《存儲程序控制原理》課件

《存儲程序控制原理》探討計算機系統(tǒng)的基本工作原理，掌握存儲程序控制的核心概念和執(zhí)行流程。從指令系統(tǒng)、存儲器、中央處理器等硬件層面全面理解程序控制的機制。課程目標掌握存儲程序控制的基本概念了解什么是存儲程序控制以及其工作原理。理解存儲程序控制的基本組成學習存儲程序控制計算機的核心部件及其功能。掌握存儲程序控制的應用場景探討存儲程序控制在各領域的廣泛應用。展望存儲程序控制的發(fā)展趨勢預測未來存儲程序控制技術的創(chuàng)新方向。什么是存儲程序控制存儲程序控制是計算機的一種工作方式,它將程序指令和數(shù)據(jù)存儲在計算機的存儲器中,通過順序執(zhí)行存儲的指令來實現(xiàn)計算機的運作。這種方式與早期的硬線編程相比,更加靈活和高效。存儲程序控制的核心是將程序指令和數(shù)據(jù)存儲在計算機的內存中,由中央處理器按照順序執(zhí)行這些指令,從而實現(xiàn)各種計算和控制功能。這種方式大大提高了計算機的靈活性和通用性。存儲程序控制的優(yōu)勢靈活性強存儲程序控制可以通過修改程序輕松實現(xiàn)功能變更和更新,適應性強。資源利用高效單一硬件可以完成不同功能,大幅提升資源利用率和系統(tǒng)性能?？煽啃愿咤e誤修復和維護更加便捷,系統(tǒng)故障率大幅降低,可靠性顯著提升。功能擴展容易通過增加或修改程序,可以方便地拓展系統(tǒng)新功能,適應不同需求。存儲程序控制的基本組成中央處理器中央處理器是存儲程序控制的核心部件,負責執(zhí)行指令和進行數(shù)據(jù)運算。它包括算術邏輯單元、控制單元和寄存器等功能模塊。存儲器存儲器用于存儲程序指令和數(shù)據(jù),包括ROM、RAM等不同類型。它們?yōu)橹醒胩幚砥魈峁┳x取和寫入數(shù)據(jù)的能力。輸入輸出設備輸入輸出設備負責與外部世界進行交互,如鍵盤、鼠標、顯示器等,為用戶提供數(shù)據(jù)輸入和結果輸出的渠道。存儲程序控制計算機的工作原理1指令拉取從內存中取出指令2指令譯碼解碼取出的指令3操作執(zhí)行按指令的要求執(zhí)行相應的操作4結果存儲將操作結果保存到內存或寄存器中在存儲程序控制計算機中,整個工作過程是通過CPU不斷地從內存中取出指令、對其進行譯碼和執(zhí)行,并將結果存回內存或寄存器來實現(xiàn)的。這個循環(huán)執(zhí)行過程就是存儲程序控制計算機的工作原理。指令定義指令是存儲程序控制計算機執(zhí)行特定操作的編碼命令。它是計算機能夠理解并執(zhí)行的基本單元。作用指令用于控制計算機硬件完成各種運算和功能,是程序執(zhí)行的基礎。特點指令采用標準格式,包含操作碼和地址碼等信息,能夠被CPU讀取和解碼執(zhí)行。分類指令類型包括數(shù)據(jù)傳輸、算術運算、邏輯運算、程序控制等多種。指令的格式操作碼指令的操作碼部分用于指明執(zhí)行何種操作，如加、減、存儲等。操作數(shù)指令的操作數(shù)部分包含執(zhí)行操作所需的數(shù)據(jù)或地址信息。長度指令長度根據(jù)不同的系統(tǒng)和架構而有所不同，通常為4到16位。指令的執(zhí)行過程取指從內存中取出當前指令。譯碼確定指令的類型和操作需求。執(zhí)行根據(jù)指令執(zhí)行相應的操作。存儲將執(zhí)行結果存儲到寄存器或內存。存儲器存儲器是計算機系統(tǒng)的核心部件之一,用于存儲程序指令和數(shù)據(jù)。它能夠快速訪問存儲的信息,為計算機提供及時的信息支持。存儲器的速度和容量直接影響著計算機的整體性能。存儲器可以根據(jù)存儲方式劃分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。RAM可以讀寫,提供臨時存儲;ROM只能讀取,儲存永久性程序和數(shù)據(jù)。兩種存儲器在計算機系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的重要作用。存儲器的基本概念內存容量存儲器的容量決定了計算機可以存儲的數(shù)據(jù)量。容量越大,計算機可以處理的信息就越多。訪問速度存儲器的訪問速度決定了計算機處理數(shù)據(jù)的效率。訪問速度越快,系統(tǒng)響應就越迅捷。模塊化設計現(xiàn)代存儲器采用模塊化設計,可根據(jù)需求靈活配置和擴展,滿足不同應用場景的需求。存儲器的分類按存取方式存儲器可分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。RAM可讀寫,ROM只讀。按物理特性存儲器還可分為半導體存儲器、磁性存儲器和光學存儲器。前者采用集成電路技術,后兩者利用磁性和光學原理。按功能存儲器可分為主存儲器和輔助存儲器。主存儲器為CPU提供數(shù)據(jù)和程序,輔助存儲器用于長期存儲。按易失性存儲器還可分為易失性存儲器和非易失性存儲器。前者斷電后數(shù)據(jù)會丟失,后者可長期保存數(shù)據(jù)。隨機存取存儲器(RAM)基本結構RAM由大量存儲單元組成,每個單元可以獨立存取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以隨機讀取和修改,不受存儲位置的影響。易失性RAM屬于易失性存儲器,斷電后數(shù)據(jù)會丟失。需要持續(xù)供電才能保持數(shù)據(jù)。讀寫能力RAM支持快速讀寫數(shù)據(jù),是CPU主要的臨時數(shù)據(jù)存儲區(qū)。適用于存儲程序運行時的中間結果。只讀存儲器(ROM)固定內容只讀存儲器(ROM)中的數(shù)據(jù)無法被用戶修改,主要用于存儲系統(tǒng)的基本程序和固定數(shù)據(jù)?？焖僭L問與其他存儲器相比,ROM具有更快的訪問速度,非常適用于需要快速讀取的程序和數(shù)據(jù)。掉電保存即使斷電,ROM中的數(shù)據(jù)也能永久保存,不會發(fā)生丟失。這使其成為理想的系統(tǒng)啟動存儲器。程序計數(shù)器1程序計數(shù)器的作用程序計數(shù)器用于存儲當前正在執(zhí)行的指令在內存中的地址。它能確保程序能夠按正確的順序執(zhí)行指令。2程序計數(shù)器的更新在執(zhí)行完一條指令后,程序計數(shù)器會自動增加,以指向下一條待執(zhí)行的指令。3程序控制的轉移當遇到跳轉指令時,程序計數(shù)器會跳轉到新的地址,改變程序的執(zhí)行流程。程序執(zhí)行過程1獲取指令從內存中讀取下一條指令。2指令譯碼確定指令的操作碼和操作數(shù)。3指令執(zhí)行執(zhí)行相應的操作并產(chǎn)生結果。4更新程序計數(shù)器更新程序計數(shù)器以指向下一條指令。程序執(zhí)行的整個過程是一個循環(huán)往復的過程。CPU不斷重復獲取指令、執(zhí)行指令、更新程序計數(shù)器的步驟,直到程序執(zhí)行完畢。這種基于指令的順序執(zhí)行模式稱為存儲程序控制技術。中央處理器中央處理器的主要功能中央處理器是計算機的核心部件,負責執(zhí)行存儲程序控制中的指令,協(xié)調和控制整個計算機系統(tǒng)的運行。其主要功能包括數(shù)據(jù)處理、程序控制和輸入輸出控制。中央處理器的主要功能算數(shù)運算中央處理器負責執(zhí)行基本的算數(shù)運算,如加、減、乘、除等。這是CPU最核心的功能之一。邏輯運算中央處理器還可以執(zhí)行邏輯運算,如與、或、非等操作,用于處理數(shù)據(jù)的邏輯關系?？刂乒δ苤醒胩幚砥髫撠熆刂普麄€計算機系統(tǒng)的運行,包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行等。存儲功能中央處理器可以臨時存儲和訪問程序及數(shù)據(jù),為計算提供所需的信息。累加器數(shù)據(jù)處理中樞累加器作為中央處理器的核心部件,負責執(zhí)行算術和邏輯運算,是數(shù)據(jù)處理的中樞。臨時數(shù)據(jù)存儲運算所需的中間結果和運算參數(shù)等數(shù)據(jù)會臨時存儲在累加器中,為后續(xù)指令執(zhí)行提供支持。性能關鍵因素累加器的工作速度和性能直接影響中央處理器的整體效率和計算機系統(tǒng)的運行速度。寄存器1數(shù)據(jù)存儲單元寄存器是存儲各種類型數(shù)據(jù)的專門電路單元,用于暫時保存指令和操作數(shù)。2高速訪問寄存器具有更高的訪問速度和更低的延遲,可以快速為CPU提供所需信息。3分類豐富不同類型的寄存器包括通用寄存器、地址寄存器、程序計數(shù)器、狀態(tài)寄存器等。4核心地位寄存器在存儲程序控制計算機中擔任關鍵角色,是CPU運轉的基礎?？刂茊卧刂乒δ芸刂茊卧撠煂τ嬎銠C系統(tǒng)的各個組件進行協(xié)調和控制,確保指令和數(shù)據(jù)能夠按預定的順序和時序被正確地傳輸、處理和執(zhí)行。指令解碼和執(zhí)行控制單元從存儲器中獲取指令,對指令進行解碼,并根據(jù)指令內容對計算機系統(tǒng)的各個部件發(fā)出相應的控制信號,以實現(xiàn)指令的執(zhí)行。時間序列控制控制單元還負責產(chǎn)生各種時序信號,同步協(xié)調計算機系統(tǒng)內部各部件的工作,確保它們能夠按預期的時間順序進行操作。算術邏輯單元功能算術邏輯單元(ALU)是計算機的核心部件之一,負責執(zhí)行算術運算和邏輯運算。它可以進行加、減、乘、除等基本算術運算,也可以執(zhí)行位操作、比較、布爾運算等邏輯操作。結構ALU由各種加法器、移位器、比較器等電路模塊組成,通過這些模塊完成各種復雜的數(shù)學和邏輯運算。它接收來自寄存器的操作數(shù),在控制單元的控制下執(zhí)行指令,并將結果送回寄存器。作用ALU是CPU的核心引擎,負責執(zhí)行基本的算術和邏輯運算。它的性能直接影響到整個計算機系統(tǒng)的運行速度和效率。因此,設計高性能的ALU是CPU設計的關鍵。輸入輸出設備輸入輸出設備是計算機系統(tǒng)的重要組成部分,負責與外界交互。輸入設備將外界信息轉換為計算機能夠識別的數(shù)字形式,如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備則將計算機處理后的信息以人類易于識別的形式展現(xiàn)出來,如顯示器、打印機等。輸入輸出設備的協(xié)調配合是實現(xiàn)人機交互的關鍵所在,確保信息的高效傳遞和處理。隨著技術的不斷發(fā)展,輸入輸出設備的種類和功能也越趨豐富多樣,為提高計算機系統(tǒng)的性能和用戶體驗奠定了堅實的基礎。輸入輸出設備的工作過程1數(shù)據(jù)輸入通過鍵盤、鼠標等設備將用戶輸入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中。數(shù)據(jù)首先被轉換為電信號,然后存儲到內存中供后續(xù)處理使用。2數(shù)據(jù)處理CPU接收輸入數(shù)據(jù),根據(jù)存儲程序中的指令執(zhí)行各種運算和邏輯操作,產(chǎn)生輸出結果。3數(shù)據(jù)輸出經(jīng)過CPU處理后的數(shù)據(jù)通過顯示器、打印機等設備輸出,呈現(xiàn)給用戶。輸出設備將電信號轉換為文字、圖像等形式。總線總線概述總線是計算機系統(tǒng)內部各個部件之間進行數(shù)據(jù)傳輸和控制信號交換的公共通道。它是整個計算機系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡,負責協(xié)調各部件間的通信和數(shù)據(jù)交換?？偩€的分類根據(jù)功能不同,總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù),控制總線傳輸控制信號?？偩€的時序總線的時序包括讀時序和寫時序,決定了數(shù)據(jù)和地址信號在總線上的傳輸時序和時間關系?？偩€仲裁機制總線仲裁機制用于協(xié)調多個部件對總線的爭用,如集中式仲裁和分布式仲裁。總線的分類1數(shù)據(jù)總線用于在CPU和存儲器或I/O設備之間傳輸數(shù)據(jù)。其寬度決定了每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。2地址總線用于指示數(shù)據(jù)在存儲器或I/O設備中的位置。其寬度決定了可尋址的存儲空間大小。3控制總線用于傳送各組件之間的控制信號,如讀寫控制、時序控制等。確保系統(tǒng)正常工作。4時鐘總線用于同步系統(tǒng)各組件的工作時序,確保它們按預定順序協(xié)調工作?？偩€的時序10ns時鐘周期總線信號以固定的時鐘周期進行傳輸和同步100MHz總線時鐘頻率高速總線典型的時鐘頻率可以達到100MHz以上2信號相位總線主要有數(shù)據(jù)相位和地址相位兩個關鍵時序5ns傳輸延遲總線信號在傳輸過程中會有5納秒左右的延遲總線的時序是指總線上各種信號的傳輸時間關系?？偩€信號以固定的時鐘周期進行同步傳輸,典型總線時鐘頻率可以達到100MHz以上?？偩€主要有數(shù)據(jù)相位和地址相位兩個關鍵時序,在傳輸過程中會有5納秒左右的延遲。總線仲裁機制優(yōu)先級仲裁根據(jù)事先確定的優(yōu)先級順序，決定哪個設備可以先獲得總線控制權。輪詢仲裁采用循環(huán)的方式依次檢查每個設備是否需要總線，從而公平地分配總線。請求/授權機制設備向總線控制器發(fā)出請求總線的信號，控制器根據(jù)一定規(guī)則進行授權。存儲程序控制的應用工業(yè)自動化存儲程序控制廣泛應用于工廠自動化,可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確控制和優(yōu)化,提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)效率。家庭智能化存儲程序控制技術讓家