《微机原理预备知识》课件

微机原理预备知识本课程旨在为学习微机原理打下坚实的基础首先了解计算机系统的基本组成和工作原理,然后掌握计算机的二进制数字系统和算术运算方法通过本课程的学习,你将对计算机的工作原理有一个全面的认知课程概述课程目标主要内容12系统全面地介绍微机原理包括计算机的基本结构、的基础知识,为后续课程奠指令系统、存储器、I/O定基础系统、CPU等基本概念教学方法课程地位34采用课堂讲授和实践操作是计算机专业的一门基础相结合的教学方式,并辅以课程,为后续专业课程学习课件、实验等奠定基础计算机的基本结构计算机由五大基本部件组成:输入设备、输出设备、存储器、中央处理器CPU和总线系统这五大部件通过总线相互连接,形成一个完整的计算机系统,能够执行各种计算和控制功能其中CPU作为计算机的核心部件,负责执行各种指令并控制其他部件的工作存储器用于临时存储数据和程序,输入输出设备则负责与外部世界进行数据交互这些部件的协调配合,使计算机能够高效完成各种复杂任务指令系统和指令格式指令系统指令格式指令分类指令长度计算机通过一系列指令来每条指令都有特定的格式,指令分为数据传输指令、指令长度通常为8位、16控制计算机硬件执行各种包括操作码、寄存器地址、算术逻辑指令、控制转移位或32位,与CPU字长和存运算和操作指令系统为立即数等字段,用于指定要指令等不同类型,满足计算储器字长有关,影响指令的计算机提供了一套标准化执行的操作、操作数的位机执行各种功能的需求编码方式和执行速度的命令语言，用于编程和置以及操作数的值控制计算机存储器的基本结构存储器芯片存储单元结构控制电路存储器芯片是存储器的基本单元,通常存储单元采用电容或电阻的方式来存存储器的控制电路负责管理读写操作,由控制逻辑、存储单元阵列和输入输储二进制数据通过寻址电路定位特包括地址译码、时序控制和输入输出出电路组成它们能够高效地存储和定单元并读写数据存储单元组成了控制等功能,确保数据高效、可靠地存访问数据存储器的核心部分取存储器地址空间总地址空间计算机系统所能访问的全部地址空间存储器地址空间实际用来存放指令和数据的地址空间I/O地址空间用来与外部设备进行通信的地址空间计算机系统的地址空间分为存储器地址空间和I/O地址空间存储器地址空间用于存放指令和数据,而I/O地址空间则用于与外部设备进行通信这两个地址空间共同构成了计算机系统的总地址空间存储器的分类和特性存储器分类存储器速度存储器按工作特性可分为ROM、存储器的访问速度体现了存储器RAM等,按使用方式可分为主存储的性能,主要包括存取时间和周期器和辅助存储器时间存储器容量存储器成本存储器容量决定了其存储数据的不同类型存储器的制造成本各不多少,存储器的容量越大,其存储能相同,会影响其在系统中的应用力越强输入输出系统概述CPU1计算机的核心部件总线2实现CPU与外围设备的数据传输接口I/O3连接CPU与外围设备的桥梁输入输出系统是计算机体系结构的重要组成部分它负责管理和协调CPU与各种外围设备之间的数据交互通过总线、I/O接口等关键部件,CPU能够感知外部世界,并将运算结果反馈给用户输入输出系统的设计关乎计算机整体性能与可靠性中央处理器中央处理器（Central ProcessingUnit，简称CPU）是计算机的核心部件,负责执行指令并处理数据它由控制单元、算术逻辑单元和寄存器等部分组成,能够执行算术运算、逻辑运算、数据传输等操作CPU通过拉取指令、解码指令、执行指令的循环,完成程序的顺序执行其运行速度由时钟频率决定,决定计算机的整体性能内部结构CPU中央处理器核心多级缓存结构通用寄存器CPU内部包含算术逻辑单元、控制单CPU内部设有多级缓存,用于降低主存CPU拥有大量通用寄存器,用于临时存元等关键部件,通过执行指令来完成数访问延迟,提高数据处理效率储运算数据和程序执行信息据处理和程序控制寄存器的分类和功能通用寄存器控制寄存器存储各种数据和地址信息,是保存CPU控制信号和状态信CPU运算的基本操作对象息,用于指挥和监控CPU的运行专用寄存器状态寄存器执行特殊功能,如程序计数器、记录运算结果的状态信息,如堆栈指针等,支持CPU高效运进位、溢出等,供CPU判断和行控制总线系统概述数据总线数据总线负责在各个部件之间传输数据信号其宽度决定了系统的数据处理能力地址总线地址总线用于CPU访问存储器或I/O设备的地址寻址其宽度决定了可寻址的存储空间控制总线控制总线负责协调各部件之间的工作时序和操作控制其承载各种控制信号总线仲裁当多个部件同时请求使用总线时,需要仲裁协调,以确保总线的有序使用数据总线、地址总线和控制总线数据总线地址总线控制总线数据总线用于传输CPU与其他部件之地址总线用于传输CPU发出的地址信控制总线用于传输CPU发出的控制信间的数据它的宽度决定了一次可传号,指明要访问的存储单元或外围设号,如读写控制信号、时钟信号等,协输的数据量常见的有8位、16位、备其宽度决定了可寻址的最大空间调各部件的工作32位和64位等宽度编码和译码编码译码12将信息用特定的数字编码将编码过的信息转换回原表示,以便计算机存储和传始形式,以便人类理解和使输常见编码方式包括二用利用译码电路可实现进制编码、BCD编码等这一目的编码和译码的关系广泛应用34编码和译码是一对相互对编码和译码广泛应用于计应的过程,编码将信息转换算机存储、通信传输和控为计算机能识别的形式,而制系统等领域,是计算机系译码则将其转换回人类可统不可或缺的基础技术读的形式数字信号的表示数字信号是计算机和电子设备中常见的信号形式它们使用一系列离散的电压电平来表示信息,通常采用二进制编码数字信号具有抗干扰能力强、存储和传输方便等优点,广泛应用于各种计算机系统和数字电子设备中数字信号可以通过不同的编码方式进行表示,如单极性编码、双极性编码、二进制编码等选择合适的编码方式可以提高系统的性能和可靠性数值运算二进制运算1将数据转换为二进制形式后进行运算算术运算2包括加、减、乘、除等基本运算逻辑运算3利用逻辑门电路实现AND、OR、NOT等逻辑运算移位运算4将二进制数据左移或右移实现乘除等操作数值运算是计算机系统的基础,包括二进制运算、算术运算、逻辑运算和移位运算等,通过这些基本运算单元实现复杂的数据处理这些运算能力是微机原理课程的核心内容之一位运算位操作技巧位移运算利用位移和逻辑运算可以实现一些常见的编程技巧,如判断奇偶、交左移和右移位操作可以实现移位乘法和除法,提高运算效率换变量等123按位逻辑运算与、或、非、异或等逻辑运算可以实现数字的各种组合和筛选布尔代数基础和的逻辑基本逻辑运算01布尔代数以二进制0和1作为与、或、非是布尔代数的三基本逻辑状态,定义了一套丰种基本运算,可组合成更复杂富的逻辑运算规则的逻辑表达式真值表代数推导真值表列举了各种逻辑运算基于一组布尔代数公理,可进的输入输出结果,是分析和设行各种代数推导,化简复杂的计电路的重要工具逻辑表达式逻辑门电路逻辑门电路是组成各种数字电路的基本单元通过将不同类型的逻辑门电路组合在一起，可以实现各种复杂的逻辑功能，如与、或、非、异或等基本逻辑运算这些基本逻辑门电路为数字电路的设计和实现奠定了基础常见的逻辑门电路包括AND门、OR门、NOT门、NAND门、NOR门等它们通过处理输入信号的组合逻辑关系来输出所需的逻辑状态这些逻辑门电路为微处理器、存储器、控制电路等提供了基本的运算和控制功能组合逻辑电路组合逻辑电路是基本的数字逻辑电路之一，它不包含任何反馈或存储元件电路输出仅依赖于当前输入信号,不受之前输入的影响组合逻辑电路广泛应用于算术运算单元、编码解码器、选择器等多种数字电子系统中其特点是结构简单、功能明确、响应快速、可靠性高常见的组合逻辑电路有与门、或门、非门等基本逻辑门电路,以及更复杂的加法器、比较器、编码器等复合逻辑电路触发器电路触发器是计算机中最基本的时序逻辑电路单元之一它由一组门电路组成，能够记忆输入信号的状态，并根据触发条件切换输出状态触发器可以执行数据存储、数据转换以及时序控制等功能，是构建各种数字电路的基础常见的触发器电路包括D型触发器、JK触发器和T型触发器等它们拥有不同的工作特性和应用场景，在微机原理设计中扮演着重要角色时序逻辑电路时序电路结构1时序电路由组合逻辑电路和存储元件如触发器构成,存储元件能保存之前的输入信号,产生输出信号与当前时刻的输入信号都有关时钟信号控制2时序电路的工作依赖于外部时钟信号,时钟信号的边沿上升沿或下降沿决定了电路的工作时机状态转移图3时序电路的工作过程可以用状态转移图表示,每个状态对应电路的一种工作状态电路在状态间转移,实现复杂功能存储器单元存储器基本单元存储器由大量基本存储单元组成,每个单元都能独立存储一个二进制位的数据单元由触发器电路构成,可实现数据的读取和写入存储器阵列大量存储单元通过行列寻址方式组成存储器阵列行选择和列选择电路实现对单个存储单元的访问,确保数据的正确读写存储容量存储器的容量取决于单元数量,通常用位数或字数来表示单元数越多,存储容量越大存储容量是衡量存储器性能的重要指标存储芯片的结构芯片内部结构存储单元电路芯片封装结构存储芯片由多个基本电路单元组成,包存储单元是存储芯片的核心部件,利用存储芯片通常采用集成电路的封装形括存储单元阵列、地址译码器、数据SRAM或DRAM电路实现数据的读写式,以保护内部电路并提供外部接口缓冲器等这些单元通过特定布局连每个存储单元都有独立的地址,可被独封装材料和引脚设计决定了芯片的尺接而成,构成完整的存储芯片架构立访问和控制寸、功耗和可靠性存储器的分类及应用随机存取存储器只读存储器外部存储器高速缓存存储器RAM ROM用于临时存储程序和数据,用于存储固定的程序和数据,包括硬盘、软盘、光盘等,位于CPU和主存之间,用于可读写,但断电后内容丢失断电后内容不会丢失用于大容量永久性存储加速数据和指令的访问接口电路什么是接口电路？接口电路的重要性接口电路的分类接口电路的设计接口电路是连接计算机系合理设计的接口电路可以主要包括串行接口、并行设计接口电路需要考虑信统与外部设备的电路部件提高系统的稳定性、兼容接口、通用标准接口号、电源、时序、驱动能它负责数据传输、信号调性和灵活性它是计算机（USB、HDMI等）以及力等多方面因素，确保各制、电平转换等功能，确系统实现外部交互的关键特殊接口（工业总线、音部件之间的协调工作保各部件之间的通信环节频接口等）每种接口都有其适用场合和特点接口设计I/O设备连接1将I/O设备与计算机主机进行物理连接数据传输2控制数据在I/O设备和主机之间的传输通信协议3建立I/O设备和主机之间的通信协议接口电路4设计I/O接口电路以实现各种功能I/O接口设计是将外部I/O设备与计算机主机连接的关键环节它需要完成设备连接、数据传输控制、通信协议制定以及接口电路设计等多个步骤,确保I/O设备能够与主机顺畅进行信息交换中断系统中断概念中断类型中断是CPU在执行程序过程中断可分为硬件中断和软件中遇到特殊事件时暂时中断中断,分别由外部设备和程序当前程序,转而处理该特殊事内部事件触发件的一种机制中断处理过程中断优先级CPU在收到中断信号后会保不同中断源拥有不同优先存当前程序状态,转而执行中级,CPU会优先处理高优先级断服务程序,处理完毕再恢复的中断请求原有程序技术概述DMA高效数据传输降低负荷CPU12DMADirect MemoryDMA传输可以减轻CPU的Access技术可以在不借工作负担,让CPU专注于其助CPU的情况下直接在内他任务的处理,从而提高系存和外围设备之间传输数统的整体性能据,提高了数据传输效率广泛应用场景支持多种通道34DMA广泛应用于外围设备DMA可以支持多个通道并数据传输、音频/视频传行传输数据,以提高传输吞输、磁盘阵列等领域,是实吐量,满足不同应用场景的现高速数据传输的重要技需求术课程总结知识总览重要概念通过本课程的学习,您已掌握我们重点探讨了CPU内部结微机原理的基础知识,包括计构、总线系统、逻辑电路等算机的基本结构、指令系统、核心概念,为进一步深入学习存储器、输入输出等方面奠定了基础实践应用课程还涉及了接口电路、中断系统、DMA技术等内容,为您以后在微机系统设计中的实践应用提供参考。