《現(xiàn)代微機結構》課件

《現(xiàn)代微機結構》課程簡介本課程介紹現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的基礎知識，涵蓋處理器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)和總線等核心組件。課程將深入探討這些組件的結構、功能、性能指標以及相互之間的協(xié)作機制。微機系統(tǒng)的概述11.概念微機系統(tǒng)，即微型計算機系統(tǒng)，是一種以微處理器為核心，并包含了內存、外設等部件的完整系統(tǒng)。22.發(fā)展從早期的單片機發(fā)展到現(xiàn)代的臺式機、筆記本電腦和移動設備，微機系統(tǒng)不斷發(fā)展，功能越來越強大。33.應用微機系統(tǒng)已經滲透到各個領域，例如科學研究、工業(yè)控制、信息處理、娛樂等，應用范圍十分廣泛。44.特征微機系統(tǒng)具有體積小、成本低、性能高、易于擴展和維護等特點。微機的硬件組成微機的硬件系統(tǒng)由多個部件組成，它們協(xié)同工作以實現(xiàn)計算機的功能。主要部件包括：中央處理器(CPU)、主存儲器(RAM)、輔助存儲器(硬盤、光盤等)、輸入設備(鍵盤、鼠標等)、輸出設備(顯示器、打印機等)和系統(tǒng)總線。計算機的基本結構馮·諾依曼結構計算機的核心架構，由存儲程序，存儲器，運算器，控制器，輸入設備和輸出設備組成。存儲程序程序和數(shù)據(jù)保存在同一個存儲器中，可以靈活地訪問和處理。運算器對數(shù)據(jù)進行算術運算和邏輯運算，實現(xiàn)程序的功能。控制器控制計算機各部件協(xié)同工作，指揮程序的執(zhí)行步驟。中央處理器的工作原理中央處理器(CPU)是計算機的核心，它執(zhí)行指令并處理數(shù)據(jù)。CPU由控制單元(CU)和運算器(ALU)兩部分組成。1控制單元控制指令的執(zhí)行順序。2運算器執(zhí)行算術和邏輯運算。3寄存器臨時存儲數(shù)據(jù)和指令。4指令計數(shù)器跟蹤正在執(zhí)行的指令。CPU通過讀取指令，對數(shù)據(jù)進行運算，并控制計算機的其他部件工作。存儲器的基本原理存儲單元存儲器由許多存儲單元組成，每個單元可以存儲一個字節(jié)或多個字節(jié)的數(shù)據(jù)。存儲單元的大小取決于存儲器的類型和容量。存儲地址每個存儲單元都有唯一的地址，CPU使用地址來訪問存儲器中的特定單元。地址空間是指存儲器中所有可尋址單元的范圍。讀寫操作存儲器可以進行讀操作和寫操作。讀操作從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，寫操作將數(shù)據(jù)寫入存儲器。存儲器類型根據(jù)存儲器的工作原理和應用場景，存儲器可以分為主存儲器、輔助存儲器、高速緩存等。主存儲器的分類隨機存取存儲器(RAM)可讀寫，速度快，斷電數(shù)據(jù)丟失，用于存放當前執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。只讀存儲器(ROM)只讀，速度慢，斷電數(shù)據(jù)不丟失，用于存放引導程序、系統(tǒng)程序、基本輸入輸出系統(tǒng)(BIOS)等。閃存(Flash)介于RAM和ROM之間，可讀寫，斷電數(shù)據(jù)不丟失，用于存儲固件、系統(tǒng)配置信息等。高速緩存(Cache)速度比RAM更快，容量較小，用于存儲常用的數(shù)據(jù)，提高CPU數(shù)據(jù)訪問速度。輔助存儲器的種類硬盤硬盤是計算機系統(tǒng)中最重要的輔助存儲器，存儲容量大，速度較快，價格較低。固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤使用閃存芯片作為存儲介質，速度更快，體積更小，但價格也更高。光盤光盤使用激光讀取和寫入數(shù)據(jù)，存儲容量相對較小，但價格低廉，便于攜帶。磁帶磁帶存儲密度高，容量很大，但訪問速度慢，主要用于備份和存檔。輸入/輸出系統(tǒng)概述輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)是計算機與外部世界交互的橋梁。它負責接收來自外部設備的數(shù)據(jù)，并將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到外部設備。I/O系統(tǒng)包含各種輸入設備，例如鍵盤、鼠標、掃描儀等，以及輸出設備，例如顯示器、打印機、揚聲器等。輸入設備的種類鍵盤鍵盤是輸入文字、數(shù)字和符號的主要設備，是用戶與計算機交互最常見的工具。鼠標鼠標是控制光標在屏幕上移動的工具，方便用戶選擇、移動、拖放和操作圖形界面。掃描儀掃描儀可以將圖片、文件等實體資料轉換為電子文檔，方便儲存和處理。攝像頭攝像頭可以捕捉圖像和視頻，應用于視頻會議、監(jiān)控和圖像識別等領域。輸出設備的分類顯示設備顯示設備將計算機處理后的數(shù)據(jù)以圖形、圖像或文字的形式展示給用戶。常見的有：顯示器、投影儀等。打印設備打印設備將計算機處理后的數(shù)據(jù)以紙質形式打印出來。常見的有：激光打印機、噴墨打印機等。音頻設備音頻設備用于輸出聲音信息，常見的有：揚聲器、耳機等。其他輸出設備其他輸出設備，如繪圖儀、掃描儀、多媒體設備等，根據(jù)不同的需求提供不同的輸出形式。系統(tǒng)總線的原理系統(tǒng)總線是微機系統(tǒng)中各個部件之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓餐ǖ?。系統(tǒng)總線可以分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三部分。1地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)3控制總線用于傳輸控制信號地址總線用于指定CPU要訪問的存儲器單元或I/O設備的地址；數(shù)據(jù)總線用于傳輸CPU、存儲器和I/O設備之間的數(shù)據(jù)信息；控制總線用于傳輸CPU發(fā)出的控制信號和I/O設備發(fā)出的狀態(tài)信號。時鐘信號的作用作用描述同步控制協(xié)調各個部件的工作，確保指令執(zhí)行的正確性時間基準為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的時間參考控制速度通過時鐘頻率控制系統(tǒng)運行的速度控制信號的功能指令控制控制信號用于控制CPU執(zhí)行指令的過程，例如讀寫操作、地址選擇、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取r序控制控制信號根據(jù)時鐘信號的控制，以同步的方式完成操作。數(shù)據(jù)傳輸控制信號用于控制數(shù)據(jù)在各個部件之間傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和效率。狀態(tài)控制控制信號用于指示CPU的狀態(tài)，例如中斷、異常、等待等。地址信號的作用選擇設備地址信號用于識別和選擇要訪問的內存單元或外設。定位數(shù)據(jù)地址信號是數(shù)據(jù)在內存或外設中的唯一標識，方便讀取或寫入特定位置的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)信號的傳輸數(shù)據(jù)信號在計算機系統(tǒng)中通過總線傳輸?？偩€是連接各個部件的電子通路，用于傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。數(shù)據(jù)信號通過總線上傳輸，并由相應的接收器進行接收和處理。數(shù)據(jù)信號的傳輸速度取決于總線的帶寬和傳輸協(xié)議。CPU的基本工作過程1獲取指令CPU從內存中獲取指令，存儲到指令寄存器。2指令譯碼CPU將指令譯碼，識別指令類型和操作數(shù)。3執(zhí)行指令CPU根據(jù)譯碼后的指令執(zhí)行相應的操作，如數(shù)據(jù)運算、內存訪問或I/O操作。4寫入結果CPU將執(zhí)行結果寫入內存或寄存器。指令周期的階段1取指令從內存中取出指令2譯碼對指令進行分析和解釋3執(zhí)行根據(jù)譯碼結果執(zhí)行指令4寫回將結果寫入內存或寄存器指令周期是CPU執(zhí)行一條指令的完整過程，包含四個階段：取指令、譯碼、執(zhí)行和寫回。這四個階段環(huán)環(huán)相扣，共同完成一條指令的執(zhí)行。中斷的工作原理1外部事件中斷是指計算機在運行過程中，遇到某些突發(fā)事件時，暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉而去處理這個事件。2中斷請求當發(fā)生中斷事件時，中斷源會向CPU發(fā)出中斷請求信號，通知CPU需要處理事件。3中斷響應CPU接收到中斷請求信號后，會暫停當前程序的執(zhí)行，并根據(jù)中斷類型查找相應的處理程序。4中斷處理CPU執(zhí)行中斷處理程序，完成對中斷事件的處理，完成后返回到之前被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷的分類及處理可屏蔽中斷可以通過硬件或軟件方法控制是否響應中斷，例如鍵盤按下、鼠標點擊等。不可屏蔽中斷系統(tǒng)運行過程中遇到致命錯誤，必須立即處理，例如內存錯誤、非法指令等。中斷處理流程中斷發(fā)生時，CPU保存當前運行狀態(tài)，跳轉到中斷處理程序，完成中斷處理后，恢復程序執(zhí)行。程序的執(zhí)行過程1指令獲取CPU從內存中讀取指令2指令譯碼CPU解析指令，識別操作3執(zhí)行操作CPU執(zhí)行指令，處理數(shù)據(jù)4結果存儲CPU將執(zhí)行結果寫入內存或寄存器CPU獲取指令，解碼指令，執(zhí)行指令，最后將結果存儲到指定位置，這便是程序執(zhí)行的基本流程。常見的微機指令類型數(shù)據(jù)傳送指令用于將數(shù)據(jù)從一個位置傳送到另一個位置，例如從內存?zhèn)魉偷郊拇嫫?。MOVPUSHPOP算術運算指令執(zhí)行加、減、乘、除等算術運算。ADDSUBMULDIV邏輯運算指令執(zhí)行邏輯運算，例如與、或、非、異或等。ANDORNOTXOR控制轉移指令改變程序執(zhí)行的流程，例如跳轉、循環(huán)、條件轉移等。JMPCALLRETLOOP指令的尋址方式立即尋址指令中直接包含操作數(shù)的值，操作數(shù)不需要從內存中讀取，直接參與運算，效率高。寄存器尋址操作數(shù)存儲在CPU的寄存器中，可直接訪問，速度快，常用于頻繁訪問的數(shù)據(jù)。直接尋址指令中包含操作數(shù)的地址，CPU直接根據(jù)地址訪問內存獲取操作數(shù)，適用于訪問固定地址的數(shù)據(jù)。間接尋址指令中包含指向操作數(shù)地址的地址，CPU先讀取內存得到操作數(shù)的地址，再訪問內存獲取操作數(shù)，用于靈活訪問數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的表示方式11.十進制十進制是人們日常生活中常用的計數(shù)方法，以0到9十個數(shù)字作為基數(shù)。22.二進制計算機內部使用二進制，僅用0和1兩個數(shù)字表示數(shù)據(jù)，便于邏輯運算。33.十六進制十六進制使用0到9和A到F十六個字符，方便表示二進制數(shù)據(jù)。44.ASCII碼ASCII碼使用7位二進制代碼表示字符，是計算機中最常用的字符編碼方案。數(shù)字邏輯電路基礎數(shù)字邏輯電路是計算機系統(tǒng)硬件的基礎，它負責處理和傳遞數(shù)字信號。數(shù)字邏輯電路使用二進制代碼，僅包含0和1兩種狀態(tài)，通過邏輯門來實現(xiàn)運算和控制。數(shù)字邏輯電路的基本單元包括邏輯門、觸發(fā)器和計數(shù)器等，它們可以構建復雜的邏輯電路。常見的邏輯電路基本單元與門與門是一種基本的邏輯門，輸出僅當所有輸入均為高電平時為高電平。或門或門是一種基本的邏輯門，只要有一個輸入為高電平，輸出就為高電平。非門非門是一種基本的邏輯門，將輸入信號反轉，即當輸入為高電平時，輸出為低電平，反之亦然。異或門異或門是一種基本的邏輯門，當且僅當輸入信號不同時，輸出才為高電平。微處理器的發(fā)展歷程1第一代(1940s-1950s)真空管計算機，體積龐大，功耗高，速度慢2第二代(1950s-1960s)晶體管計算機，體積減小，功耗降低，速度提高3第三代(1960s-1970s)集成電路計算機，集成度提高，體積更小，速度更快4第四代(1970s-至今)超大規(guī)模集成電路計算機，微處理器誕生，性能大幅提升未來微機結構的發(fā)展趨勢量子計算量子計算利用量子力學原理，具有更強大的計算能力，可以解決傳統(tǒng)計算機無法解決的問題。神經形態(tài)計算模仿人腦神經網(wǎng)絡的工作方式，實現(xiàn)更靈活、高效的計算，例如機器學習、圖像識別。云計算云計算提供共享的計算資源，例如服務器、存儲空間，實現(xiàn)更高效的資源利用。芯片技術芯片技術不斷發(fā)展，例如摩爾定律、新材料應用，提高了芯片的性能和集成度。本課程的主要內容與重點