【大学课件】微型计算机系统

微型计算机系统本课程介绍微型计算机系统的基本组成、工作原理和应用。微型计算机系统概述核心处理信息，执行指令。存储器存储数据和指令。输入/输出与外部世界交互。微型计算机系统的基本组成中央处理器(CPU)微型计算机的大脑，负责执行指令、控制数据流和处理信息。存储器系统存储数据和指令，包括主存储器和辅助存储器。输入/输出子系统用于接收外部数据和输出处理结果，包括键盘、鼠标、显示器等。总线连接系统各个部件，传输数据、地址和控制信号。中央处理器(CPU)CPU是微型计算机系统的核心部件，负责执行程序指令，控制整个系统的运作。它就像人脑一样，负责处理数据、执行指令、控制系统工作。CPU的结构和工作原理算术逻辑单元(ALU)执行算术和逻辑运算，如加减乘除、比较、逻辑运算等。控制单元(CU)控制整个CPU的操作，包括指令的获取、解码、执行和存储。寄存器组存储临时数据和运算结果，如指令寄存器、程序计数器、累加器等。内部总线连接CPU内部各个部件，用于数据传输和控制信号传递。存储器系统存储器是计算机系统中用来存储数据的部件，它可以分为主存储器和辅助存储器。主存储器又称为内存，是CPU直接访问的存储器，速度快，容量较小，用于存放当前正在执行的程序和数据。辅助存储器又称为外存，容量大，速度慢，主要用于长期保存数据和程序。主存储器主要功能存储正在运行的程序和数据。CPU可以直接访问主存储器，速度快。类型主要有动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。DRAM价格低廉，容量大，但速度较慢；SRAM速度快，价格高，容量小。辅助存储器1容量大辅助存储器容量通常比主存储器更大，可以存储更多数据和程序.2成本低与主存储器相比，辅助存储器的成本更低，更适合长期存储数据.3速度慢辅助存储器的访问速度比主存储器慢，需要更长的时间读取和写入数据.输入/输出子系统键盘用于输入字符、数字和特殊符号。鼠标用于控制光标位置，执行操作。显示器用于显示计算机的输出信息。打印机用于将计算机中的数据打印到纸张上。总线数据总线用于传输数据。地址总线用于指定内存地址。控制总线用于控制数据传输。总线的功能及分类数据传输在系统各个部件之间传输数据，例如CPU与内存之间、CPU与外设之间。地址传输CPU通过总线向内存或外设发送地址，以访问指定的数据。控制信号传输CPU通过总线控制其他部件的工作，例如读写操作、设备选择等。总线的仲裁机制1集中式仲裁由一个专门的仲裁器来协调多个设备对总线的访问。仲裁器根据一定的优先级规则，决定哪个设备可以获得总线控制权。2分散式仲裁每个设备都拥有一个仲裁逻辑，通过竞争的方式来争夺总线控制权。例如，链式仲裁和分布式仲裁。3优先级仲裁每个设备都有一个固定的优先级，优先级高的设备优先获得总线控制权。例如，固定优先级仲裁和轮询仲裁。微型计算机的系统结构微型计算机的系统结构是指其各个组成部分之间的相互连接方式和工作关系。常见的微型计算机系统结构包括：冯·诺依曼结构、哈佛结构等。微型计算机系统的分类1按用途分类微型计算机可分为通用型和专用型。2按性能分类微型计算机可分为低档、中档和高档。3按体系结构分类微型计算机可分为冯·诺依曼结构和哈佛结构。微型计算机的硬件系统微型计算机的硬件系统由多个相互关联的部件组成，共同完成数据处理和信息交换的功能。这些部件包括：中央处理器(CPU)存储器系统(内存和外存)输入/输出子系统(键盘、鼠标、显示器、打印机等)总线系统(数据传输通道)微型计算机的软件系统操作系统操作系统是管理和控制计算机硬件资源的软件，为应用程序提供运行环境。应用程序应用程序是用户执行特定任务的软件，例如文字处理、图形设计、游戏等。操作系统管理硬件操作系统充当用户与计算机硬件之间的桥梁，管理硬件资源。提供用户界面操作系统为用户提供了一个友好的界面，方便用户操作计算机。管理软件操作系统负责加载和运行应用程序，并协调不同应用程序之间的运行。应用程序办公软件例如MicrosoftOffice、Office等，用于处理文档、表格、演示文稿等。图形图像软件例如AdobePhotoshop、CorelDRAW等，用于图像编辑、设计、处理等。多媒体软件例如WindowsMediaPlayer、RealPlayer等，用于播放音频和视频。网络软件例如浏览器、电子邮件客户端、即时通讯工具等，用于访问互联网。微型计算机系统的性能指标指标描述处理器性能处理数据的速度和效率，例如时钟频率和指令集。存储器性能数据读写速度和容量，例如主存储器和辅助存储器的速度和大小。输入/输出性能数据传输速度和设备的兼容性，例如硬盘驱动器、网络接口卡等。可靠性和可用性系统稳定性、故障率和恢复能力，例如数据完整性和系统运行时间。处理器性能1主频处理器每秒执行的指令周期数，单位是GHz.2核心数处理器包含的独立计算单元数量，每个核心可以独立处理数据.3缓存大小处理器内部存储器容量，用于存储常用的数据和指令，加快访问速度.存储器性能存储器性能对于计算机系统整体效率至关重要.输入/输出性能指标描述数据传输速率每秒传输的数据量，反映了I/O设备与主存储器之间的数据交换速度。响应时间从I/O操作开始到完成所需要的时间，反映了系统对I/O请求的响应速度。I/O带宽单位时间内能够传输的数据量，反映了系统处理I/O请求的能力。可靠性和可用性平均故障间隔时间(MTBF)平均修复时间(MTTR)可靠性是指系统在规定的时间内正常运行的能力，可用性是指系统可被使用的程度。这与系统故障率和修复时间密切相关。微型计算机系统的总线标准ISA总线ISA总线是IBM在1981年为IBMPC系列电脑设计的总线标准，是早期微型计算机中最常用的总线标准之一。PCI总线PCI总线是由英特尔公司在1992年推出的一种总线标准，其特点是高带宽、高速度、易于扩展，被广泛应用于各种微型计算机系统中。USB总线USB总线是通用串行总线标准，由英特尔、微软、康柏等公司联合开发，是一种应用广泛的总线标准，支持多种外设。ISA总线标准定义ISA(IndustryStandardArchitecture)总线是早期的个人计算机(PC)上使用的标准总线，为各种外设提供连接接口。特点ISA总线以其扩展性强，可连接多种外设，以及兼容性良好而著称。PCI总线标准1高速数据传输PCI总线提供比ISA总线更高的数据传输速率，支持高速设备，如显卡、网络卡和硬盘控制器。2可扩展性PCI总线支持插槽扩展，允许添加更多设备，并可以根据需要进行升级。3热插拔PCI总线允许在系统运行时添加或移除设备，无需关闭计算机。4广泛应用PCI总线已成为个人计算机中使用的主要总线标准之一，广泛应用于各种设备。USB总线标准通用串行总线USB是一种串行总线标准，用于连接各种外设，例如键盘、鼠标、打印机、扫描仪、存储设备等。热插拔USB设备可以在系统运行时连接和断开，无需重新启动计算机。即插即用USB设备通常不需要额外的驱动程序，操作系统会自动识别并安装它们。微型计算机系统的发展趋势1云计算和大数据2物联网应用3嵌入式系统嵌入式系统嵌入式系统是一种专门为特定应用而设计的计算机系统，通常具有体积小、功耗低、成本低、可靠性高等特点。嵌入式系统广泛应用于各种领域，例如：智能手机、汽车、工业控制、医疗设备等。物联网应用物联网(IoT)将物理世界与数字世界连接起来，通过传感器、设备和网络收集和交换数据。它在各种领域都有广泛的应用，包括智能家居、智慧城市、工业自动化和医疗保健。物联网应用的例子包括：智能家居设备，如智能灯泡、智能恒温器和智能安全系统；智慧城市解决方案，如智能交通管理、环境监测和公共安全；工业自动化系统，如机器监控、预测性维护和供应链管理；医疗保健应用，如远程患者监测、可穿戴设备和医疗数据分析。云计算和大数据云计算和大数据