微機原理第十一章

微機原理第十一章第十一章概述微機系統(tǒng)基本概念指令系統(tǒng)與尋址方式匯編語言程序設計基礎輸入輸出與中斷技術存儲器管理技術總結與展望目錄CONTENT第十一章概述微機系統(tǒng)基本概念指令系統(tǒng)與尋址方式匯編語言程序設計基礎輸入輸出與中斷技術存儲器管理技術總結與展望目錄CONTENT第十一章概述01第十一章概述01微機原理是計算機科學與技術專業(yè)的一門重要基礎課程，主要講解微型計算機的基本組成、工作原理、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設計等內容。第十一章作為該課程的重要組成部分，主要探討微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術。背景介紹微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術是計算機硬件與軟件交互的關鍵環(huán)節(jié)，對于理解計算機的工作原理、提高計算機系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要意義。因此，掌握第十一章的內容對于計算機科學與技術專業(yè)的學生來說至關重要。重要性章節(jié)背景及重要性微機原理是計算機科學與技術專業(yè)的一門重要基礎課程，主要講解微型計算機的基本組成、工作原理、指令系統(tǒng)、匯編語言程序設計等內容。第十一章作為該課程的重要組成部分，主要探討微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術。背景介紹微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術是計算機硬件與軟件交互的關鍵環(huán)節(jié)，對于理解計算機的工作原理、提高計算機系統(tǒng)的性能和可靠性具有重要意義。因此，掌握第十一章的內容對于計算機科學與技術專業(yè)的學生來說至關重要。重要性章節(jié)背景及重要性學習目標通過本章的學習，學生應該能夠掌握微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術的基本原理和實現(xiàn)方法，了解中斷控制器、DMA控制器等關鍵部件的工作原理和使用方法，能夠運用所學知識分析和解決實際的計算機硬件與軟件交互問題。學習要求學生需要認真聽講、積極思考、勤于實踐，通過課堂講解、實驗操作、課后作業(yè)等多種方式加深對本章內容的理解和掌握。同時，學生還需要具備一定的計算機硬件和軟件基礎知識，如數(shù)字電路、匯編語言等。學習目標與要求學習目標通過本章的學習，學生應該能夠掌握微型計算機的中斷系統(tǒng)和輸入輸出處理技術的基本原理和實現(xiàn)方法，了解中斷控制器、DMA控制器等關鍵部件的工作原理和使用方法，能夠運用所學知識分析和解決實際的計算機硬件與軟件交互問題。學習要求學生需要認真聽講、積極思考、勤于實踐，通過課堂講解、實驗操作、課后作業(yè)等多種方式加深對本章內容的理解和掌握。同時，學生還需要具備一定的計算機硬件和軟件基礎知識，如數(shù)字電路、匯編語言等。學習目標與要求中斷系統(tǒng)基本概念中斷的定義和分類中斷優(yōu)先級和中斷嵌套知識結構導圖中斷系統(tǒng)基本概念中斷的定義和分類中斷優(yōu)先級和中斷嵌套知識結構導圖中斷控制器8259A8259A的功能和特性8259A的工作原理和使用方法知識結構導圖中斷控制器8259A8259A的功能和特性8259A的工作原理和使用方法知識結構導圖DMA控制器8237A8237A的功能和特性8237A的工作原理和使用方法知識結構導圖DMA控制器8237A8237A的功能和特性8237A的工作原理和使用方法知識結構導圖輸入輸出處理技術程序控制輸入輸出方式中斷控制輸入輸出方式DMA控制輸入輸出方式01020304知識結構導圖輸入輸出處理技術程序控制輸入輸出方式中斷控制輸入輸出方式DMA控制輸入輸出方式01020304知識結構導圖微機系統(tǒng)基本概念02微機系統(tǒng)基本概念02包括微處理器、存儲器、輸入輸出接口和總線等部分。微機系統(tǒng)基本組成分為單處理器結構和多處理器結構，其中多處理器結構又可分為對稱多處理器和非對稱多處理器。微機系統(tǒng)結構微機系統(tǒng)組成與結構包括微處理器、存儲器、輸入輸出接口和總線等部分。微機系統(tǒng)基本組成分為單處理器結構和多處理器結構，其中多處理器結構又可分為對稱多處理器和非對稱多處理器。微機系統(tǒng)結構微機系統(tǒng)組成與結構負責指令的取指、譯碼和執(zhí)行等操作，是微處理器的核心部分?？刂破鬟\算器寄存器組負責數(shù)據(jù)的算術和邏輯運算，包括加法器、減法器、乘法器、除法器等。包括通用寄存器、專用寄存器和程序狀態(tài)字寄存器等，用于暫存數(shù)據(jù)和地址。030201微處理器內部結構負責指令的取指、譯碼和執(zhí)行等操作，是微處理器的核心部分?？刂破鬟\算器寄存器組負責數(shù)據(jù)的算術和邏輯運算，包括加法器、減法器、乘法器、除法器等。包括通用寄存器、專用寄存器和程序狀態(tài)字寄存器等，用于暫存數(shù)據(jù)和地址。030201微處理器內部結構可讀可寫，掉電后數(shù)據(jù)丟失，分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。隨機存取存儲器（RAM）只讀不寫，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，分為掩模ROM、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）和電可擦除可編程ROM（EEPROM）。只讀存儲器（ROM）位于CPU和主存之間，用于提高CPU訪問主存的速度。高速緩沖存儲器（Cache）將內存和外存結合起來，為用戶提供一個比實際內存空間大得多的虛擬內存空間。虛擬存儲器存儲器類型及特點可讀可寫，掉電后數(shù)據(jù)丟失，分為靜態(tài)RAM（SRAM）和動態(tài)RAM（DRAM）。隨機存取存儲器（RAM）只讀不寫，掉電后數(shù)據(jù)不丟失，分為掩模ROM、可編程ROM（PROM）、可擦除可編程ROM（EPROM）和電可擦除可編程ROM（EEPROM）。只讀存儲器（ROM）位于CPU和主存之間，用于提高CPU訪問主存的速度。高速緩沖存儲器（Cache）將內存和外存結合起來，為用戶提供一個比實際內存空間大得多的虛擬內存空間。虛擬存儲器存儲器類型及特點指令系統(tǒng)與尋址方式03指令系統(tǒng)與尋址方式03指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明操作性質，操作數(shù)表示操作對象。根據(jù)指令功能可分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術運算指令、邏輯運算指令、程序控制指令等。指令格式及分類指令分類指令格式指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明操作性質，操作數(shù)表示操作對象。根據(jù)指令功能可分為數(shù)據(jù)傳送指令、算術運算指令、邏輯運算指令、程序控制指令等。指令格式及分類指令分類指令格式直接尋址指令中直接給出操作數(shù)所在內存單元的有效地址，即操作數(shù)的有效地址EA由指令直接給出。立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中，緊跟在操作碼后面，作為指令一部分存放在內存的代碼段中。間接尋址操作數(shù)所在內存單元的地址通過存儲器間接給出。寄存器間接尋址操作數(shù)所在內存單元的地址通過寄存器間接給出。寄存器尋址操作數(shù)包含在寄存器中，寄存器的名稱由指令指定。尋址方式介紹直接尋址指令中直接給出操作數(shù)所在內存單元的有效地址，即操作數(shù)的有效地址EA由指令直接給出。立即尋址操作數(shù)直接包含在指令中，緊跟在操作碼后面，作為指令一部分存放在內存的代碼段中。間接尋址操作數(shù)所在內存單元的地址通過存儲器間接給出。寄存器間接尋址操作數(shù)所在內存單元的地址通過寄存器間接給出。寄存器尋址操作數(shù)包含在寄存器中，寄存器的名稱由指令指定。尋址方式介紹MOV指令ADD指令AND指令JMP指令典型指令解析數(shù)據(jù)傳送指令，用于在內存與寄存器之間、寄存器與寄存器之間、內存單元之間傳送數(shù)據(jù)。邏輯運算指令，用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的邏輯與運算，并將結果存放在指定的寄存器或內存單元中。算術運算指令，用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的加法運算，并將結果存放在指定的寄存器或內存單元中。程序控制指令，用于實現(xiàn)程序的無條件轉移，將程序的控制權轉移到指定的內存地址處。MOV指令ADD指令AND指令JMP指令典型指令解析數(shù)據(jù)傳送指令，用于在內存與寄存器之間、寄存器與寄存器之間、內存單元之間傳送數(shù)據(jù)。邏輯運算指令，用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的邏輯與運算，并將結果存放在指定的寄存器或內存單元中。算術運算指令，用于執(zhí)行兩個操作數(shù)的加法運算，并將結果存放在指定的寄存器或內存單元中。程序控制指令，用于實現(xiàn)程序的無條件轉移，將程序的控制權轉移到指定的內存地址處。匯編語言程序設計基礎04匯編語言程序設計基礎04匯編語言的特點具有機器語言的優(yōu)點，可直接控制硬件；同時克服了機器語言難讀、難寫、難記和難檢查的缺點。匯編語言與高級語言的比較匯編語言比高級語言更接近機器語言，執(zhí)行效率高，但編程復雜度高。匯編語言的定義匯編語言是一種面向機器的程序設計語言，使用助記符表示操作碼，用符號地址或標號代替地址碼。匯編語言概述匯編語言的特點具有機器語言的優(yōu)點，可直接控制硬件；同時克服了機器語言難讀、難寫、難記和難檢查的缺點。匯編語言與高級語言的比較匯編語言比高級語言更接近機器語言，執(zhí)行效率高，但編程復雜度高。匯編語言的定義匯編語言是一種面向機器的程序設計語言，使用助記符表示操作碼，用符號地址或標號代替地址碼。匯編語言概述偽指令的概念偽指令是匯編語言中的一類特殊指令，用于指示匯編程序進行某些特定的操作，如定義數(shù)據(jù)、分配存儲空間等。宏指令的概念宏指令是一組匯編語言的集合，通過宏定義將其定義為一個宏名，在程序中通過宏調用實現(xiàn)宏指令的功能。偽指令的分類數(shù)據(jù)定義偽指令、符號定義偽指令、段定義偽指令等。宏指令的應用簡化程序、提高程序的可讀性和可維護性。偽指令與宏指令應用偽指令的概念偽指令是匯編語言中的一類特殊指令，用于指示匯編程序進行某些特定的操作，如定義數(shù)據(jù)、分配存儲空間等。宏指令的概念宏指令是一組匯編語言的集合，通過宏定義將其定義為一個宏名，在程序中通過宏調用實現(xiàn)宏指令的功能。偽指令的分類數(shù)據(jù)定義偽指令、符號定義偽指令、段定義偽指令等。宏指令的應用簡化程序、提高程序的可讀性和可維護性。偽指令與宏指令應用順序程序是指按照程序中語句的排列順序，自上而下逐條執(zhí)行的程序。順序程序的概念分析問題、確定算法、編寫程序、調試程序。順序程序設計的基本步驟順序結構、選擇結構和循環(huán)結構。順序程序設計中的基本結構合理安排語句順序、正確使用變量和標號、注意程序的邏輯性和可讀性。順序程序設計中的注意事項順序程序設計方法順序程序是指按照程序中語句的排列順序，自上而下逐條執(zhí)行的程序。順序程序的概念分析問題、確定算法、編寫程序、調試程序。順序程序設計的基本步驟順序結構、選擇結構和循環(huán)結構。順序程序設計中的基本結構合理安排語句順序、正確使用變量和標號、注意程序的邏輯性和可讀性。順序程序設計中的注意事項順序程序設計方法輸入輸出與中斷技術05輸入輸出與中斷技術05

輸入輸出設備概述輸入設備將外部信息轉換為計算機能識別的二進制代碼，以便計算機進行處理。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備將計算機處理后的結果轉換為人們能識別的形式，如文字、圖形、聲音等。常見的輸出設備有顯示器、打印機、音響等。輸入輸出接口連接計算機與外部設備的橋梁，實現(xiàn)計算機與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。接口電路通常包括數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器。

輸入輸出設備概述輸入設備將外部信息轉換為計算機能識別的二進制代碼，以便計算機進行處理。常見的輸入設備有鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備將計算機處理后的結果轉換為人們能識別的形式，如文字、圖形、聲音等。常見的輸出設備有顯示器、打印機、音響等。輸入輸出接口連接計算機與外部設備的橋梁，實現(xiàn)計算機與外部設備之間的數(shù)據(jù)傳輸。接口電路通常包括數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器。中斷概念中斷是指計算機在執(zhí)行程序過程中，由于某種原因需要暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉而執(zhí)行另一段程序（中斷服務程序），待中斷服務程序執(zhí)行完畢后，再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷類型根據(jù)中斷源的不同，中斷可分為內部中斷（軟件中斷）和外部中斷（硬件中斷）。外部中斷又可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。中斷處理過程包括中斷請求、中斷響應、中斷服務和中斷返回四個階段。在中斷請求階段，中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號；在中斷響應階段，CPU響應中斷請求并保存現(xiàn)場信息；在中斷服務階段，執(zhí)行相應的中斷服務程序；在中斷返回階段，恢復現(xiàn)場信息并返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷技術原理及應用中斷概念中斷是指計算機在執(zhí)行程序過程中，由于某種原因需要暫時停止當前程序的執(zhí)行，轉而執(zhí)行另一段程序（中斷服務程序），待中斷服務程序執(zhí)行完畢后，再返回原程序繼續(xù)執(zhí)行的過程。中斷類型根據(jù)中斷源的不同，中斷可分為內部中斷（軟件中斷）和外部中斷（硬件中斷）。外部中斷又可分為可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷。中斷處理過程包括中斷請求、中斷響應、中斷服務和中斷返回四個階段。在中斷請求階段，中斷源向CPU發(fā)出中斷請求信號；在中斷響應階段，CPU響應中斷請求并保存現(xiàn)場信息；在中斷服務階段，執(zhí)行相應的中斷服務程序；在中斷返回階段，恢復現(xiàn)場信息并返回原程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷技術原理及應用DMA概念DMA（DirectMemoryAccess）即直接內存訪問，是一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式。它允許外部設備和內存之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要經(jīng)過CPU的干預，從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省MA傳輸過程在DMA傳輸過程中，外部設備通過DMA控制器向內存發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求。DMA控制器接收到請求后，向CPU發(fā)出總線請求信號。CPU響應請求后，將總線控制權交給DMA控制器。此時，DMA控制器控制外部設備和內存之間的數(shù)據(jù)傳輸，直到數(shù)據(jù)傳輸完成后再將總線控制權交還給CPU。DMA傳輸方式優(yōu)點由于DMA傳輸方式不需要CPU的干預，因此可以大大減輕CPU的負擔，提高系統(tǒng)的整體性能。同時，DMA傳輸方式具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的傳輸延遲，適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)傳輸場合。DMA傳輸方式簡介DMA概念DMA（DirectMemoryAccess）即直接內存訪問，是一種高速的數(shù)據(jù)傳輸方式。它允許外部設備和內存之間直接進行數(shù)據(jù)傳輸，而不需要經(jīng)過CPU的干預，從而大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。DMA傳輸過程在DMA傳輸過程中，外部設備通過DMA控制器向內存發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求。DMA控制器接收到請求后，向CPU發(fā)出總線請求信號。CPU響應請求后，將總線控制權交給DMA控制器。此時，DMA控制器控制外部設備和內存之間的數(shù)據(jù)傳輸，直到數(shù)據(jù)傳輸完成后再將總線控制權交還給CPU。DMA傳輸方式優(yōu)點由于DMA傳輸方式不需要CPU的干預，因此可以大大減輕CPU的負擔，提高系統(tǒng)的整體性能。同時，DMA傳輸方式具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率和較低的傳輸延遲，適用于大數(shù)據(jù)量的高速數(shù)據(jù)傳輸場合。DMA傳輸方式簡介存儲器管理技術06存儲器管理技術06動態(tài)分配策略程序在運行時根據(jù)需要動態(tài)申請和釋放內存空間，操作系統(tǒng)提供相應的內存管理功能，如內存分配、回收、保護和擴充等。靜態(tài)分配策略程序在編譯或鏈接時確定內存需求，操作系統(tǒng)在程序裝入內存時一次性分配所需內存空間，程序運行期間不再改變。分段分配策略程序按邏輯功能劃分成多個段，每個段在內存中占據(jù)連續(xù)空間，但各段之間可以不相鄰。操作系統(tǒng)以段為單位進行內存分配和管理。內存分配策略動態(tài)分配策略程序在運行時根據(jù)需要動態(tài)申請和釋放內存空間，操作系統(tǒng)提供相應的內存管理功能，如內存分配、回收、保護和擴充等。靜態(tài)分配策略程序在編譯或鏈接時確定內存需求，操作系統(tǒng)在程序裝入內存時一次性分配所需內存空間，程序運行期間不再改變。分段分配策略程序按邏輯功能劃分成多個段，每個段在內存中占據(jù)連續(xù)空間，但各段之間可以不相鄰。操作系統(tǒng)以段為單位進行內存分配和管理。內存分配策略局部性原理程序在執(zhí)行時呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，即在一段時間內訪問的內存地址集中在某個局部范圍內。虛擬存儲技術利用這一原理，將當前需要執(zhí)行的程序段裝入內存，其他部分留在外存中，需要時再裝入。請求分頁/請求分段虛擬存儲技術采用請求分頁或請求分段方式實現(xiàn)內存與外存之間的信息交換。當程序訪問的頁面/段不在內存中時，產生缺頁/缺段中斷，操作系統(tǒng)將所需的頁面/段從外存調入內存。頁面置換算法當內存空間不足時，需要采用頁面置換算法將內存中暫時不用的頁面調出到外存，以騰出空間裝入新的頁面。常見的頁面置換算法有先進先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和最佳（OPT）等。虛擬存儲技術原理局部性原理程序在執(zhí)行時呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，即在一段時間內訪問的內存地址集中在某個局部范圍內。虛擬存儲技術利用這一原理，將當前需要執(zhí)行的程序段裝入內存，其他部分留在外存中，需要時再裝入。請求分頁/請求分段虛擬存儲技術采用請求分頁或請求分段方式實現(xiàn)內存與外存之間的信息交換。當程序訪問的頁面/段不在內存中時，產生缺頁/缺段中斷，操作系統(tǒng)將所需的頁面/段從外存調入內存。頁面置換算法當內存空間不足時，需要采用頁面置換算法將內存中暫時不用的頁面調出到外存，以騰出空間裝入新的頁面。常見的頁面置換算法有先進先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和最佳（OPT）等。虛擬存儲技術原理要點三Cache基本原理Cache位于CPU和主存之間，用于存放CPU近期可能用到的數(shù)據(jù)和指令。當CPU需要訪問內存時，首先查看Cache中是否有所需數(shù)據(jù)，若有則直接從Cache中讀取，提高了訪問速度；若沒有則再從主存中讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)同時寫入Cache中。要點一要點二Cache映射方式Cache與主存之間的映射方式有直接映射、全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射三種。直接映射方式下每個主存塊只能映射到Cache中的固定位置；全相聯(lián)映射方式下主存塊可以映射到Cache中的任意位置；組相聯(lián)映射方式是前兩者的折中方案。Cache替換算法當Cache空間不足時，需要采用替換算法將Cache中的某些數(shù)據(jù)塊替換出去。常見的替換算法有先進先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和不經(jīng)常使用（NFU）等。要點三高速緩存Cache技術要點三Cache基本原理Cache位于CPU和主存之間，用于存放CPU近期可能用到的數(shù)據(jù)和指令。當CPU需要訪問內存時，首先查看Cache中是否有所需數(shù)據(jù)，若有則直接從Cache中讀取，提高了訪問速度；若沒有則再從主存中讀取，并將讀取的數(shù)據(jù)同時寫入Cache中。要點一要點二Cache映射方式Cache與主存之間的映射方式有直接映射、全相聯(lián)映射和組相聯(lián)映射三種。直接映射方式下每個主存塊只能映射到Cache中的固定位置；全相聯(lián)映射方式下主存塊可以映射到Cache中的任意位置；組相聯(lián)映射方式是前兩者的折中方案。Cache替換算法當Cache空間不足時，需要采用替換算法將Cache中的某些數(shù)據(jù)塊替換出去。常見的替換算法有先進先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）和不經(jīng)常使用（NFU）等。要點三高速緩存Cache技術總結與展望07總結與展望07章節(jié)內容回顧與總結存儲器系統(tǒng)與I/O接口介紹了存儲器的層次結構、I/O接口的工作原理及數(shù)據(jù)傳輸方式。微處理器結構與原理詳細闡述了微處理器的內部結構、工作原理及指令系統(tǒng)。微機系統(tǒng)概述介紹了微機系統(tǒng)的基本組成、工作原理及主要性能指標?？偩€與通信講解了總線的基本概念、分類及通信協(xié)議，以及常用總