中科院自動(dòng)化所考研之中科大微機(jī)原理課件-總復(fù)習(xí)篇

中科院自動(dòng)化所考研之中科大微機(jī)原理課件-總復(fù)習(xí)篇本課件旨在幫助考生全面復(fù)習(xí)微機(jī)原理課程，涵蓋基礎(chǔ)知識(shí)、重點(diǎn)內(nèi)容和常見(jiàn)考點(diǎn)。復(fù)習(xí)大綱及考試范圍考試內(nèi)容主要內(nèi)容涵蓋計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述、數(shù)據(jù)表示及運(yùn)算、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、CPU的組成和工作過(guò)程、指令系統(tǒng)、指令執(zhí)行機(jī)制、中斷系統(tǒng)、總線概念和接口標(biāo)準(zhǔn)、工作模式和運(yùn)算方式、外圍設(shè)備接口和控制、微機(jī)系統(tǒng)軟硬件接口技術(shù)、微機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、微機(jī)系統(tǒng)的主存管理、進(jìn)程和線程管理、處理器調(diào)度和上下文切換、內(nèi)存管理技術(shù)、虛擬存儲(chǔ)技術(shù)、文件管理和設(shè)備管理、輸入輸出技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)概述、嵌入式操作系統(tǒng)、RTOS工作原理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)安全性、嵌入式系統(tǒng)實(shí)例分析、微機(jī)原理典型應(yīng)用?？荚囆问介]卷考試，考試時(shí)間為120分鐘，滿分100分。參考教材《微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用》（第五版），唐朔飛等著，清華大學(xué)出版社。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述中央處理器(CPU)計(jì)算機(jī)的大腦，執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存(RAM)用于存儲(chǔ)正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。硬盤(pán)(HDD)用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序。主板連接所有組件的電路板。數(shù)據(jù)表示及運(yùn)算1進(jìn)制轉(zhuǎn)換了解二進(jìn)制、十進(jìn)制、八進(jìn)制、十六進(jìn)制之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。2數(shù)據(jù)編碼掌握各種數(shù)據(jù)編碼方式，如ASCII碼、BCD碼、Gray碼等。3定點(diǎn)運(yùn)算學(xué)習(xí)定點(diǎn)數(shù)的表示方法和加減乘除運(yùn)算。4浮點(diǎn)運(yùn)算理解浮點(diǎn)數(shù)的表示方式和加減乘除運(yùn)算。存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器分類(lèi)主存、輔存、高速緩存（Cache）存儲(chǔ)器特性容量、速度、成本、功耗存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)地址空間、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)字長(zhǎng)CPU的組成和工作過(guò)程1運(yùn)算器負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。2控制器負(fù)責(zé)控制整個(gè)CPU的工作過(guò)程。3寄存器組用于存儲(chǔ)指令、數(shù)據(jù)和中間運(yùn)算結(jié)果。4指令周期取指、譯碼、執(zhí)行、寫(xiě)回四個(gè)階段，重復(fù)執(zhí)行以完成指令。指令系統(tǒng)指令格式指令格式定義了指令的結(jié)構(gòu)和組成，包括操作碼、操作數(shù)地址等。指令類(lèi)型指令類(lèi)型包括數(shù)據(jù)傳送、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、程序控制等。尋址方式尋址方式?jīng)Q定了CPU如何獲取操作數(shù)，包括立即尋址、直接尋址、間接尋址等。指令執(zhí)行機(jī)制1指令譯碼將指令轉(zhuǎn)換為機(jī)器可理解的格式2操作數(shù)獲取從存儲(chǔ)器或寄存器中獲取操作數(shù)3執(zhí)行操作執(zhí)行指令指定的運(yùn)算或操作4結(jié)果存儲(chǔ)將運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)器或寄存器中斷系統(tǒng)中斷信號(hào)硬件或軟件事件觸發(fā)中斷請(qǐng)求，中斷控制器接收并處理請(qǐng)求。中斷處理CPU響應(yīng)中斷，保存當(dāng)前狀態(tài)，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序。中斷類(lèi)型包括硬件中斷、軟件中斷和異常，分別由不同的事件觸發(fā)。總線概念和接口標(biāo)準(zhǔn)定義總線是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)通路，負(fù)責(zé)在不同部件之間傳遞數(shù)據(jù)、控制信號(hào)和地址信息。分類(lèi)總線可分為系統(tǒng)總線、外部總線和內(nèi)部總線，根據(jù)傳輸信息的類(lèi)型又可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。標(biāo)準(zhǔn)常見(jiàn)的總線標(biāo)準(zhǔn)包括PCI、ISA、AGP、USB、SATA等，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都定義了總線的傳輸方式、數(shù)據(jù)寬度、時(shí)鐘頻率等技術(shù)參數(shù)。工作模式和運(yùn)算方式1實(shí)地址模式實(shí)地址模式是CPU的基本工作模式，它使用20位地址線，直接訪問(wèn)1MB的物理內(nèi)存。2保護(hù)模式保護(hù)模式是一種更高級(jí)的工作模式，它引入了內(nèi)存保護(hù)機(jī)制，允許多個(gè)程序同時(shí)運(yùn)行。3運(yùn)算方式微機(jī)系統(tǒng)支持多種運(yùn)算方式，包括算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、移位運(yùn)算和字符串操作等。外圍設(shè)備接口和控制USB接口通用串行總線(UniversalSerialBus)是一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接外圍設(shè)備，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)等。網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口卡(NetworkInterfaceCard)允許計(jì)算機(jī)連接到網(wǎng)絡(luò)，如以太網(wǎng)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。視頻接口視頻接口用于連接顯示器，例如VGA、HDMI、DVI等。微機(jī)系統(tǒng)軟硬件接口技術(shù)中斷機(jī)制中斷是硬件和軟件交互的重要手段。中斷允許外設(shè)在需要時(shí)向CPU發(fā)出信號(hào)，打斷CPU的正常運(yùn)行，從而及時(shí)處理外設(shè)請(qǐng)求。DMA傳輸DMA傳輸允許外設(shè)直接訪問(wèn)主存，無(wú)需CPU介入，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂疲瑴p輕了CPU的負(fù)擔(dān)。I/O端口I/O端口是CPU與外設(shè)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的橋梁。CPU可以通過(guò)I/O端口控制外設(shè)，并接收外設(shè)傳來(lái)的數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是連接硬件和軟件的橋梁。它負(fù)責(zé)管理外設(shè)的運(yùn)行，并為應(yīng)用程序提供統(tǒng)一的接口。微機(jī)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)描述速度執(zhí)行指令的速度，通常用每秒執(zhí)行的指令數(shù)（MIPS）或每秒執(zhí)行的浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)（MFLOPS）來(lái)衡量。吞吐量單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量，通常用每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量（Mbps）來(lái)衡量。響應(yīng)時(shí)間系統(tǒng)對(duì)請(qǐng)求做出響應(yīng)的時(shí)間，通常用毫秒（ms）或微秒（μs）來(lái)衡量?？煽啃韵到y(tǒng)正常工作的時(shí)間比例，通常用平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）來(lái)衡量?？蓴U(kuò)展性系統(tǒng)在不影響性能的情況下增加硬件或軟件的能力。成本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、維護(hù)和使用的成本，通常用每年的成本（美元）來(lái)衡量。微機(jī)系統(tǒng)的主存管理內(nèi)存分配管理內(nèi)存分配給不同進(jìn)程，防止沖突和資源浪費(fèi)。內(nèi)存保護(hù)保護(hù)每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存空間，防止一個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)或修改另一個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存。內(nèi)存共享允許不同的進(jìn)程共享內(nèi)存區(qū)域，提高資源利用率。內(nèi)存回收釋放不再使用的內(nèi)存空間，以便其他進(jìn)程使用。進(jìn)程和線程管理進(jìn)程是操作系統(tǒng)分配資源的基本單位。線程是操作系統(tǒng)調(diào)度的基本單位。進(jìn)程和線程管理主要包括進(jìn)程創(chuàng)建、撤銷(xiāo)、阻塞、喚醒、掛起、激活等操作。處理器調(diào)度和上下文切換1調(diào)度算法先來(lái)先服務(wù)、最短作業(yè)優(yōu)先、時(shí)間片輪轉(zhuǎn)2上下文切換保存當(dāng)前進(jìn)程狀態(tài)，加載新進(jìn)程狀態(tài)3調(diào)度策略搶占式調(diào)度、非搶占式調(diào)度內(nèi)存管理技術(shù)內(nèi)存碎片內(nèi)存分配過(guò)程中可能出現(xiàn)碎片，導(dǎo)致可用內(nèi)存分散，降低系統(tǒng)效率。分頁(yè)管理將物理內(nèi)存和邏輯地址空間劃分為固定大小的頁(yè)面，實(shí)現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換和內(nèi)存共享。分段管理將邏輯地址空間劃分為若干大小可變的段，支持程序的模塊化和內(nèi)存保護(hù)。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)概念虛擬存儲(chǔ)技術(shù)是一種內(nèi)存管理技術(shù)，它允許程序使用比物理內(nèi)存更大的地址空間。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)原理虛擬存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)將程序分成若干個(gè)頁(yè)面，并將頁(yè)面存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，當(dāng)需要使用某個(gè)頁(yè)面時(shí)，將其調(diào)入內(nèi)存。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)類(lèi)型虛擬存儲(chǔ)技術(shù)主要包括分頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)和分段式虛擬存儲(chǔ)。虛擬存儲(chǔ)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)可以提高內(nèi)存利用率，允許運(yùn)行更大的程序，并且能夠減少內(nèi)存碎片。文件管理和設(shè)備管理1文件系統(tǒng)文件系統(tǒng)提供了一種組織和管理文件的方法，方便用戶訪問(wèn)和操作文件。2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)與外圍設(shè)備進(jìn)行通信和控制，確保設(shè)備能夠正常工作。3內(nèi)存管理技術(shù)內(nèi)存管理技術(shù)負(fù)責(zé)分配和回收內(nèi)存資源，優(yōu)化內(nèi)存使用效率，避免資源浪費(fèi)。輸入輸出技術(shù)輸入設(shè)備輸入設(shè)備將外部信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的信號(hào)，例如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備輸出設(shè)備將計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息轉(zhuǎn)換為人可以理解的形式，例如顯示器、打印機(jī)、音箱等。I/O接口I/O接口是連接輸入輸出設(shè)備和計(jì)算機(jī)的橋梁，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸和控制。嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于特定應(yīng)用領(lǐng)域的系統(tǒng)，其特點(diǎn)是專(zhuān)用性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)、體積小、成本低，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)通常由硬件和軟件組成，其中硬件部分包括微處理器、存儲(chǔ)器、外圍設(shè)備等，軟件部分包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等。嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是嵌入式操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)之一，它能夠在特定時(shí)間內(nèi)完成指定的任務(wù)。資源受限嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在內(nèi)存和存儲(chǔ)空間有限的設(shè)備上，操作系統(tǒng)需要優(yōu)化資源使用。可定制性嵌入式系統(tǒng)通常需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行定制，操作系統(tǒng)需提供靈活的配置選項(xiàng)。RTOS工作原理任務(wù)調(diào)度RTOS負(fù)責(zé)管理和調(diào)度多個(gè)任務(wù)，根據(jù)優(yōu)先級(jí)、時(shí)間片等因素選擇下一個(gè)執(zhí)行的任務(wù)。內(nèi)存管理RTOS提供內(nèi)存分配和管理機(jī)制，確保不同任務(wù)之間不會(huì)發(fā)生沖突。通信機(jī)制RTOS支持任務(wù)之間的通信，例如消息隊(duì)列、信號(hào)量等，使任務(wù)之間能夠協(xié)作工作。時(shí)間管理RTOS提供定時(shí)器和時(shí)間管理功能，用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)任務(wù)的準(zhǔn)確執(zhí)行。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法需求分析深入了解系統(tǒng)功能、性能、成本、可靠性等需求，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)劃分模塊，確定硬件和軟件之間的接口，選擇合適的處理器、存儲(chǔ)器、外設(shè)等。軟件設(shè)計(jì)編寫(xiě)嵌入式軟件代碼，包括驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)等。硬件設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)電路板、選擇元器件，實(shí)現(xiàn)硬件功能，與軟件接口協(xié)同工作。測(cè)試與調(diào)試進(jìn)行硬件和軟件測(cè)試，發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，確保系統(tǒng)功能和性能滿足要求。系統(tǒng)集成將硬件和軟件整合在一起，形成完整的系統(tǒng)，并進(jìn)行最終測(cè)試和驗(yàn)證。嵌入式系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化性能:提高速度、降低能耗。優(yōu)化內(nèi)存:減少內(nèi)存占用，提高效率。優(yōu)化安全性:增強(qiáng)系統(tǒng)防御能力，防范攻擊。嵌入式系統(tǒng)安全性數(shù)據(jù)保護(hù)確保敏感數(shù)據(jù)的機(jī)密性、完整性和可用性。網(wǎng)絡(luò)安全保護(hù)嵌入式系統(tǒng)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊，例如惡意軟件、拒絕服務(wù)攻擊和數(shù)據(jù)竊取。物理安全防止對(duì)硬件的未經(jīng)授權(quán)的訪問(wèn)，例如設(shè)備丟失、損壞或篡改。嵌入式系統(tǒng)實(shí)例分析我們將分析一些現(xiàn)實(shí)世界的嵌入式系統(tǒng)例子，例如智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等，以幫助你理解嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)原理。通過(guò)這些實(shí)例分析，你將更深刻地理解嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵概念和設(shè)計(jì)原則，并能夠?qū)⑵鋺?yīng)用到實(shí)際的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中。微機(jī)原理典型應(yīng)用1嵌入式系統(tǒng)微機(jī)原理在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中扮演著重要角色，例如智能手機(jī)、汽車(chē)電子、工業(yè)自動(dòng)化等。2網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)、服務(wù)器等設(shè)備的硬件架構(gòu)和通信協(xié)議都基于微機(jī)原理。3數(shù)據(jù)處理微機(jī)原理是數(shù)據(jù)中心、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)