《现代微机结构》课件

《现代微机结构》课程简介本课程介绍现代计算机系统的基础知识，涵盖处理器、存储器、输入输出系统和总线等核心组件。课程将深入探讨这些组件的结构、功能、性能指标以及相互之间的协作机制。微机系统的概述11.概念微机系统，即微型计算机系统，是一种以微处理器为核心，并包含了内存、外设等部件的完整系统。22.发展从早期的单片机发展到现代的台式机、笔记本电脑和移动设备，微机系统不断发展，功能越来越强大。33.应用微机系统已经渗透到各个领域，例如科学研究、工业控制、信息处理、娱乐等，应用范围十分广泛。44.特征微机系统具有体积小、成本低、性能高、易于扩展和维护等特点。微机的硬件组成微机的硬件系统由多个部件组成，它们协同工作以实现计算机的功能。主要部件包括：中央处理器(CPU)、主存储器(RAM)、辅助存储器(硬盘、光盘等)、输入设备(键盘、鼠标等)、输出设备(显示器、打印机等)和系统总线。计算机的基本结构冯·诺依曼结构计算机的核心架构，由存储程序，存储器，运算器，控制器，输入设备和输出设备组成。存储程序程序和数据保存在同一个存储器中，可以灵活地访问和处理。运算器对数据进行算术运算和逻辑运算，实现程序的功能。控制器控制计算机各部件协同工作，指挥程序的执行步骤。中央处理器的工作原理中央处理器(CPU)是计算机的核心，它执行指令并处理数据。CPU由控制单元(CU)和运算器(ALU)两部分组成。1控制单元控制指令的执行顺序。2运算器执行算术和逻辑运算。3寄存器临时存储数据和指令。4指令计数器跟踪正在执行的指令。CPU通过读取指令，对数据进行运算，并控制计算机的其他部件工作。存储器的基本原理存储单元存储器由许多存储单元组成，每个单元可以存储一个字节或多个字节的数据。存储单元的大小取决于存储器的类型和容量。存储地址每个存储单元都有唯一的地址，CPU使用地址来访问存储器中的特定单元。地址空间是指存储器中所有可寻址单元的范围。读写操作存储器可以进行读操作和写操作。读操作从存储器中读取数据，写操作将数据写入存储器。存储器类型根据存储器的工作原理和应用场景，存储器可以分为主存储器、辅助存储器、高速缓存等。主存储器的分类随机存取存储器(RAM)可读写，速度快，断电数据丢失，用于存放当前执行的程序和数据。只读存储器(ROM)只读，速度慢，断电数据不丢失，用于存放引导程序、系统程序、基本输入输出系统(BIOS)等。闪存(Flash)介于RAM和ROM之间，可读写，断电数据不丢失，用于存储固件、系统配置信息等。高速缓存(Cache)速度比RAM更快，容量较小，用于存储常用的数据，提高CPU数据访问速度。辅助存储器的种类硬盘硬盘是计算机系统中最重要的辅助存储器，存储容量大，速度较快，价格较低。固态硬盘固态硬盘使用闪存芯片作为存储介质，速度更快，体积更小，但价格也更高。光盘光盘使用激光读取和写入数据，存储容量相对较小，但价格低廉，便于携带。磁带磁带存储密度高，容量很大，但访问速度慢，主要用于备份和存档。输入/输出系统概述输入/输出(I/O)系统是计算机与外部世界交互的桥梁。它负责接收来自外部设备的数据，并将处理后的数据发送到外部设备。I/O系统包含各种输入设备，例如键盘、鼠标、扫描仪等，以及输出设备，例如显示器、打印机、扬声器等。输入设备的种类键盘键盘是输入文字、数字和符号的主要设备，是用户与计算机交互最常见的工具。鼠标鼠标是控制光标在屏幕上移动的工具，方便用户选择、移动、拖放和操作图形界面。扫描仪扫描仪可以将图片、文件等实体资料转换为电子文档，方便储存和处理。摄像头摄像头可以捕捉图像和视频，应用于视频会议、监控和图像识别等领域。输出设备的分类显示设备显示设备将计算机处理后的数据以图形、图像或文字的形式展示给用户。常见的有：显示器、投影仪等。打印设备打印设备将计算机处理后的数据以纸质形式打印出来。常见的有：激光打印机、喷墨打印机等。音频设备音频设备用于输出声音信息，常见的有：扬声器、耳机等。其他输出设备其他输出设备，如绘图仪、扫描仪、多媒体设备等，根据不同的需求提供不同的输出形式。系统总线的原理系统总线是微机系统中各个部件之间进行数据传输的公共通道。系统总线可以分为地址总线、数据总线和控制总线三部分。1地址总线用于传输地址信息2数据总线用于传输数据3控制总线用于传输控制信号地址总线用于指定CPU要访问的存储器单元或I/O设备的地址；数据总线用于传输CPU、存储器和I/O设备之间的数据信息；控制总线用于传输CPU发出的控制信号和I/O设备发出的状态信号。时钟信号的作用作用描述同步控制协调各个部件的工作，确保指令执行的正确性时间基准为系统提供稳定的时间参考控制速度通过时钟频率控制系统运行的速度控制信号的功能指令控制控制信号用于控制CPU执行指令的过程，例如读写操作、地址选择、数据传输等。时序控制控制信号根据时钟信号的控制，以同步的方式完成操作。数据传输控制信号用于控制数据在各个部件之间传输，确保数据传输的正确性和效率。状态控制控制信号用于指示CPU的状态，例如中断、异常、等待等。地址信号的作用选择设备地址信号用于识别和选择要访问的内存单元或外设。定位数据地址信号是数据在内存或外设中的唯一标识，方便读取或写入特定位置的数据。数据信号的传输数据信号在计算机系统中通过总线传输。总线是连接各个部件的电子通路，用于传输数据、地址和控制信号。数据信号通过总线上传输，并由相应的接收器进行接收和处理。数据信号的传输速度取决于总线的带宽和传输协议。CPU的基本工作过程1获取指令CPU从内存中获取指令，存储到指令寄存器。2指令译码CPU将指令译码，识别指令类型和操作数。3执行指令CPU根据译码后的指令执行相应的操作，如数据运算、内存访问或I/O操作。4写入结果CPU将执行结果写入内存或寄存器。指令周期的阶段1取指令从内存中取出指令2译码对指令进行分析和解释3执行根据译码结果执行指令4写回将结果写入内存或寄存器指令周期是CPU执行一条指令的完整过程，包含四个阶段：取指令、译码、执行和写回。这四个阶段环环相扣，共同完成一条指令的执行。中断的工作原理1外部事件中断是指计算机在运行过程中，遇到某些突发事件时，暂时停止当前程序的执行，转而去处理这个事件。2中断请求当发生中断事件时，中断源会向CPU发出中断请求信号，通知CPU需要处理事件。3中断响应CPU接收到中断请求信号后，会暂停当前程序的执行，并根据中断类型查找相应的处理程序。4中断处理CPU执行中断处理程序，完成对中断事件的处理，完成后返回到之前被中断的程序继续执行。中断的分类及处理可屏蔽中断可以通过硬件或软件方法控制是否响应中断，例如键盘按下、鼠标点击等。不可屏蔽中断系统运行过程中遇到致命错误，必须立即处理，例如内存错误、非法指令等。中断处理流程中断发生时，CPU保存当前运行状态，跳转到中断处理程序，完成中断处理后，恢复程序执行。程序的执行过程1指令获取CPU从内存中读取指令2指令译码CPU解析指令，识别操作3执行操作CPU执行指令，处理数据4结果存储CPU将执行结果写入内存或寄存器CPU获取指令，解码指令，执行指令，最后将结果存储到指定位置，这便是程序执行的基本流程。常见的微机指令类型数据传送指令用于将数据从一个位置传送到另一个位置，例如从内存传送到寄存器。MOVPUSHPOP算术运算指令执行加、减、乘、除等算术运算。ADDSUBMULDIV逻辑运算指令执行逻辑运算，例如与、或、非、异或等。ANDORNOTXOR控制转移指令改变程序执行的流程，例如跳转、循环、条件转移等。JMPCALLRETLOOP指令的寻址方式立即寻址指令中直接包含操作数的值，操作数不需要从内存中读取，直接参与运算，效率高。寄存器寻址操作数存储在CPU的寄存器中，可直接访问，速度快，常用于频繁访问的数据。直接寻址指令中包含操作数的地址，CPU直接根据地址访问内存获取操作数，适用于访问固定地址的数据。间接寻址指令中包含指向操作数地址的地址，CPU先读取内存得到操作数的地址，再访问内存获取操作数，用于灵活访问数据。数据的表示方式11.十进制十进制是人们日常生活中常用的计数方法，以0到9十个数字作为基数。22.二进制计算机内部使用二进制，仅用0和1两个数字表示数据，便于逻辑运算。33.十六进制十六进制使用0到9和A到F十六个字符，方便表示二进制数据。44.ASCII码ASCII码使用7位二进制代码表示字符，是计算机中最常用的字符编码方案。数字逻辑电路基础数字逻辑电路是计算机系统硬件的基础，它负责处理和传递数字信号。数字逻辑电路使用二进制代码，仅包含0和1两种状态，通过逻辑门来实现运算和控制。数字逻辑电路的基本单元包括逻辑门、触发器和计数器等，它们可以构建复杂的逻辑电路。常见的逻辑电路基本单元与门与门是一种基本的逻辑门，输出仅当所有输入均为高电平时为高电平。或门或门是一种基本的逻辑门，只要有一个输入为高电平，输出就为高电平。非门非门是一种基本的逻辑门，将输入信号反转，即当输入为高电平时，输出为低电平，反之亦然。异或门异或门是一种基本的逻辑门，当且仅当输入信号不同时，输出才为高电平。微处理器的发展历程1第一代(1940s-1950s)真空管计算机，体积庞大，功耗高，速度慢2第二代(1950s-1960s)晶体管计算机，体积减小，功耗降低，速度提高3第三代(1960s-1970s)集成电路计算机，集成度提高，体积更小，速度更快4第四代(1970s-至今)超大规模集成电路计算机，微处理器诞生，性能大幅提升未来微机结构的发展趋势量子计算量子计算利用量子力学原理，具有更强大的计算能力，可以解决传统计算机无法解决的问题。神经形态计算模仿人脑神经网络的工作方式，实现更灵活、高效的计算，例如机器学习、图像识别。云计算云计算提供共享的计算资源，例如服务器、存储空间，实现更高效的资源利用。芯片技术芯片技术不断发展，例如摩尔定律、新材料应用，提高了芯片的性能和集成度。本课程的主要内容与重点