《中科大微机原理》课件

中科大微机原理欢迎来到中科大微机原理课程。本课程将深入探讨计算机系统的核心原理，帮助你理解现代计算机的工作机制。by课程简介理论基础深入学习计算机硬件架构和工作原理。实践应用通过实验加深对微机系统的理解。前沿技术了解最新的微处理器发展趋势。微机系统的基本组成中央处理器计算机的大脑，负责执行指令和数据处理。存储器用于存储程序和数据的硬件设备。输入输出系统实现计算机与外部世界的信息交换。总线系统连接各个部件，实现数据传输。中央处理器CPU核心组件算术逻辑单元（ALU）控制单元（CU）寄存器组主要功能执行指令数据处理系统控制CPU的工作原理1取指令从内存中读取下一条要执行的指令。2译码解析指令，确定操作和操作数。3执行执行指令指定的操作。4写回将结果存储到指定位置。CPU的指令系统数据传送指令用于在寄存器、内存之间传送数据。算术逻辑指令执行加、减、乘、除等运算操作。控制转移指令改变程序执行顺序，如跳转和循环。系统指令用于控制CPU和系统状态。存储器系统1寄存器速度最快，容量最小2高速缓存速度快，容量小3主存储器速度中等，容量大4辅助存储器速度慢，容量最大存储器的基本原理寻址确定要访问的存储单元地址。读取从指定地址读取数据。写入将数据写入指定地址。刷新动态存储器需定期刷新以保持数据。存储器的分类及特点易失性存储器RAM（随机访问存储器）掉电后数据丢失读写速度快非易失性存储器ROM（只读存储器）Flash（闪存）掉电后数据保持输入输出系统输入设备将信息输入计算机，如键盘、鼠标。输出设备将计算机信息输出，如显示器、打印机。接口连接外设和计算机内部系统。输入输出设备输入输出接口1数据缓冲暂存输入输出数据，协调速度差异。2控制和状态寄存器存储设备控制信息和当前状态。3地址译码识别和选择特定的I/O设备。4数据格式转换在设备和系统间进行数据格式转换。总线系统数据总线传输数据信息，双向传输。地址总线传输地址信息，单向传输。控制总线传输控制信号，协调系统工作。总线的结构与类型单总线结构所有部件共用一条总线，结构简单但效率低。多总线结构使用多条独立总线，提高传输效率。分时总线在不同时间段传输不同类型的信息。分离总线将地址总线和数据总线分开，提高并行性。总线的时序与控制1总线请求设备发出使用总线的请求。2总线仲裁决定哪个设备可以使用总线。3数据传输进行实际的数据传输。4总线释放传输完成后释放总线。中断机制暂停当前任务CPU暂停当前程序的执行。切换上下文保存当前状态，准备处理中断。执行中断服务处理引发中断的事件。恢复执行中断处理完毕后，恢复原程序执行。中断的原理和类型硬件中断外部设备触发如键盘输入、定时器软件中断程序指令触发如系统调用、异常中断的处理过程中断请求设备或程序发出中断信号。中断响应CPU检测并接受中断请求。中断服务执行相应的中断处理程序。中断返回恢复被中断的程序执行。程序的执行过程1加载程序将程序从存储设备加载到内存。2初始化设置程序运行所需的初始环境。3执行指令CPU依次执行程序中的指令。4终止程序程序执行完毕，释放资源。指令的执行周期取指令从内存读取指令到指令寄存器。译码分析指令，确定操作类型和操作数。执行执行指令指定的操作。写回将执行结果写回到存储器或寄存器。指令流水线技术1取指令从内存获取指令。2译码解析指令内容。3执行执行指令操作。4访存访问内存数据。5写回将结果写回。指令流水线技术通过并行处理多条指令的不同阶段，提高CPU的执行效率。存储器管理机制地址转换将程序的逻辑地址转换为物理地址。内存保护防止程序非法访问其他程序的内存空间。内存分配为程序分配所需的内存空间。内存回收回收不再使用的内存空间。虚拟存储技术原理将物理内存和外部存储结合，提供更大的地址空间。优点扩大可用内存简化程序设计提高内存利用率页式存储管理页面将虚拟地址空间划分为固定大小的页面。页框物理内存被划分为与页面大小相同的页框。页表记录页面到页框的映射关系。地址转换通过页表将虚拟地址转换为物理地址。段式存储管理特点按程序的逻辑结构划分段段的长度可变更符合程序的逻辑结构实现段表记录段的基地址和长度地址转换通过段表完成缓存技术1L1缓存速度最快，容量最小2L2缓存速度快，容量较小3L3缓存速度较快，容量较大4主内存速度慢，容量大缓存的工作原理读取请求CPU发出内存读取请求。缓存检查检查数据是否在缓存中。缓存命中如果在缓存中，直接返回数据。缓存未命中从内存读取数据并加载到缓存。缓存的性能分析95%命中率数据在缓存中找到的概率。10访问时间缓存访问时间（单位：纳秒）。100内存访问时间主内存访问时间（单位：纳秒）。高命中率和低访问时间是评估缓存性能的关键指标。微处理器的发展趋势多核技术增加处理器核心数量，提高并行处理能力。3D芯片堆叠通过垂直堆叠提高芯片密度和性能。AI加速器集成专用AI处理单