《微機計算原理》課件

微機計算原理歡迎來到《微機計算原理》課程，我們將一起探索計算機世界的奧秘，從基礎(chǔ)的硬件結(jié)構(gòu)到軟件編程，逐步了解計算機工作原理。by微機系統(tǒng)概述微機系統(tǒng)是一種以微處理器為核心的計算機系統(tǒng)，具有體積小、重量輕、成本低、功能強等特點。微機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如工業(yè)控制、科學(xué)研究、信息處理、辦公自動化等。微機系統(tǒng)的組成硬件微機系統(tǒng)的硬件部分包括中央處理器(CPU)、存儲器(Memory)、輸入/輸出設(shè)備(I/ODevices)以及連接它們的總線(Bus).軟件微機系統(tǒng)的軟件部分包括系統(tǒng)軟件(SystemSoftware)和應(yīng)用軟件(ApplicationSoftware),用于控制硬件并執(zhí)行用戶指令.中央處理器(CPU)運算核心CPU是計算機的核心部件，負責(zé)執(zhí)行各種指令、運算數(shù)據(jù)和控制整個計算機系統(tǒng)。邏輯運算CPU可以進行加減乘除、邏輯運算、比較運算等各種運算，是計算機進行信息處理的基石。數(shù)據(jù)處理CPU對數(shù)據(jù)進行加工和處理，并根據(jù)指令完成相應(yīng)的操作，使計算機完成特定的任務(wù)。CPU的結(jié)構(gòu)運算器負責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算?？刂茊卧撠?zé)控制整個CPU的工作，包括指令的獲取、譯碼、執(zhí)行和結(jié)果的存儲。寄存器組用于臨時存儲數(shù)據(jù)和指令，提高CPU的運行效率。CPU的工作過程1取指CPU從內(nèi)存中讀取指令。2譯碼CPU將指令翻譯成機器可以理解的代碼。3執(zhí)行CPU執(zhí)行指令，進行相應(yīng)的操作。4寫回CPU將結(jié)果寫入內(nèi)存或寄存器。寄存器和標志位寄存器CPU內(nèi)部的高速存儲單元，用于臨時存儲數(shù)據(jù)和指令。標志位反映CPU狀態(tài)和運算結(jié)果的特殊寄存器，用于控制程序執(zhí)行流程。指令系統(tǒng)1指令集CPU能識別的指令集合。2指令格式指令的組成結(jié)構(gòu)，包含操作碼和操作數(shù)。3尋址方式CPU訪問操作數(shù)的方式，如立即尋址、寄存器尋址等。指令執(zhí)行過程1取指從內(nèi)存中讀取指令2譯碼將指令轉(zhuǎn)換為CPU能理解的格式3執(zhí)行根據(jù)指令的操作碼執(zhí)行相應(yīng)的操作4寫回將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存或寄存器存儲器系統(tǒng)存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存放數(shù)據(jù)的部件，包括指令、數(shù)據(jù)和中間運算結(jié)果。存儲器是CPU直接訪問的部件，它是計算機系統(tǒng)的核心組成部分之一。存儲器的速度和容量直接影響計算機系統(tǒng)的性能和效率。存儲器的分類1主存儲器直接與CPU交換數(shù)據(jù)的存儲器，速度最快，容量最小，價格最貴。2輔助存儲器擴展主存儲器的容量，用于長期保存數(shù)據(jù)，速度慢，容量大，價格便宜。3高速緩存存儲器(Cache)介于主存儲器和CPU之間的高速存儲器，用于存儲頻繁訪問的數(shù)據(jù)，速度更快，容量更小，價格更貴。隨機存取存儲器(RAM)主要特點可讀寫，速度快，斷電后數(shù)據(jù)丟失。工作原理通過地址訪問，可隨機訪問任意單元。應(yīng)用場景用于存儲當前正在運行的程序和數(shù)據(jù)。只讀存儲器(ROM)非易失性ROM存儲器中存儲的數(shù)據(jù)即使斷電也不會丟失，信息可以永久保存。數(shù)據(jù)固定ROM存儲器中的信息無法被修改，只允許讀取。用途廣泛ROM用于存儲系統(tǒng)啟動程序、BIOS、固件等，是計算機系統(tǒng)必不可少的組成部分。輸入/輸出系統(tǒng)輸入設(shè)備鍵盤、鼠標、掃描儀等設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)換為計算機能夠理解的信號。輸出設(shè)備顯示器、打印機、音箱等設(shè)備將計算機處理后的結(jié)果轉(zhuǎn)換為人類可以感知的形式。接口電路連接輸入輸出設(shè)備與微機系統(tǒng)的橋梁，負責(zé)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和信號匹配。輸入設(shè)備鍵盤輸入字符、控制命令。鼠標移動光標、選擇對象、點擊操作。掃描儀將圖像或文字轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。麥克風(fēng)將聲音轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。輸出設(shè)備顯示器將計算機處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為人眼可識別的圖像或文字，是用戶獲取信息的主要途徑。打印機將計算機處理后的數(shù)據(jù)以紙質(zhì)形式輸出，用于保存和打印文檔、圖片等。音箱將計算機處理后的聲音信號轉(zhuǎn)換為可聽的聲音，用于播放音樂、視頻等。接口電路橋接接口電路橋接微機系統(tǒng)和外部設(shè)備之間的差異，實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、信號電平匹配和控制方式協(xié)調(diào)?？刂平涌陔娐方邮諄碜訡PU的控制信號，并控制外部設(shè)備的運行，例如啟動、停止、讀寫等。數(shù)據(jù)傳輸接口電路完成CPU和外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)緩存和數(shù)據(jù)校驗等。中斷機制中斷請求當一個外設(shè)需要CPU的服務(wù)時，它會發(fā)送一個中斷請求信號。中斷響應(yīng)CPU接收到中斷請求信號后，會暫停當前執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。中斷處理中斷處理程序會根據(jù)中斷類型，對相應(yīng)的事件進行處理。中斷返回中斷處理完成后，CPU會返回到被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。中斷處理過程1中斷請求當CPU遇到中斷事件時，會發(fā)出中斷請求。2中斷處理CPU暫停當前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。3中斷返回中斷處理完成后，CPU返回到中斷前的程序繼續(xù)執(zhí)行。直接存儲器存取(DMA)1高效數(shù)據(jù)傳輸無需CPU干預(yù)2高速數(shù)據(jù)傳輸提高系統(tǒng)效率3DMA控制器管理數(shù)據(jù)傳輸微機系統(tǒng)的總線結(jié)構(gòu)1數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，包括指令、數(shù)據(jù)和地址。2地址總線用于指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂?，決定了CPU訪問內(nèi)存和外設(shè)的范圍。3控制總線用于控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r序和方向，協(xié)調(diào)各個部件之間的工作。總線的分類地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?，例如訪問內(nèi)存或外設(shè)的地址。數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)信息，例如CPU和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸?？刂瓶偩€用于傳輸控制信號，例如時鐘信號、讀寫信號、中斷信號等?？偩€接口電路緩沖器總線接口電路中，緩沖器用于隔離信號源和接收器，提高信號傳輸能力。譯碼器譯碼器用于將總線地址信號轉(zhuǎn)換成芯片選擇信號，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸_的芯片。驅(qū)動器驅(qū)動器增強總線信號，確保信號在長距離傳輸中保持完整性。微機系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件是管理和控制計算機硬件資源的軟件，為用戶提供基本的操作環(huán)境。應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是指用戶為了完成特定任務(wù)而開發(fā)的軟件，如文字處理、表格計算、圖形處理等。系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)管理計算機硬件和軟件資源，為用戶提供友好的界面。編程語言編程語言是用于編寫計算機程序的符號系統(tǒng)，如C語言、Java等。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于管理和維護數(shù)據(jù)，如MySQL、Oracle等。網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件提供網(wǎng)絡(luò)連接和通信服務(wù)，如瀏覽器、郵件客戶端等。應(yīng)用軟件辦公軟件文字處理、表格處理、演示文稿等。游戲軟件娛樂、益智等游戲。設(shè)計軟件圖形、圖像、視頻等設(shè)計軟件。微機系統(tǒng)的運行1啟動過程系統(tǒng)加電后，引導(dǎo)程序加載到內(nèi)存，啟動操作系統(tǒng)。2系統(tǒng)時鐘為CPU提供同步信號，控制系統(tǒng)運行速度。3處理器工作模式CPU可工作在多種模式，以應(yīng)對不同任務(wù)。啟動過程1加電自檢系統(tǒng)上電后，首先進行硬件自檢，確保硬件正常工作。2加載引導(dǎo)程序從ROM中加載引導(dǎo)程序，引導(dǎo)程序負責(zé)初始化系統(tǒng)，并加載操作系統(tǒng)。3加載操作系統(tǒng)引導(dǎo)程序加載操作系統(tǒng)到內(nèi)存，并啟動操作系統(tǒng)。4啟動應(yīng)用程序操作系統(tǒng)啟動后，可以運行用戶應(yīng)用程序。系統(tǒng)時鐘1定時器微機系統(tǒng)內(nèi)置定時器，產(chǎn)生周期性脈沖，用于控制各部件的協(xié)調(diào)工作。2頻率時鐘頻率決定了微機系統(tǒng)的運行速度，頻率越高，處理速度越快。3時鐘周期時鐘周期是時鐘脈沖的一個周期，用于計量指令執(zhí)行時間。處理器工作模式實模式兼容早期PC機，16位尋址，內(nèi)存限制為1MB。保護模式32位尋址，支持多任務(wù)，內(nèi)存可達4GB。長