《微機原理與應(yīng)用》課件：探索微機科技的奧秘

《微機原理與應(yīng)用》：探索微機科技的奧秘歡迎來到《微機原理與應(yīng)用》的探索之旅！本課程將帶您深入了解微型計算機的科技奧秘。從微機的基本概念到高級應(yīng)用，我們將一起揭開微機世界的神秘面紗。準(zhǔn)備好了嗎？讓我們一起啟航，探索微機科技的無限可能！課程簡介：微機原理的重要性理解計算機基礎(chǔ)微機原理是計算機科學(xué)的基礎(chǔ)，理解微機原理有助于我們更好地理解計算機的工作方式。通過學(xué)習(xí)微機原理，我們可以深入了解計算機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運行機制，為學(xué)習(xí)更高級的計算機知識打下堅實的基礎(chǔ)。掌握編程技能學(xué)習(xí)微機原理可以幫助我們更好地掌握編程技能。通過了解微機的指令系統(tǒng)和尋址方式，我們可以編寫更高效、更優(yōu)化的程序。這對于從事軟件開發(fā)、系統(tǒng)編程等工作的人員來說至關(guān)重要。解決實際問題微機原理的應(yīng)用非常廣泛，學(xué)習(xí)微機原理可以幫助我們解決實際問題。例如，在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，微機原理都發(fā)揮著重要的作用。掌握微機原理，可以讓我們更好地應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。課程目標(biāo)：掌握微機核心概念1理解微機基本組成掌握CPU、存儲器、輸入/輸出系統(tǒng)等微機的基本組成部分及其功能。理解它們之間的相互作用關(guān)系，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2掌握指令系統(tǒng)與尋址方式學(xué)習(xí)匯編語言，掌握指令系統(tǒng)和尋址方式，能夠編寫簡單的匯編程序。這有助于我們深入了解計算機的底層運行機制。3了解中斷與DMA理解中斷和DMA的概念，掌握中斷處理過程和DMA的工作原理。這對于理解計算機的并發(fā)處理和高速數(shù)據(jù)傳輸至關(guān)重要。章節(jié)概覽：課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)微機基礎(chǔ)知識介紹微機的發(fā)展歷史、體系結(jié)構(gòu)、數(shù)制與編碼等基礎(chǔ)知識，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。CPU與存儲器深入講解CPU的組成、存儲器的層次結(jié)構(gòu)等核心概念，理解計算機的運行原理。輸入/輸出系統(tǒng)介紹I/O接口、總線結(jié)構(gòu)、中斷系統(tǒng)等，了解計算機與外部設(shè)備之間的交互方式。匯編語言程序設(shè)計學(xué)習(xí)匯編語言的基本語法，能夠編寫簡單的匯編程序，深入了解計算機的底層運行機制。微機發(fā)展簡史：從ENIAC到現(xiàn)代處理器1ENIAC1946年，世界上第一臺電子計算機ENIAC誕生，標(biāo)志著計算機時代的開始。ENIAC體積龐大，功耗巨大，但其強大的計算能力令人矚目。2晶體管計算機20世紀(jì)50年代，晶體管取代了電子管，計算機的體積和功耗大大降低，可靠性得到提高。晶體管計算機的出現(xiàn)，為計算機的普及奠定了基礎(chǔ)。3集成電路計算機20世紀(jì)60年代，集成電路的出現(xiàn)使計算機的體積更小、速度更快、成本更低。集成電路計算機的出現(xiàn)，推動了計算機技術(shù)的快速發(fā)展。4微處理器1971年，Intel公司推出了世界上第一款微處理器4004，標(biāo)志著微型計算機時代的到來。微處理器的出現(xiàn)，使計算機的應(yīng)用范圍更加廣泛。馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)：核心概念解析存儲程序?qū)⒊绦蚝蛿?shù)據(jù)存儲在同一存儲器中，計算機可以自動執(zhí)行程序。1二進制計算機內(nèi)部采用二進制表示數(shù)據(jù)和指令，簡化了硬件設(shè)計。2五大部件運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，各司其職，協(xié)同工作。3CPU組成：運算器、控制器、寄存器運算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算，是CPU的核心部件之一?？刂破髫?fù)責(zé)指令的讀取、譯碼和執(zhí)行，控制CPU的運行。寄存器用于存儲數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的運行速度。存儲器層次結(jié)構(gòu)：高速緩存、主存、外存1外存2主存3高速緩存高速緩存（Cache）速度最快，容量最小，用于存儲CPU經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。主存（MainMemory）速度較快，容量較大，用于存儲程序和數(shù)據(jù)。外存（SecondaryMemory）速度最慢，容量最大，用于長期存儲數(shù)據(jù)。輸入/輸出系統(tǒng)：I/O接口與設(shè)備鍵盤用于輸入字符和指令。鼠標(biāo)用于控制屏幕上的光標(biāo)。打印機用于打印文檔和圖片?？偩€結(jié)構(gòu)：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?，確定CPU訪問的存儲器單元或I/O端口。數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)CPU與存儲器或I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換?？刂瓶偩€用于傳輸控制信號，控制CPU、存儲器和I/O設(shè)備之間的協(xié)調(diào)工作。數(shù)制與編碼：二進制、十進制、十六進制數(shù)制基數(shù)數(shù)碼權(quán)二進制20,12^n十進制100,1,2,3,4,5,6,7,8,910^n十六進制160,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F16^n補碼、反碼與移碼：有符號數(shù)表示1原碼最高位表示符號位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。2反碼正數(shù)的反碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是其原碼除符號位外按位取反。3補碼正數(shù)的補碼與原碼相同，負(fù)數(shù)的補碼是其反碼加1。邏輯代數(shù)基礎(chǔ)：邏輯運算、邏輯表達式與運算只有當(dāng)所有輸入都為真時，輸出才為真?；蜻\算只要有一個輸入為真，輸出就為真。非運算輸入為真時，輸出為假；輸入為假時，輸出為真。邏輯門電路：與門、或門、非門與門實現(xiàn)與運算的電路。或門實現(xiàn)或運算的電路。非門實現(xiàn)非運算的電路。組合邏輯電路：加法器、編碼器、譯碼器1加法器實現(xiàn)加法運算的電路。2編碼器將輸入信號轉(zhuǎn)換為二進制代碼的電路。3譯碼器將二進制代碼轉(zhuǎn)換為輸出信號的電路。時序邏輯電路：觸發(fā)器、計數(shù)器、寄存器觸發(fā)器具有記憶功能的電路，可以存儲一位二進制數(shù)據(jù)。1計數(shù)器用于對脈沖進行計數(shù)的電路。2寄存器用于存儲數(shù)據(jù)的電路，由多個觸發(fā)器組成。3Intel8086/8088微處理器：經(jīng)典架構(gòu)回顧Intel8086/8088微處理器是20世紀(jì)80年代最流行的微處理器之一。它們采用了經(jīng)典的CISC架構(gòu)，具有強大的指令系統(tǒng)和靈活的尋址方式。8086/8088的出現(xiàn)，推動了個人計算機的普及。8086/8088引腳信號：重要引腳功能引腳名稱功能AD0-AD15地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線A16-A19/S3-S6地址/狀態(tài)復(fù)用總線RD讀信號WR寫信號寄存器組：通用寄存器、段寄存器、指令指針1指令指針2段寄存器3通用寄存器通用寄存器用于存儲數(shù)據(jù)和地址。段寄存器用于存儲段地址，實現(xiàn)分段存儲管理。指令指針用于存儲下一條要執(zhí)行的指令的地址。尋址方式：立即尋址、寄存器尋址、存儲器尋址立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中。寄存器尋址操作數(shù)存儲在寄存器中。存儲器尋址操作數(shù)存儲在存儲器中，指令中包含操作數(shù)的地址。指令系統(tǒng)：數(shù)據(jù)傳送指令MOV傳送指令，將數(shù)據(jù)從一個位置傳送到另一個位置。PUSH入棧指令，將數(shù)據(jù)壓入堆棧。POP出棧指令，將數(shù)據(jù)從堆棧彈出。指令系統(tǒng)：算術(shù)運算指令A(yù)DD加法指令，將兩個操作數(shù)相加。SUB減法指令，將兩個操作數(shù)相減。MUL乘法指令，將兩個操作數(shù)相乘。DIV除法指令，將兩個操作數(shù)相除。指令系統(tǒng)：邏輯運算指令1AND與運算指令，將兩個操作數(shù)進行與運算。2OR或運算指令，將兩個操作數(shù)進行或運算。3NOT非運算指令，將操作數(shù)進行非運算。指令系統(tǒng)：控制轉(zhuǎn)移指令JMP無條件跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到指定地址。JE/JZ相等/為零則跳轉(zhuǎn)指令，如果結(jié)果相等或為零，則跳轉(zhuǎn)到指定地址。JNE/JNZ不相等/不為零則跳轉(zhuǎn)指令，如果結(jié)果不相等或不為零，則跳轉(zhuǎn)到指定地址。匯編語言程序設(shè)計：基本語法匯編語言是一種面向機器的低級語言，它使用助記符來表示機器指令。匯編語言程序設(shè)計需要了解微機的指令系統(tǒng)和尋址方式。匯編語言程序通常由數(shù)據(jù)定義、代碼段和堆棧段組成。偽指令：數(shù)據(jù)定義、段定義DB定義字節(jié)數(shù)據(jù)。1DW定義字?jǐn)?shù)據(jù)。2DD定義雙字?jǐn)?shù)據(jù)。3匯編語言程序設(shè)計：簡單程序示例;計算1+2的值MOVAX,1ADDAX,2;將結(jié)果存儲到變量RESULT中MOVRESULT,AXDATASEGMENTRESULTDW?DATAENDS存儲器管理：分段存儲管理邏輯地址由段地址和段內(nèi)偏移地址組成。物理地址實際的存儲器地址，通過地址變換得到。地址變換將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程。中斷系統(tǒng)：中斷概念與分類1中斷CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷服務(wù)程序。2硬件中斷由外部設(shè)備發(fā)出的中斷請求。3軟件中斷由程序指令觸發(fā)的中斷請求。中斷處理過程：中斷向量表、中斷服務(wù)程序中斷請求外部設(shè)備或程序發(fā)出中斷請求。中斷響應(yīng)CPU響應(yīng)中斷請求，暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行。中斷向量表查找中斷向量表，獲取中斷服務(wù)程序的入口地址。中斷服務(wù)程序執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理中斷事件。中斷優(yōu)先級：中斷嵌套當(dāng)多個中斷請求同時發(fā)生時，CPU根據(jù)中斷優(yōu)先級來決定先處理哪個中斷。優(yōu)先級高的中斷可以中斷優(yōu)先級低的中斷，形成中斷嵌套。DMA：直接存儲器訪問DMA允許外部設(shè)備直接訪問存儲器，無需CPU的干預(yù)，提高數(shù)據(jù)傳輸速度。DMA控制器負(fù)責(zé)控制DMA傳輸?shù)倪^程。數(shù)據(jù)傳輸外部設(shè)備通過DMA控制器直接將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酱鎯ζ骰驈拇鎯ζ髯x取數(shù)據(jù)。并行接口：8255A可編程并行接口端口功能PAA端口PBB端口PCC端口串行接口：UART通用異步收發(fā)器TXD發(fā)送數(shù)據(jù)線。RXD接收數(shù)據(jù)線。GND地線。A/D轉(zhuǎn)換器：模數(shù)轉(zhuǎn)換原理1采樣將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的采樣值。2量化將采樣值轉(zhuǎn)換為有限個離散的量化值。3編碼將量化值轉(zhuǎn)換為二進制代碼。D/A轉(zhuǎn)換器：數(shù)模轉(zhuǎn)換原理數(shù)字輸入接收二進制代碼。轉(zhuǎn)換將二進制代碼轉(zhuǎn)換為模擬信號。模擬輸出輸出模擬信號。微機系統(tǒng)擴展：存儲器擴展當(dāng)微機的存儲器容量不足時，可以通過存儲器擴展來增加存儲器容量。存儲器擴展可以通過增加存儲器芯片或使用更大的存儲器芯片來實現(xiàn)。微機系統(tǒng)擴展：I/O接口擴展地址譯碼通過地址譯碼來選擇不同的I/O接口。數(shù)據(jù)傳輸CPU通過數(shù)據(jù)總線與I/O接口進行數(shù)據(jù)傳輸?？刂菩盘朇PU通過控制總線控制I/O接口的工作。微型計算機的典型應(yīng)用：工業(yè)控制應(yīng)用描述自動化生產(chǎn)線使用微機控制生產(chǎn)線的各個環(huán)節(jié)，提高生產(chǎn)效率。機器人控制使用微機控制機器人的運動和操作，實現(xiàn)自動化作業(yè)。過程控制使用微機控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)，保證產(chǎn)品質(zhì)量。微型計算機的典型應(yīng)用：智能家居智能溫控使用微機控制溫度，實現(xiàn)節(jié)能舒適的家居環(huán)境。智能照明使用微機控制燈光，實現(xiàn)個性化的照明效果。智能安防使用微機監(jiān)控家居安全，防止非法入侵。微型計算機的典型應(yīng)用：醫(yī)療設(shè)備1監(jiān)護儀使用微機監(jiān)測患者的生理參數(shù)，如心率、血壓等。2診斷設(shè)備使用微機進行圖像處理和數(shù)據(jù)分析，輔助醫(yī)生進行診斷。3治療設(shè)備使用微機控制治療過程，如放療、化療等。ARM體系結(jié)構(gòu)：嵌入式系統(tǒng)主流RISC精簡指令集計算機。低功耗適合移動設(shè)備和嵌入式系統(tǒng)。高性能能夠滿足各種應(yīng)用的需求。ARM處理器特點：低功耗、高性能節(jié)能采用低功耗設(shè)計，延長電池續(xù)航時間。1高效采用高性能架構(gòu)，提高運算速度。2穩(wěn)定具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。3ARM指令集：Thumb指令集16位指令縮短指令長度，減少代碼空間?；旌暇幊炭梢耘c32位ARM指令混合使用。提高代碼密度在代碼空間有限的情況下，提高代碼的執(zhí)行效率。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：開發(fā)流程階段描述需求分析明確系統(tǒng)功能和性能指標(biāo)。系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)和硬件電路。軟件開發(fā)編寫和調(diào)試嵌入式軟件。系統(tǒng)測試對系統(tǒng)進行全面的測試和驗證。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：調(diào)試工具JTAG用于調(diào)試硬件電路和下載程序。串口用于輸出調(diào)試信息和接收用戶輸入。邏輯分析儀用于分析數(shù)字電路的信號。嵌入式操作系統(tǒng)：RTOS實時操作系統(tǒng)1實時性能夠及時響應(yīng)外部事件。2可靠性具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。3可裁剪性可以根據(jù)應(yīng)用需求進行裁剪。單片機：8051單片機簡介集成度高將CPU、存儲器和I/O接口集成在一個芯片上。結(jié)構(gòu)簡單易于學(xué)習(xí)和使用。應(yīng)用廣泛適用于各種控制應(yīng)用。單片機應(yīng)用：LED顯示控制端口配置將單片機的端口配置為輸出模式。1數(shù)據(jù)傳輸將要顯示的數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉丝凇?顯示控制控制LED的亮滅，實現(xiàn)顯示效果。3單片機應(yīng)用：電機控制PWM使用PWM信號控制電機的轉(zhuǎn)速。方向控制控制電機的正反轉(zhuǎn)方向。保護提供過流保護和過壓保護。微機新技術(shù)：多核處理器優(yōu)勢描述并行處理多個核心可以同時執(zhí)行不同的任務(wù)，提高處理速度。負(fù)載均衡可以將任務(wù)分配到不同的核心，實現(xiàn)負(fù)載均衡。節(jié)能可以根據(jù)負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整核心的頻率，降低功耗。微機新技術(shù)：GPU加速計算并行計算GPU具有大量的計算單元，適合并行計算。圖像處理GPU在圖像處理領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢。機器學(xué)習(xí)GPU可以加速機器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練。微機新技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用1傳感器采集各種數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光照等。2網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_。3云平臺對數(shù)據(jù)進行處理和分析，提供各種服務(wù)。微機安全：病毒與防護病毒能夠自我復(fù)制和傳播的惡意程序。木馬