中科院自动化所考研之中科大微机原理课件-总复习篇

中科院自动化所考研之中科大微机原理课件-总复习篇本课件旨在帮助考生全面复习微机原理课程，涵盖基础知识、重点内容和常见考点。复习大纲及考试范围考试内容主要内容涵盖计算机系统硬件结构概述、数据表示及运算、存储器系统、CPU的组成和工作过程、指令系统、指令执行机制、中断系统、总线概念和接口标准、工作模式和运算方式、外围设备接口和控制、微机系统软硬件接口技术、微机系统性能评价、微机系统的主存管理、进程和线程管理、处理器调度和上下文切换、内存管理技术、虚拟存储技术、文件管理和设备管理、输入输出技术、嵌入式系统概述、嵌入式操作系统、RTOS工作原理、嵌入式系统设计方法、嵌入式系统优化技术、嵌入式系统安全性、嵌入式系统实例分析、微机原理典型应用。考试形式闭卷考试，考试时间为120分钟，满分100分。参考教材《微型计算机原理及应用》（第五版），唐朔飞等著，清华大学出版社。计算机系统硬件结构概述中央处理器(CPU)计算机的大脑，执行指令和处理数据。内存(RAM)用于存储正在运行的程序和数据。硬盘(HDD)用于长期存储数据和程序。主板连接所有组件的电路板。数据表示及运算1进制转换了解二进制、十进制、八进制、十六进制之间的转换关系。2数据编码掌握各种数据编码方式，如ASCII码、BCD码、Gray码等。3定点运算学习定点数的表示方法和加减乘除运算。4浮点运算理解浮点数的表示方式和加减乘除运算。存储器系统存储器分类主存、辅存、高速缓存（Cache）存储器特性容量、速度、成本、功耗存储器结构地址空间、存储单元、存储字长CPU的组成和工作过程1运算器负责执行算术运算和逻辑运算。2控制器负责控制整个CPU的工作过程。3寄存器组用于存储指令、数据和中间运算结果。4指令周期取指、译码、执行、写回四个阶段，重复执行以完成指令。指令系统指令格式指令格式定义了指令的结构和组成，包括操作码、操作数地址等。指令类型指令类型包括数据传送、算术运算、逻辑运算、程序控制等。寻址方式寻址方式决定了CPU如何获取操作数，包括立即寻址、直接寻址、间接寻址等。指令执行机制1指令译码将指令转换为机器可理解的格式2操作数获取从存储器或寄存器中获取操作数3执行操作执行指令指定的运算或操作4结果存储将运算结果写入存储器或寄存器中断系统中断信号硬件或软件事件触发中断请求，中断控制器接收并处理请求。中断处理CPU响应中断，保存当前状态，跳转到中断服务程序。中断类型包括硬件中断、软件中断和异常，分别由不同的事件触发。总线概念和接口标准定义总线是连接计算机系统中各个部件之间的数据通路，负责在不同部件之间传递数据、控制信号和地址信息。分类总线可分为系统总线、外部总线和内部总线，根据传输信息的类型又可分为数据总线、地址总线和控制总线。标准常见的总线标准包括PCI、ISA、AGP、USB、SATA等，每个标准都定义了总线的传输方式、数据宽度、时钟频率等技术参数。工作模式和运算方式1实地址模式实地址模式是CPU的基本工作模式，它使用20位地址线，直接访问1MB的物理内存。2保护模式保护模式是一种更高级的工作模式，它引入了内存保护机制，允许多个程序同时运行。3运算方式微机系统支持多种运算方式，包括算术运算、逻辑运算、移位运算和字符串操作等。外围设备接口和控制USB接口通用串行总线(UniversalSerialBus)是一种串行总线标准，用于连接外围设备，例如键盘、鼠标、打印机等。网络接口网络接口卡(NetworkInterfaceCard)允许计算机连接到网络，如以太网、无线网络等。视频接口视频接口用于连接显示器，例如VGA、HDMI、DVI等。微机系统软硬件接口技术中断机制中断是硬件和软件交互的重要手段。中断允许外设在需要时向CPU发出信号，打断CPU的正常运行，从而及时处理外设请求。DMA传输DMA传输允许外设直接访问主存，无需CPU介入，提高了数据传输效率。DMA控制器负责数据传输的控制，减轻了CPU的负担。I/O端口I/O端口是CPU与外设之间进行数据交换的桥梁。CPU可以通过I/O端口控制外设，并接收外设传来的数据。设备驱动程序设备驱动程序是连接硬件和软件的桥梁。它负责管理外设的运行，并为应用程序提供统一的接口。微机系统性能评价指标描述速度执行指令的速度，通常用每秒执行的指令数（MIPS）或每秒执行的浮点运算数（MFLOPS）来衡量。吞吐量单位时间内系统处理的数据量，通常用每秒传输的数据量（Mbps）来衡量。响应时间系统对请求做出响应的时间，通常用毫秒（ms）或微秒（μs）来衡量。可靠性系统正常工作的时间比例，通常用平均无故障时间（MTBF）来衡量。可扩展性系统在不影响性能的情况下增加硬件或软件的能力。成本系统开发、维护和使用的成本，通常用每年的成本（美元）来衡量。微机系统的主存管理内存分配管理内存分配给不同进程，防止冲突和资源浪费。内存保护保护每个进程的内存空间，防止一个进程访问或修改另一个进程的内存。内存共享允许不同的进程共享内存区域，提高资源利用率。内存回收释放不再使用的内存空间，以便其他进程使用。进程和线程管理进程是操作系统分配资源的基本单位。线程是操作系统调度的基本单位。进程和线程管理主要包括进程创建、撤销、阻塞、唤醒、挂起、激活等操作。处理器调度和上下文切换1调度算法先来先服务、最短作业优先、时间片轮转2上下文切换保存当前进程状态，加载新进程状态3调度策略抢占式调度、非抢占式调度内存管理技术内存碎片内存分配过程中可能出现碎片，导致可用内存分散，降低系统效率。分页管理将物理内存和逻辑地址空间划分为固定大小的页面，实现地址转换和内存共享。分段管理将逻辑地址空间划分为若干大小可变的段，支持程序的模块化和内存保护。虚拟存储技术虚拟存储技术概念虚拟存储技术是一种内存管理技术，它允许程序使用比物理内存更大的地址空间。虚拟存储技术原理虚拟存储技术通过将程序分成若干个页面，并将页面存储在磁盘上，当需要使用某个页面时，将其调入内存。虚拟存储技术类型虚拟存储技术主要包括分页式虚拟存储和分段式虚拟存储。虚拟存储技术优点虚拟存储技术可以提高内存利用率，允许运行更大的程序，并且能够减少内存碎片。文件管理和设备管理1文件系统文件系统提供了一种组织和管理文件的方法，方便用户访问和操作文件。2设备驱动程序设备驱动程序负责与外围设备进行通信和控制，确保设备能够正常工作。3内存管理技术内存管理技术负责分配和回收内存资源，优化内存使用效率，避免资源浪费。输入输出技术输入设备输入设备将外部信息转换为计算机可识别的信号，例如键盘、鼠标、扫描仪等。输出设备输出设备将计算机内部信息转换为人可以理解的形式，例如显示器、打印机、音箱等。I/O接口I/O接口是连接输入输出设备和计算机的桥梁，负责数据传输和控制。嵌入式系统概述嵌入式系统是将计算机技术应用于特定应用领域的系统，其特点是专用性强、实时性高、可靠性强、体积小、成本低，广泛应用于各种电子设备中。嵌入式系统通常由硬件和软件组成，其中硬件部分包括微处理器、存储器、外围设备等，软件部分包括操作系统、应用程序等。嵌入式操作系统实时性实时性是嵌入式操作系统的主要特点之一，它能够在特定时间内完成指定的任务。资源受限嵌入式系统通常运行在内存和存储空间有限的设备上，操作系统需要优化资源使用。可定制性嵌入式系统通常需要根据具体应用场景进行定制，操作系统需提供灵活的配置选项。RTOS工作原理任务调度RTOS负责管理和调度多个任务，根据优先级、时间片等因素选择下一个执行的任务。内存管理RTOS提供内存分配和管理机制，确保不同任务之间不会发生冲突。通信机制RTOS支持任务之间的通信，例如消息队列、信号量等，使任务之间能够协作工作。时间管理RTOS提供定时器和时间管理功能，用于实现实时任务的准确执行。嵌入式系统设计方法需求分析深入了解系统功能、性能、成本、可靠性等需求，明确设计目标。系统架构设计划分模块，确定硬件和软件之间的接口，选择合适的处理器、存储器、外设等。软件设计编写嵌入式软件代码，包括驱动程序、应用程序、操作系统等。硬件设计设计电路板、选择元器件，实现硬件功能，与软件接口协同工作。测试与调试进行硬件和软件测试，发现和解决问题，确保系统功能和性能满足要求。系统集成将硬件和软件整合在一起，形成完整的系统，并进行最终测试和验证。嵌入式系统优化技术优化性能:提高速度、降低能耗。优化内存:减少内存占用，提高效率。优化安全性:增强系统防御能力，防范攻击。嵌入式系统安全性数据保护确保敏感数据的机密性、完整性和可用性。网络安全保护嵌入式系统免受网络攻击，例如恶意软件、拒绝服务攻击和数据窃取。物理安全防止对硬件的未经授权的访问，例如设备丢失、损坏或篡改。嵌入式系统实例分析我们将分析一些现实世界的嵌入式系统例子，例如智能手机、无人机、物联网设备等，以帮助你理解嵌入式系统的实际应用和设计原理。通过这些实例分析，你将更深刻地理解嵌入式系统的关键概念和设计原则，并能够将其应用到实际的项目开发中。微机原理典型应用1嵌入式系统微机原理在嵌入式系统设计和开发中扮演着重要角色，例如智能手机、汽车电子、工业自动化等。2网络通信网络路由器、交换机、服务器等设备的硬件架构和通信协议都基于微机原理。3数据处理微机原理是数据中心、云计算、大数据等领域的关键技术基础