《寄存器与存储器》课件

寄存器与存储器寄存器是计算机系统中常用的一种存储器,用于临时储存和传输处理单元中的数据和地址信息存储器则是用来存储较大容量数据和程序的硬件设备本节将深入了解寄存器和存储器的特点、分类及其在计算机系统中的重要作用寄存器的概念和作用概念寄存器是计算机中用于临时存储数据和地址的高速存储器单元它们位于中央处理器内部,可快速读写作用寄存器在计算机中承担着重要角色,可存储操作数、中间结果以及地址信息,为CPU提供所需数据和指令特点寄存器具有访问速度快、容量小但价格昂贵的特点,适合存储CPU频繁访问的数据寄存器的基本结构寄存器是计算机中用于暂时存储数据和地址的高速存储单元它由若干个触发器组成,可以存储二进制数据寄存器的基本结构包括输入端、输出端、时钟控制端和控制信号端,通过这些端口可以实现数据的读取和写入操作寄存器的工作需要受到系统时钟的控制和管理寄存器的分类通用寄存器特殊寄存器用于存储通用数据和地址信息具有特定功能的寄存器,如程序的多用途寄存器可参与算术计数器、指令寄存器、标志寄逻辑运算存器等状态寄存器控制寄存器保存当前CPU状态信息的寄存用于控制和管理CPU运行的寄器,如标志位、中断状态等存器,如模式寄存器、控制状态寄存器等通用寄存器定义功能特点应用通用寄存器是一类能存储各通用寄存器可以在CPU内部通用寄存器可读可写,具有通用寄存器广泛应用于算术种数据的通用型寄存器,可自由地传递数据,提高了程灵活性强、存取速度快等优、逻辑和地址运算等操作,用于存储操作数、地址和中序的执行效率它们是连接点,是CPU最重要的数据缓存是CPU进行各种运算的基础间运算结果等CPU内部各功能部件的重要器通道特殊寄存器程序计数器（指令寄存器（状态寄存器（Program Counter,Instruction StatusRegister,）））PC Register,IR SR程序计数器用于存储下一条指令的地址指令寄存器用于存放当前正在执行的指状态寄存器保存着CPU执行指令时产生的，指示CPU要执行的下一步操作它是令,为CPU提供指令操作的依据各种状态信息,如Zero标志、Carry标志等,CPU关键的特殊寄存器之一为CPU提供执行控制依据地址寄存器主要功能存储结构12地址寄存器用于存储用于访问存储器的地址,它决定了CPU地址寄存器通常由多个bit构成,每个bit可以存储一个0或1,访问的内存位置从而表示不同的地址寻址能力地址选择34地址寄存器的位数决定了CPU可以访问的内存空间大小,即通过地址寄存器的内容,CPU能够精确地选择要访问的内存寻址能力单元段寄存器段寄存器结构代码段寄存器数据段寄存器堆栈段寄存器段寄存器用于存储当前程序代码段寄存器CS存储当前程数据段寄存器DS存储当前程堆栈段寄存器SS存储当前程执行的内存段地址，由通常序代码所在的内存段地址，序数据所在的内存段地址，序堆栈所在的内存段地址，16位宽的寄存器组成，对应用于访问程序指令用于访问程序数据用于访问程序调用和返回时内存的物理地址范围使用的堆栈程序寄存器程序计数器程序计数器用于记录当前执行指令的存储单元地址它决定了下一条指令从何处读取指令指针指令指针寄存器指向当前正在执行的指令的存储单元地址指令执行完毕后自动增加1分支目标寄存器当遇到转移指令时，该寄存器保存转移目标的地址用于跳转到转移目标指令执行标志寄存器作用构成应用重要性标志寄存器用于保存处理器标志寄存器通常由多个标志标志寄存器的信息可用于条标志寄存器在处理器中起着状态信息,如运算结果是否位组成,每个标志位代表一件转移指令的判断,如根据关键作用,是实现条件转移为零、是否有进位或借位等种状态信息常见的标志位运算结果是否为零决定程序、中断处理等功能的基础,为后续指令执行提供依据有零标志、进位标志、溢出的执行路径标志等存储器的概念和作用存储器的概念存储器的作用存储器是计算机系统中用于存存储器的主要作用是为CPU提储数据和程序的重要硬件部件供所需的数据和指令,确保计算它可以临时或永久地保存信机系统能够正常运行它是计息,为CPU提供必要的数据和指算机中最重要的组成部分之一令存储器的分类存储器根据存取方式和存储介质的不同,可以分为主存储器和辅助存储器两大类主存储器包括RAM和ROM存储器的基本结构存储器由三个主要部分组成:地址部件、数据部件和控制部件地址部件负责对存储器单元进行寻址,确定数据的存储或读取位置数据部件负责存储和传输数据,可以进行数据的读写操作控制部件负责对整个存储器系统的工作进行协调和控制存储器的分类按存储介质分类按存取特性分类12存储器可以分为半导体存储存储器可以分为随机存取存器、磁性存储器和光学存储储器RAM和只读存储器器每种类型都有不同的特ROMRAM可读写,ROM只点和应用场景可读按功能分类3存储器还可以分为主存储器和辅助存储器主存储器直接为CPU提供数据,辅助存储器用于备份和长期储存随机存取存储器RAM高速读写易失性RAM可以快速读取和写入数据,RAM在断电后会丢失所有存储非常适用于运行程序时的临时的数据,需要持续供电才能保留存储需求信息多样性RAM有多种类型,如SRAM、DRAM等,适用于不同的应用场景和性能需求只读存储器ROM概念与特点典型应用只读存储器Read-Only Memory,ROM是一种不可擦除和不可ROM通常用于存储操作系统、固件、引导程序等关键系统软重写的存储器,其中存储的数据在出厂时就已固化,用户无法修件,确保系统能可靠启动和运行同时也用于存储产品的基本改它具有数据永久保存、访问速度快、成本低等特点参数、校准数据等只读存储器的分类PROM EPROM可编程只读存储器，使用熔丝可编程后无法可擦除可编程只读存储器，可用紫外线擦除再次改变并重新编程EEPROM FlashROM电子可擦除可编程只读存储器，可通过电信闪存，可快速电子擦除和编程的可重复写入号擦除和编程存储器层次结构和内存层次存储器层次结构1计算机存储器可划分为多个层次,从最快最小的寄存器到最慢最大的辅助存储器每个层次有其自身的容量和访问速度存储器访问速度2访问速度从寄存器最快,到高速缓存、主存、磁盘等依次降低访问速度越快,容量越小,成本越高层次结构优化3合理利用存储器层次结构,将热点数据存放在较快的上层存储器中,可显著提高系统性能内存的层次结构计算机系统的内存层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器、外部存储器等不同层次这种分层设计旨在平衡访问速度、容量和成本的需求寄存器速度最快但容量最小,外部存储器容量大但速度较慢,各层次相互配合为系统提供高性能的存储与访问内存的访问速度1ns10ns内存访问时间CPU缓存访问时间100ns10ms主存访问时间硬盘访问时间内存访问速度是衡量计算机系统性能的重要指标之一内存访问时间直接影响CPU执行指令的速度内存层次结构的设计需要平衡访问速度和存储容量的关系常见的内存访问时间从纳秒级到毫秒级不等,反映了存储技术和层次结构的差异存储器的访问方式顺序访问随机访问12按照存储单元的物理顺序逐可以直接读取或写入任意存个读取或写入，适用于磁带储单元，适用于主存储器和存储器部分辅存储器直接存取中断访问34通过地址总线直接寻址访问由外设发出中断请求，CPU存储单元，速度快但地址线暂停当前程序执行进行存储数量多器访问存储器的编址方式存储器映射直接存储器访问虚拟内存管理存储器的物理地址和逻辑地址通过一定通过将数据直接存储在指定的内存地址虚拟内存技术可将物理内存扩展为更大的映射方式进行转换,确保CPU能够准确,CPU可以快速读取和写入数据,提高了访的逻辑内存空间,通过页面交换机制实现定位和访问所需的存储单元问效率程序的高效运行总线的概念和作用总线的概念总线的作用总线是计算机系统中用于连接各个部件的共享通信线路它是总线可以在计算机的各个部件之间传递数据、地址和控制信号实现各组件之间数据传输和地址、控制信号传递的关键通道,协调它们之间的通信与工作,是计算机系统运转的重要基础总线的分类数据总线用于传输数据,连接CPU、内存和外围设备数据总线的宽度决定了一次性传输的数据量地址总线用于传输地址信息,确定数据在存储器中的存放位置地址总线的宽度决定了可寻址的存储空间大小控制总线用于传输控制信号,协调系统各个部件的工作控制总线包含读写控制、时序控制等信号数据总线双向传输灵活性数据总线用于在计算机各部件数据总线的宽度可根据需要而之间双向传输数据信号,确保信定,通常为8位、16位或32位,满息的及时交换足不同应用场景数据存储并行传输数据总线将数据从内存或外设数据总线采用并行传输方式,可送至处理器,或从处理器送至内同时传输多位数据,提高传输效存或外设率地址总线地址总线概述地址总线功能地址总线结构地址总线是用于传输内存单元地址信息地址总线的主要功能是将CPU产生的内存地址总线由多条并行线组成,线路数量决的总线线路它决定了可访问的内存空地址传送到内存单元,以实现对内存单元定了总线的宽度地址解码器用于将地间大小地址总线的宽度决定了系统的的寻址和访问它是内存子系统的核心址总线信号转换为具体的内存单元地址寻址能力部件控制总线读写控制时序信号12控制总线负责发送读写命令,控制总线还负责传输时钟和控制存储器或外围设备的读同步信号,确保总线上的数据写操作传输按时序进行中断控制其他控制34控制总线还可以传送中断请此外,控制总线还可以传输一求和响应信号,实现CPU和外些特殊的控制信号,如存储器设的中断机制的片选信号等总线访问协议仲裁1决定哪个设备可以使用总线请求2设备向总线控制器提出总线使用申请授予3总线控制器根据仲裁协议分配总线使用权数据传输4设备在获得总线使用权后开始传输数据总线访问协议描述了多个设备共享同一总线时的工作流程主要包括仲裁、请求、授予和数据传输四个步骤通过这种协议可以有序地管理总线资源的使用,避免冲突和数据丢失控制总线的信号时钟信号读/写信号中断请求信号控制总线包含一个时钟信号线,用于同步读/写信号指示当前总线操作是读取还是中断请求信号用于向CPU发送中断请求,数据的传输和处理写入存储器或外围设备以便CPU可以及时响应数据总线的传输方式串行传输并行传输12数据位逐个通过总线传输,适数据位同时通过总线传输,速合长距离传输数据,但速度较度更快,适合短距离传输慢同步传输异步传输34数据传输由系统时钟控制,需数据传输不需时钟同步,通过要接收端和发送端时钟同步控制信号来完成数据交换总结综合应用系统层次未来发展寄存器和存储器是计算机硬件中不从内存层次结构到总线访问协议,都随着技术的不断进步,寄存器和存储可或缺的重要组成部分,在数据存储体现了寄存器与存储器在计算机系器的性能将进一步提高,满足日益增、运算和控制等方面发挥着关键作统中的层次化关系长的计算需求用。