著提升。功能扩展容易通过增加或修改程序,可以方便地拓展系统新功能,适应不同需求。存储程序控制的基本组成中央处理器中央处理器是存储程序控制的核心部件,负责执行指令和进行数据运算。它包括算术逻辑单元、控制单元和寄存器等功能模块。存储器存储器用于存储程序指令和数据,包括ROM、RAM等不同类型。它们为中央处理器提供读取和写入数据的能力。输入输出设备输入输出设备负责与外部世界进行交互,如键盘、鼠标、显示器等,为用户提供数据输入和结果输出的渠道。存储程序控制计算机的工作原理1指令拉取从内存中取出指令2指令译码解码取出的指令3操作执行按指令的要求执行相应的操作4结果存储将操作结果保存到内存或寄存器中在存储程序控制计算机中,整个工作过程是通过CPU不断地从内存中取出指令、对其进行译码和执行,并将结果存回内存或寄存器来实现的。这个循环执行过程就是存储程序控制计算机的工作原理。指令定义指令是存储程序控制计算机执行特定操作的编码命令。它是计算机能够理解并执行的基本单元。作用指令用于控制计算机硬件完成各种运算和功能,是程序执行的基础。特点指令采用标准格式,包含操作码和地址码等信息,能够被CPU读取和解码执行。分类指令类型包括数据传输、算术运算、逻辑运算、程序控制等多种。指令的格式操作码指令的操作码部分用于指明执行何种操作，如加、减、存储等。操作数指令的操作数部分包含执行操作所需的数据或地址信息。长度指令长度根据不同的系统和架构而有所不同，通常为4到16位。指令的执行过程取指从内存中取出当前指令。译码确定指令的类型和操作需求。执行根据指令执行相应的操作。存储将执行结果存储到寄存器或内存。存储器存储器是计算机系统的核心部件之一,用于存储程序指令和数据。它能够快速访问存储的信息,为计算机提供及时的信息支持。存储器的速度和容量直接影响着计算机的整体性能。存储器可以根据存储方式划分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。RAM可以读写,提供临时存储;ROM只能读取,储存永久性程序和数据。两种存储器在计算机系统中发挥着不同的重要作用。存储器的基本概念内存容量存储器的容量决定了计算机可以存储的数据量。容量越大,计算机可以处理的信息就越多。访问速度存储器的访问速度决定了计算机处理数据的效率。访问速度越快,系统响应就越迅捷。模块化设计现代存储器采用模块化设计,可根据需求灵活配置和扩展,满足不同应用场景的需求。存储器的分类按存取方式存储器可分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。RAM可读写,ROM只读。按物理特性存储器还可分为半导体存储器、磁性存储器和光学存储器。前者采用集成电路技术,后两者利用磁性和光学原理。按功能存储器可分为主存储器和辅助存储器。主存储器为CPU提供数据和程序,辅助存储器用于长期存储。按易失性存储器还可分为易失性存储器和非易失性存储器。前者断电后数据会丢失,后者可长期保存数据。随机存取存储器(RAM)基本结构RAM由大量存储单元组成,每个单元可以独立存取数据。数据可以随机读取和修改,不受存储位置的影响。易失性RAM属于易失性存储器,断电后数据会丢失。需要持续供电才能保持数据。读写能力RAM支持快速读写数据,是CPU主要的临时数据存储区。适用于存储程序运行时的中间结果。只读存储器(ROM)固定内容只读存储器(ROM)中的数据无法被用户修改,主要用于存储系统的基本程序和固定数据。快速访问与其他存储器相比,ROM具有更快的访问速度,非常适用于需要快速读取的程序和数据。掉电保存即使断电,ROM中的数据也能永久保存,不会发生丢失。这使其成为理想的系统启动存储器。程序计数器1程序计数器的作用程序计数器用于存储当前正在执行的指令在内存中的地址。它能确保程序能够按正确的顺序执行指令。2程序计数器的更新在执行完一条指令后,程序计数器会自动增加,以指向下一条待执行的指令。3程序控制的转移当遇到跳转指令时,程序计数器会跳转到新的地址,改变程序的执行流程。程序执行过程1获取指令从内存中读取下一条指令。2指令译码确定指令的操作码和操作数。3指令执行执行相应的操作并产生结果。4更新程序计数器更新程序计数器以指向下一条指令。程序执行的整个过程是一个循环往复的过程。CPU不断重复获取指令、执行指令、更新程序计数器的步骤,直到程序执行完毕。这种基于指令的顺序执行模式称为存储程序控制技术。中央处理器中央处理器的主要功能中央处理器是计算机的核心部件,负责执行存储程序控制中的指令,协调和控制整个计算机系统的运行。其主要功能包括数据处理、程序控制和输入输出控制。中央处理器的主要功能算数运算中央处理器负责执行基本的算数运算,如加、减、乘、除等。这是CPU最核心的功能之一。逻辑运算中央处理器还可以执行逻辑运算,如与、或、非等操作,用于处理数据的逻辑关系。控制功能中央处理器负责控制整个计算机系统的运行,包括指令的获取、解码和执行等。存储功能中央处理器可以临时存储和访问程序及数据,为计算提供所需的信息。累加器数据处理中枢累加器作为中央处理器的核心部件,负责执行算术和逻辑运算,是数据处理的中枢。临时数据存储运算所需的中间结果和运算参数等数据会临时存储在累加器中,为后续指令执行提供支持。性能关键因素累加器的工作速度和性能直接影响中央处理器的整体效率和计算机系统的运行速度。寄存器1数据存储单元寄存器是存储各种类型数据的专门电路单元,用于暂时保存指令和操作数。2高速访问寄存器具有更高的访问速度和更低的延迟,可以快速为CPU提供所需信息。3分类丰富不同类型的寄存器包括通用寄存器、地址寄存器、程序计数器、状态寄存器等。4核心地位寄存器在存储程序控制计算机中担任关键角色,是CPU运转的基础。控制单元控制功能控制单元负责对计算机系统的各个组件进行协调和控制,确保指令和数据能够按预定的顺序和时序被正确地传输、处理和执行。指令解码和执行控制单元从存储器中获取指令,对指令进行解码,并根据指令内容对计算机系统的各个部件发出相应的控制信号,以实现指令的执行。时间序列控制控制单元还负责产生各种时序信号,同步协调计算机系统内部各部件的工作,确保它们能够按预期的时间顺序进行操作。算术逻辑单元功能算术逻辑单元(ALU)是计算机的核心部件之一,负责执行算术运算和逻辑运算。它可以进行加、减、乘、除等基本算术运算,也可以执行位操作、比较、布尔运算等逻辑操作。结构ALU由各种加法器、移位器、比较器等电路模块组成,通过这些模块完成各种复杂的数学和逻辑运算。它接收来自寄存器的操作数,在控制单元的控制下执行指令,并将结果送回寄存器。作用ALU是CPU的核心引擎,负责执行基本的算术和逻辑运算。它的性能直接影响到整个计算机系统的运行速度和效率。因此,设计高性能的ALU是CPU设计的关键。输入输出设备输入输出设备是计算机系统的重要组成部分,负责与外界交互。输入设备将外界信息转换为计算机能够识别的数字形式,如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备则将计算机处理后的信息以人类易于识别的形式展现出来,如显示器、打印机等。输入输出设备的协调配合是实现人机交互的关键所在,确保信息的高效传递和处理。随着技术的不断发展,输入输出设备的种类和功能也越趋丰富多样,为提高计算机系统的性能和用户体验奠定了坚实的基础。输入输出设备的工作过程1数据输入通过键盘、鼠标等设备将用户输入的数据传输到计算机中。数据首先被转换为电信号,然后存储到内存中供后续处理使用。2数据处理CPU接收输入数据,根据存储程序中的指令执行各种运算和逻辑操作,产生输出结果。3数据输出经过CPU处理后的数据通过显示器、打印机等设备输出,呈现给用户。输出设备将电信号转换为文字、图像等形式。总线总线概述总线是计算机系统内部各个部件之间进行数据传输和控制信号交换的公共通道。它是整个计算机系统的神经网络,负责协调各部件间的通信和数据交换。总线的分类根据功能不同,总线可分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用于传输地址信息,数据总线传输数据,控制总线传输控制信号。总线的时序总线的时序包括读时序和写时序,决定了数据和地址信号在总线上的传输时序和时间关系。总线仲裁机制总线仲裁机制用于协调多个部件对总线的争用,如集中式仲裁和分布式仲裁。总线的分类1数据总线用于在CPU和存储器或I/O设备之间传输数据。其宽度决定了每次可传输的数据量。2地址总线用于指示数据在存储器或I/O设备中的位置。其宽度决定了可寻址的存储空间大小。3控制总线用于传送各组件之间的控制信号,如读写控制、时序控制等。确保系统正常工作。4时钟总线用于同步系统各组件的工作时序,确保它们按预定顺序协调工作。总线的时序10ns时钟周期总线信号以固定的时钟周期进行传输和同步100MHz总线时钟频率高速总线典型的时钟频率可以达到100MHz以上2信号相位总线主要有数据相位和地址相位两个关键时序5ns传输延迟总线信号在传输过程中会有5纳秒左右的延迟总线的时序是指总线上各种信号的传输时间关系。总线信号以固定的时钟周期进行同步传输,典型总线时钟频率可以达到100MHz以上。总线主要有数据相位和地址相位两个关键时序,在传输过程中会有5纳秒左右的延迟。总线仲裁机制优先级仲裁根据事先确定的优先级顺序，决定哪个设备可以先获得总线控制权。轮询仲裁采用循环的方式依次检查每个设备是否需要总线，从而公平地分配总线。请求/授权机制设备向总线控制器发出请求总线的信号，控制器根据一定规则进行授权。存储程序控制的应用工业自动化存储程序控制广泛应用于工厂自动化,可实现生产过程的精确控制和优化,提高产品质量和生产效率。家庭智能化存储程序控制技术让家