《微型计算机系统》课件

《微型计算机系统》本课程将深入探讨微型计算机系统的核心组成部分，包括中央处理器、内存、输入输出设备等。我们将学习如何分析和理解微型计算机系统的结构、功能和工作原理。课程简介课程目标掌握微型计算机系统的基本原理，理解微处理器、存储器、输入/输出等关键组件的工作机制。课程内容涵盖微型计算机系统结构、微处理器、存储系统、输入/输出系统、操作系统基础知识、单片机与嵌入式系统等内容。学习方式课堂讲授实验操作课后练习微型计算机系统概述中央处理器(CPU)微型计算机系统的核心，负责执行指令，控制数据流，处理信息。内存(RAM)用于存储正在执行的程序和数据，访问速度快。存储器(存储设备)用于永久存储数据和程序，例如硬盘，光盘。输入/输出设备键盘、鼠标等输入设备，显示器、打印机等输出设备。微处理器的基本结构1运算器执行算术运算和逻辑运算，负责数据的处理和运算。2控制器控制整个微处理器的操作，负责控制程序执行，数据传输等。3寄存器组临时存储数据和指令，提高微处理器运算速度。4内部总线连接运算器，控制器和寄存器组，实现数据和指令的传输。微处理器的指令系统指令格式指令格式定义了指令的结构，包括操作码、操作数和地址码等。每个指令都有唯一的操作码，用于识别指令类型。指令类型指令类型分为数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、控制转移指令、输入输出指令等，它们共同完成各种操作任务。寻址方式寻址方式用于确定指令要操作的数据的位置，常见的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。指令周期指令周期是指微处理器执行一条指令所需的全部时间，它通常由取指令、译码、执行和写回等步骤组成。微处理器的存储系统内存内存是微处理器直接访问的存储器，速度快，容量相对较小，存储的信息会随着断电而丢失。硬盘硬盘是用于存储大量数据和程序的非易失性存储器，存储速度比内存慢，但容量大。缓存缓存是一种高速的存储器，用于存放经常被访问的数据，以提高数据访问速度。存储控制器存储控制器负责管理和控制存储器系统的操作，包括数据读写、地址映射等。微处理器的输入/输出系统1输入设备键盘、鼠标、扫描仪等设备将外部信息传递给计算机，为系统提供数据和指令。2输出设备显示器、打印机、音响等设备将计算机处理的结果展示给用户，实现信息输出。3接口电路连接计算机和输入/输出设备，负责数据格式转换和信号匹配。4I/O控制方式程序控制方式、中断控制方式、DMA控制方式等方式，提高了I/O操作效率。微处理器的中断系统中断类型可分为硬件中断和软件中断，硬件中断由外部设备触发，软件中断由指令触发。中断优先级中断优先级用于解决多个中断源同时请求处理时的冲突问题。中断向量表存储每个中断源对应的中断处理程序地址。微处理器的总线系统数据总线用于传输数据，例如指令、数据和地址。地址总线用于指定内存地址或外设地址。控制总线用于传输控制信号，例如读写信号、时钟信号和中断信号。微处理器的定时系统定时器概述定时器是微处理器系统的重要组成部分。它可以产生周期性的时钟信号，用于控制系统的时间和频率。定时器类型常见的定时器类型包括可编程间隔定时器(PIT)、实时时钟(RTC)和系统定时器。定时器功能定时器可以用于实现延迟、计时、中断和系统时间管理等功能。微处理器的DMA系统DMA简介直接内存访问(DMA)是允许外设直接访问主内存，而无需CPU干预的一种技术。DMA控制器可以从外设接收数据，并将数据直接写入主内存，或者从主内存读取数据，并将数据直接传输到外设，提高了数据传输效率。DMA工作原理DMA控制器通过DMA通道与外设和主内存进行通信。DMA控制器首先接收来自CPU的DMA请求，然后根据请求设置DMA传输参数，包括源地址、目标地址、传输大小等。之后，DMA控制器便开始执行数据传输，无需CPU的参与。数据传输完成后，DMA控制器会向CPU发送中断信号，告知DMA传输已完成。操作系统基础知识操作系统是计算机系统中最重要的软件之一，它管理着硬件资源，为用户提供一个方便的运行环境。操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、存储器、输入/输出设备等。操作系统的基本功能管理计算机资源操作系统负责管理计算机的硬件资源，包括处理器、内存、存储器和外设。操作系统提供接口供用户访问和使用这些资源，并确保它们得到高效利用。提供用户界面操作系统提供用户界面，方便用户与计算机交互，执行各种操作和管理系统。用户界面可以是图形化的，也可以是命令行界面，取决于操作系统的类型和目标用户。进程管理进程的概念进程是一个正在运行的程序的实例，是操作系统分配资源和进行调度执行的基本单位。每个进程都有自己的地址空间、数据和控制信息。进程状态进程在生命周期中会处于不同的状态，例如运行、就绪、阻塞等。操作系统会根据进程状态来分配资源和执行进程。进程控制进程控制是指对进程进行创建、撤销、挂起、恢复、激活等操作，以便有效地管理进程。进程同步与通信多个进程之间需要协调工作，例如共享资源、传递信息等，进程同步与通信机制可以实现这些功能。线程管理轻量级进程线程是轻量级的进程，共享同一个地址空间。并发执行允许多个线程同时运行，提高系统效率。多任务处理多个线程可以同时访问同一个资源，提高资源利用率。内存管理虚拟内存虚拟内存是一种通过将磁盘空间作为扩展内存的技术，允许计算机运行大于物理内存的程序。内存分配操作系统负责管理内存分配，将可用内存分配给不同的程序和进程。分页和分段分页和分段是两种常见的内存管理技术，分别将程序和数据分成固定大小的页面或可变大小的段。文件管理1文件存储操作系统负责管理文件存储在磁盘上的位置，确保文件安全可靠地存储。2文件访问操作系统提供用户接口，允许用户创建、删除、复制、移动文件，并控制对文件的访问权限。3文件组织操作系统管理文件结构，组织文件目录和文件系统，方便用户查找和管理文件。4数据备份操作系统提供文件备份功能，可以定期备份重要文件，防止数据丢失。设备管理磁盘管理负责磁盘的分配、回收和数据存储。打印机管理控制打印机的使用和作业分配。网络设备管理管理网络接口卡和网络协议。其他设备管理管理键盘、鼠标、显示器等其他设备。进程同步与通信临界区临界区是指多个进程可能访问的共享资源。多个进程在访问临界区时必须相互协调，以确保数据的一致性和完整性。信号量信号量是一种用于进程同步的机制。它提供了一种原子操作，可以用来控制对共享资源的访问，从而避免数据竞争。互斥锁互斥锁是一种简单的同步机制，用于保护临界区。它允许一次只有一个进程访问临界区。消息传递消息传递是一种常用的进程间通信方式。进程通过发送和接收消息来实现相互之间的通信和协作。操作系统的安全机制1访问控制操作系统控制用户对资源的访问权限。2身份验证确保用户身份的真实性，防止非法用户访问系统。3数据加密对敏感信息进行加密，防止数据被窃取或篡改。4安全审计记录所有系统活动，以便追溯安全事件。实时操作系统概述实时操作系统(RTOS)是一种特殊的操作系统，它被设计用于控制实时应用，例如工业自动化，医疗设备和航空航天系统。RTOS的主要特点是其对时间敏感的反应能力，可以确保在严格的时间限制内完成任务。实时操作系统的特点实时性及时响应外部事件，保证特定时间内完成特定任务。高可靠性确保系统可靠稳定运行，避免因故障造成系统崩溃或数据丢失。资源管理有效管理系统资源，提高资源利用率，满足实时任务需求。可预测性系统行为可预测，避免不可控因素影响系统性能和稳定性。实时操作系统的应用领域工业自动化实时操作系统广泛用于工业自动化，例如机器人控制、过程控制和工厂自动化。这些系统需要快速响应并可靠地控制物理设备，确保生产过程安全高效地运行。航空航天在航空航天领域，实时操作系统至关重要，用于控制飞行器、卫星和导弹等。它们确保飞行控制系统及时响应各种指令，保证飞行安全和稳定性。单片机和嵌入式系统概述单片机是微型计算机的一种，专门为控制和管理设备而设计。嵌入式系统是指将计算机技术应用于控制、管理和监控各种设备的系统。单片机系统结构微处理器单片机的核心，负责执行指令、控制系统工作。存储器用于存储程序和数据，包括ROM、RAM和EEPROM等。外围设备包括定时器、计数器、中断控制器、串行接口、并行接口等。总线连接微处理器、存储器和外围设备的传输通路。单片机的指令系统11.指令集单片机指令集是单片机能够执行的全部指令的集合。指令集的特性影响着程序的效率和可读性。22.指令格式指令格式定义了指令的组成部分，包括操作码和操作数。操作码指定要执行的操作，操作数提供操作所需的数据或地址。33.指令类型常见指令类型包括数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、跳转指令、控制指令等。44.寻址方式寻址方式是指CPU获取操作数的方式，常见的寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址和寄存器寻址。单片机的外围设备定时器/计数器单片机中的定时器/计数器可以精确计时，或计数外部事件，例如脉冲信号。它们在控制时间相关的任务中非常重要，例如，控制电机速度或产生特定频率的信号。串行通信接口串行通信接口允许单片机与其他设备进行数据交换，例如电脑或其他单片机。常见的接口包括UART和SPI。模拟数字转换器(ADC)ADC将模拟信号转换为数字信号，使单片机能够感知现实世界中的物理量，例如温度或光强度。它们在工业自动化和数据采集领域非常有用。数字模拟转换器(DAC)DAC将数字信号转换为模拟信号，使单片机能够控制模拟设备，例如电机速度或LED亮度。它们在控制和测量领域非常有用。单片机的中断系统外部中断外部中断由外部事件触发，例如按钮按下、传感器信号变化等。定时器中断定时器中断由定时器计数器溢出或定时器比较器匹配触发。串口中断串口中断由串口接收或发送完成触发，用于串行通信。键盘中断键盘中断由键盘按下触发，用于键盘输入操作。单片机的定时系统定时器概述单片机内部通常包含一个或多个定时器，可用于计时、延时、计数等功能。定时器类型常见的定时器类型包括计数器、定时器、脉冲宽度调制（PWM）定时器等。定时器工作模式定时器通常支持多种工作模式，例如定时模式、计数模式、捕获模式等。定时器应用定时器在单片机系统中应用广泛，例如控制电机转速、生成PWM