《新微机原理》课件

《新微机原理》课件本课件介绍计算机体系结构和工作原理，从基本概念到实际应用，帮助你理解计算机的工作机制。课程简介微机原理讲解计算机硬件系统的基本原理和工作机制。新版教材基于最新的技术和发展趋势进行更新。理论与实践结合理论讲解和实验操作，提高实践能力。内容大纲微机基本组成概述微机的硬件组成，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。微处理器工作原理深入讲解微处理器的指令执行过程、数据运算、地址访问等。存储器系统阐述存储器的分类、工作原理，并探讨不同类型存储器的优缺点。输入输出系统介绍输入输出设备的类型、工作原理，并着重讲解接口技术。总线系统分析总线的分类、特点，并讲解总线的工作机制。中断系统讲解中断机制、中断处理过程，以及中断在系统中的作用。直接存储器访问深入讲解DMA的工作原理，并说明其在高速数据传输中的作用。微机操作系统介绍操作系统的概念、功能，并阐述操作系统的主要组成部分。微机编程基础讲解机器语言、汇编语言和高级语言编程的基本概念和方法。实验演示环节通过实际操作演示，帮助学生更好地理解和掌握微机原理知识。微机的基本组成微机由五大基本组成部分组成，分别是：**中央处理器(CPU)**：控制整个微机的运算和数据处理。**存储器(Memory)**：用于存储程序和数据。**输入输出设备(I/O)**：与外部世界进行信息交换，例如键盘、鼠标、显示器等。**系统总线(Bus)**：连接各个部件，传输数据和控制信号。**外部设备(ExternalDevices)**：辅助微机完成特定功能，例如打印机、扫描仪等。微处理器工作原理1指令获取从内存中读取指令2指令译码解析指令的操作码和操作数3执行操作根据指令执行相应的操作4结果存储将操作结果写入内存或寄存器微处理器的体系结构微处理器的体系结构是指微处理器内部各个功能部件之间的组织方式和相互连接关系。它决定了微处理器的工作原理、性能和功能。常见的微处理器体系结构包括冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构。冯·诺依曼体系结构采用单一的地址空间，用于存放指令和数据。这种结构简单，但指令和数据竞争使用同一个总线，会影响执行速度。哈佛体系结构采用分离的地址空间，分别存放指令和数据。这种结构能同时访问指令和数据，提高执行速度。微处理器的芯片结构微处理器的芯片结构主要包括控制单元(CU)、算术逻辑单元(ALU)、寄存器组、内部总线和外部总线等。控制单元负责控制整个微处理器的操作流程，包括指令的获取、译码和执行。算术逻辑单元负责执行算术运算和逻辑运算。寄存器组用于存储数据和指令。内部总线用于连接微处理器内部各个部件。外部总线用于连接微处理器和外部设备，如存储器、输入输出设备等。存储器系统主存储器主存储器也称为内存，是计算机系统中用来存放程序和数据的部件。主存储器是计算机最主要的存储器，其特点是存取速度快，但容量有限，价格相对较高。辅助存储器辅助存储器也称为外存储器，是用来长期保存数据的存储器。辅助存储器容量大，价格低，但存取速度慢。常用的辅助存储器包括硬盘、光盘、U盘等。高速缓存高速缓存是一种介于主存储器和CPU之间的存储器，其存取速度比主存储器快，但容量更小。高速缓存的作用是将CPU经常访问的数据或指令缓存在高速缓存中，以加快CPU的访问速度。存储器分类及原理1主存储器直接与CPU交互，速度快，容量小，价格高。2辅助存储器容量大，速度慢，价格低，用于长期保存数据。3高速缓存介于CPU和主存储器之间，速度更快，容量更小，用于提高数据访问速度。输入输出系统数据传输输入输出系统负责将数据从外部设备传输到计算机，以及从计算机传输到外部设备。设备控制输入输出系统还负责控制外部设备的操作，例如键盘、鼠标、显示器和打印机等。人机交互输入输出系统是人机交互的重要桥梁，它允许用户通过外部设备与计算机进行信息交换。输入输出接口原理接口定义连接计算机与外部设备的桥梁。允许不同类型的设备相互通信。数据传输负责将数据从CPU传送到外部设备，反之亦然。控制和状态控制外部设备的操作，并提供状态信息给CPU。类型串行接口，并行接口，USB接口等。总线系统数据传输通道将CPU、内存、I/O设备等连接起来，实现信息交换的物理通路。系统核心微机中各部件之间进行数据传输的桥梁，决定了系统的性能和扩展能力。分类及特点按照数据传输方式、带宽和传输方向等进行分类，每种类型都有其特定的应用场景。总线分类及特点地址总线用于传输地址信息，决定CPU访问哪个存储单元或I/O设备。数据总线用于传输数据信息，包括CPU与存储器或I/O设备之间的数据交换。控制总线用于传输控制信号，例如读写信号、中断请求等。中断系统概念中断是指在CPU执行程序的过程中，出现某些突发事件，迫使CPU暂时停止当前程序的执行，转而去处理该事件，处理完后，再返回到原来的程序继续执行。作用中断系统可以提高CPU的利用率，并及时响应外部事件，实现高效的系统管理。中断响应过程1中断请求当发生中断事件时，外设会向CPU发送中断请求信号。2CPU响应CPU接收到中断请求后，会停止当前执行的程序，转而执行中断处理程序。3中断向量表CPU根据中断请求信号，从中断向量表中找到对应中断处理程序的地址。4中断处理CPU跳转到中断处理程序的地址，执行中断处理程序，完成相应的中断处理。5返回中断处理完成后，CPU返回到中断发生前的程序继续执行。直接存储器访问数据传输DMA允许设备直接访问主内存，绕过CPU，提高数据传输效率。CPU释放DMA操作减少了CPU的负担，使CPU可以执行其他任务，提高系统性能。直接存储器访问1数据传输CPU直接与外设交换数据。2DMA控制器负责数据传输过程的控制。3高效传输无需CPU干预，提高效率。微机操作系统管理资源操作系统负责管理微机的硬件资源，包括CPU、内存、存储器和外设。提供接口操作系统为用户提供一个与硬件交互的接口，简化了用户与硬件之间的通信。运行程序操作系统负责加载、执行和管理用户程序，并提供程序运行所需的环境。操作系统结构1内核操作系统核心，管理系统资源，提供基本服务。2系统调用接口应用程序与内核交互的桥梁。3用户界面提供用户与操作系统的交互方式。4系统程序辅助操作系统管理和维护的功能。进程管理进程调度负责管理进程的执行顺序和时间片分配，以提高系统效率和资源利用率。进程通信提供进程间数据交换和资源共享的机制，以便协调进程的协同工作。进程同步解决多个进程访问共享资源时可能出现的竞争条件，确保数据的一致性和完整性。内存管理内存分配为进程分配内存空间，确保每个进程拥有足够的内存运行。内存保护防止进程访问其他进程的内存空间，维护系统安全性和稳定性。内存共享允许多个进程共享内存空间，提高资源利用率和程序效率。内存回收释放不再使用的内存空间，避免内存泄漏，提高系统性能。文件管理组织和管理计算机中的文件。提供对文件的安全访问和控制。保护文件免受意外丢失或损坏。输入输出管理设备管理负责对各种输入输出设备进行管理，包括设备的识别、分配、控制和操作。数据缓冲提供缓冲区，用于存储输入输出数据，协调不同速度的设备之间的数据传输。中断处理处理输入输出设备发出的中断信号，及时响应设备请求，确保数据传输的可靠性。微机编程基础1机器语言计算机可以直接理解的语言，使用二进制代码表示指令和数据。2汇编语言使用助记符来表示机器指令，更易于理解和编写。3高级语言接近自然语言，更易于学习和使用，例如C、Java等。机器语言和汇编语言机器语言计算机直接理解的语言，由0和1组成，难以编写和阅读。汇编语言用助记符表示机器指令，更易于理解和编写，但仍依赖于特定CPU架构。高级语言更接近自然语言，易于编写和理解，例如C、Java和Python。高级语言程序设计C++广泛应用于系统软件、游戏、数据结构等领域。Java适用于移动应用程序、企业级软件、Web开发等。Python在数据科学、机器学习、Web开发等领域占主导地位。程序设计方法结构化程序设计将复杂问题分解为多个模块，每个模块完成特定功能，提高程序可读性和可维护性。面向对象程序设计以对象为核心，通过封装、继承和多态等机制，提高代码复用率和可扩展性。敏捷开发采用迭代式开发方式，快速响应需求变化，提高开发效率和软件质量。调试及性能优化识别并修复代码中的错误，确保程序的正确性和稳定性。优化程序代码，提高执行效率，减少资源消耗。通过性能分析工具，监控程序运行状态，找出性能瓶颈。实验演示环节通过实际操作，加深