《片微型計(jì)算機(jī)原理》課件

微型計(jì)算機(jī)原理歡迎來(lái)到微型計(jì)算機(jī)原理課程。本課程將深入探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心概念和工作原理，為您打開數(shù)字世界的大門。課程簡(jiǎn)介基礎(chǔ)知識(shí)介紹計(jì)算機(jī)硬件和軟件的基本概念系統(tǒng)架構(gòu)深入了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分及其相互關(guān)系實(shí)踐應(yīng)用學(xué)習(xí)匯編語(yǔ)言編程和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)前沿技術(shù)探討微處理器的最新發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成中央處理器計(jì)算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)系統(tǒng)用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)的硬件設(shè)備輸入系統(tǒng)允許用戶向計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)和命令輸出系統(tǒng)將計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)給用戶的設(shè)備中央處理器CPU1控制單元協(xié)調(diào)和控制整個(gè)CPU的操作2算術(shù)邏輯單元執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算3寄存器組存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)和指令4緩存加速數(shù)據(jù)訪問的高速存儲(chǔ)器CPU的主要功能指令獲取從內(nèi)存中讀取指令指令解碼分析指令的操作碼和操作數(shù)指令執(zhí)行執(zhí)行解碼后的指令結(jié)果存儲(chǔ)將執(zhí)行結(jié)果存入指定位置數(shù)據(jù)表示和運(yùn)算二進(jìn)制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)使用二進(jìn)制表示所有數(shù)據(jù)。0和1是基本單位，稱為比特。數(shù)據(jù)類型整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、字符和布爾值是常見的數(shù)據(jù)類型。每種類型有特定的表示方法。運(yùn)算規(guī)則CPU執(zhí)行加、減、乘、除等基本運(yùn)算，還能進(jìn)行邏輯運(yùn)算如與、或、非。存儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)部存儲(chǔ)器包括RAM和ROM，直接與CPU交互，速度快但容量有限。外部存儲(chǔ)器如硬盤、SSD，容量大但速度較慢，用于長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。緩存存儲(chǔ)器位于CPU和主存之間，提高數(shù)據(jù)訪問速度。虛擬內(nèi)存利用硬盤空間擴(kuò)展物理內(nèi)存，增加可用內(nèi)存容量。存儲(chǔ)器的分類1易失性存儲(chǔ)器斷電后數(shù)據(jù)丟失，如RAM2非易失性存儲(chǔ)器斷電后數(shù)據(jù)保留，如ROM、閃存3隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器可以隨機(jī)讀寫任意位置的數(shù)據(jù)4順序訪問存儲(chǔ)器按特定順序訪問數(shù)據(jù)，如磁帶RAM和ROMRAM（隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器）可讀可寫易失性存儲(chǔ)用于暫時(shí)存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)ROM（只讀存儲(chǔ)器）只讀不可寫非易失性存儲(chǔ)存儲(chǔ)固件和啟動(dòng)程序輸入輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等，用于數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)備顯示器、打印機(jī)等，用于數(shù)據(jù)輸出I/O接口連接CPU和外部設(shè)備，管理數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序控制硬件設(shè)備的軟件I/O接口和設(shè)備串行接口如USB、SATA，一次傳輸一位數(shù)據(jù)并行接口如SCSI、并口，同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)無(wú)線接口如Wi-Fi、藍(lán)牙，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸總線接口如PCI、PCIe，用于連接內(nèi)部組件總線系統(tǒng)地址總線傳輸內(nèi)存或I/O設(shè)備的地址數(shù)據(jù)總線在CPU和其他組件間傳輸數(shù)據(jù)控制總線傳輸控制信號(hào)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)操作時(shí)鐘信號(hào)和控制信號(hào)時(shí)鐘信號(hào)提供系統(tǒng)的基本時(shí)序，同步各部件的工作。時(shí)鐘頻率決定了CPU的工作速度。控制信號(hào)包括讀寫信號(hào)、中斷信號(hào)等。用于協(xié)調(diào)CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備的工作。指令系統(tǒng)1復(fù)雜指令集(CISC)指令數(shù)量多，功能復(fù)雜2精簡(jiǎn)指令集(RISC)指令數(shù)量少，執(zhí)行快速3超長(zhǎng)指令字(VLIW)并行執(zhí)行多條簡(jiǎn)單指令4顯式并行指令計(jì)算(EPIC)結(jié)合RISC和VLIW特點(diǎn)指令的基本格式操作碼指定要執(zhí)行的操作，如加法、減法等源操作數(shù)指定操作的數(shù)據(jù)來(lái)源目的操作數(shù)指定操作結(jié)果的存放位置尋址方式指定如何獲取操作數(shù)，如直接尋址、間接尋址等指令周期與流水線1取指從內(nèi)存讀取指令2譯碼解析指令內(nèi)容3執(zhí)行執(zhí)行指令操作4寫回將結(jié)果寫入存儲(chǔ)器微操作與微程序控制微操作CPU內(nèi)部執(zhí)行的基本操作單元，如寄存器傳送、算術(shù)運(yùn)算等。微程序由微操作序列組成，用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器指令。存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中。微程序控制使用微程序來(lái)控制CPU的工作流程，提高靈活性和可維護(hù)性。匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)1了解指令集學(xué)習(xí)目標(biāo)處理器的指令集架構(gòu)2編寫源代碼使用匯編語(yǔ)言指令編寫程序3匯編將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼4鏈接將多個(gè)目標(biāo)文件鏈接成可執(zhí)行文件匯編指令與偽指令匯編指令對(duì)應(yīng)處理器的機(jī)器指令，如MOV、ADD、JMP等。直接轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼。偽指令由匯編器處理的指令，如DB、EQU、SEGMENT等。用于定義數(shù)據(jù)、符號(hào)和程序結(jié)構(gòu)。段寄存器和地址計(jì)算CS（代碼段）指向當(dāng)前執(zhí)行的代碼段DS（數(shù)據(jù)段）指向程序的數(shù)據(jù)段SS（堆棧段）指向當(dāng)前的堆棧段ES（附加段）用于額外的數(shù)據(jù)引用子程序和中斷處理子程序調(diào)用保存返回地址，跳轉(zhuǎn)到子程序子程序執(zhí)行執(zhí)行特定任務(wù)返回主程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，繼續(xù)主程序執(zhí)行中斷處理響應(yīng)外部事件，執(zhí)行中斷服務(wù)程序算數(shù)邏輯單元ALU算術(shù)運(yùn)算加、減、乘、除等基本運(yùn)算邏輯運(yùn)算與、或、非等邏輯操作比較運(yùn)算大小比較和相等性判斷移位運(yùn)算數(shù)據(jù)的左移和右移操作移位操作和位操作算術(shù)移位保留符號(hào)位的移位操作，用于有符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算邏輯移位不考慮符號(hào)位的移位操作，常用于無(wú)符號(hào)數(shù)處理循環(huán)移位將移出的位重新移入另一端，用于加密和校驗(yàn)微處理器的發(fā)展趨勢(shì)1多核技術(shù)增加處理器核心數(shù)量，提高并行處理能力23D堆疊通過垂直堆疊晶體管，提高集成度3異構(gòu)計(jì)算結(jié)合CPU、GPU等不同類型處理器4量子計(jì)算利用量子力學(xué)原理，突破傳統(tǒng)計(jì)算瓶頸微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域單片機(jī)和微控制器集成度高將CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口集成在一個(gè)芯片上功耗低適用于便攜式和嵌入式設(shè)備實(shí)時(shí)性強(qiáng)能快速響應(yīng)外部事件應(yīng)用廣泛家電、汽車電子、工業(yè)控制等領(lǐng)域嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求分析確定系統(tǒng)功能和性能要求硬件選型選擇合適的處理器和外圍設(shè)備軟件開發(fā)編寫和調(diào)試嵌入式軟件系統(tǒng)集成將硬件和軟件組合成完整系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)傳感器收集環(huán)境數(shù)據(jù)A/D轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)處理器分析數(shù)據(jù)并做出決策執(zhí)行器執(zhí)行控制命令智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)1云服務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析2網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)傳輸和通信3網(wǎng)關(guān)層數(shù)據(jù)匯聚