《片微型计算机原理》课件

微型计算机的基本原理微型计算机是一种小型计算机系统其设计目的是为了满足日常工作和,生活的需求它由中央处理器、存储器和输入输出设备组成具备基本,的运算和控制功能引言片微型计算机的作用学习目标片微型计算机是现代信息技通过学习片微型计算机的基术的核心组成部分广泛应用本原理了解其硬件结构和软,,于各行各业为人类生活带来件设计为后续的信息技术学,,了巨大的便利习奠定基础知识体系本课程将涵盖片微型计算机的发展历程、基本组成、和内存CPU工作原理等重要内容片微型计算机的发展历程早期原型1世纪年代最早的微型计算机诞生体积巨大仅能执2050,,,行简单任务微处理器时代2年英特尔推出第一款单芯片微处理器开启1971,Intel4004,了微型计算机的新纪元个人电脑普及3年代个人电脑和苹果电脑等问世微型计算机进80,IBM,入家庭和办公室片微型计算机的基本组成中央处理器内存单元CPU12负责执行程序指令并控制用于暂时存储程序指令和整个计算机的运行数据包括、等不同CPU,ROM RAM由运算器和控制器组成类型的存储器输入输出设备总线系统/34负责与外部世界进行交互在各部件之间传输数据、,如键盘、显示器、打印机地址和控制信号实现它们,等外围设备之间的通信的结构和工作原理CPU是片微型计算机的核心部件负责执行指令并控制整个系统的运转CPU,它由运算器、控制器和寄存器组成能够从内存中取指令、解码并执行,指令对数据进行算数和逻辑运算同时还能控制外围设备的工作,,的主要功能包括取指令、指令译码、指令执行和结果输出等整个CPU,工作过程由时钟脉冲等信号严格控制和协调确保高效稳定的计算和控,制内存的分类和工作原理主存储器辅助存储器高速缓存用于存储程序指令和数据可读写断电用于大容量长期存储如硬盘可断电保位于和主内存之间用于暂时存储常,,,,CPU,后数据丢失包括和存数据读写速度较慢用数据和指令提高访问速度RAM ROM,总线的种类和作用总线的种类地址总线数据总线控制总线计算机系统内部由多个部用于传输存储器单元的地用于在与存储器或输用于传输各个部件之间的CPU件组成各部件之间通过总址信号其宽度决定了计算入输出设备之间传输数据控制信号协调它们的工作,,,,线进行数据和信号的传输机能够直接寻址的最大内其宽度决定了计算机一次时序和工作状态主要包括地址总线、数据存空间能够传输的数据量总线和控制总线输入输出设备的分类和接口输入设备输出设备接口类型包括键盘、鼠标、扫描仪等负责向计包括显示器、打印机、扬声器等负责输入输出设备与计算机之间通过串行,,算机提供数据和指令输入将计算机处理的信息显示或输出接口、并行接口等进行数据传输中断机制的作用和应用实时响应中断机制允许片微型计算机在执行用户程序的过程中，快速、及时地响应外部事件的发生优先级控制中断机制可以根据中断事件的重要程度对其进行优先级排序，确保高优先级事件得到及时处理提高效率通过中断机制，片微型计算机可以在执行用户程序的同时兼顾外部设备的服务需求，提高系统整体的运行效率指令系统的基本概念指令系统概述指令类型计算机指令系统是由一系列编码指令组成的,用于控制计算•运算指令:对数据进行算术或逻辑运算机硬件执行特定的操作指令系统包括指令格式、指令类•传输指令:在寄存器、内存单元和I/O设备之间传送数据型和指令寻址方式等内容指令系统的设计决定了计算机的功能和性能•控制指令:控制程序的执行流程,如分支和跳转•特殊指令:完成特殊的系统控制功能,如中断处理指令格式和寻址方式指令格式1由操作码和操作数组成寻址方式2直接寻址、间接寻址等机器指令3用二进制表示的可执行指令汇编语言4由助记符和地址表示的指令计算机指令分为操作码和操作数两部分操作码用于标识指令的功能，操作数则指示指令的对象不同的寻址方式决定了操作数的表示方式机器指令以二进制形式表示，而汇编语言则使用助记符和地址表示程序设计的基本流程分析需求1理解用户需求,确定程序目标和功能设计算法2根据需求制定解决问题的步骤编写代码3将算法转化为计算机可执行的指令测试验证4检查程序是否满足需求并消除错误部署维护5将程序部署至生产环境并持续优化程序设计的基本流程包括需求分析、算法设计、代码编写、测试验证和部署维护等步骤首先需要理解用户需求,确定程序目标和功能,然后根据需求制定解决问题的具体步骤,并将其转化为计算机可执行的指令在编码完成后,需要对程序进行严格的测试和验证,确保满足要求最后,将程序部署至生产环境并持续优化改进这一系列过程构成了程序设计的基本流程汇编语言程序设计实例汇编语言是直接与计算机硬件交互的底层程序设计语言在该实例中我们将介绍如何使用汇编语言实现基本的数学,运算、数据存储和控制流程通过这些例子学习者可以深,入理解计算机内部的工作原理为后续学习高级编程语言奠,定基础机器语言程序设计实例机器码基本结构汇编语言转机器码程序基本结构机器语言程序以二进制的形式直接表汇编语言程序通过汇编器转换为机器机器语言程序由一系列指令组成可实,示能够直接执行的指令和数据每码形式更加接近计算机的底层运行机现算术运算、数据传送、程序控制等CPU,条指令都有特定的操作码和操作数制基本功能高级语言程序设计概述面向对象程序设计代码重用和模块化12高级语言引入了面向对象高级语言支持模块化设计,的编程范式提供了类、对使代码更加模块化和可重,象、继承等强大的抽象机用这提高了开发效率和制代码质量自动内存管理丰富的标准库34高级语言通过垃圾回收等高级语言提供了丰富的标机制自动管理内存减轻程准库涵盖了各种常用功能,,,序员的内存管理负担大大提高了开发效率程序控制的基本方法顺序控制分支控制程序按照代码书写的顺序自根据特定条件选择不同的执上而下依次执行各条指令行路径实现程序的灵活性和,这是最简单的程序控制方式多样性常见的分支语句包括和if-else switch循环控制子程序调用重复执行一段代码直到满足将一个功能独立的代码段封,某个条件为止循环可以实装为子程序在需要时进行调,现复杂的算法和信息处理用这样可以提高代码的可常见的循环语句包括、复用性和可读性while和do-while for分支语句的实现原理条件判断通过检查条件表达式的真假来决定程序执行的分支跳转指令使用条件跳转指令如JZ、JNZ等实现分支跳转寄存器保护在分支执行前保存关键寄存器的值,分支结束后恢复堆栈操作将返回地址压栈,分支执行完毕后从栈中弹出恢复循环语句的实现原理条件判断1通过设置循环条件程序可以根据条件的真假来决定是,否继续执行循环体计数器2使用计数器变量跟踪循环的执行次数直到满足结束条,件跳转指令3通过使用跳转指令可以实现循环体的反复执行直至条,,件不满足子程序的概念和应用子程序的概念子程序的优点12子程序是一个独立完成特利用子程序可以提高代码定功能的代码块可以在程重用性和可维护性使程序,,序中被重复调用结构更清晰子程序的参数传递子程序的调用过程34通过传递参数子程序可以调用子程序时系统会保存,,处理不同的输入数据并返当前上下文并跳转到子程回计算结果序执行执行完毕后返回,子程序的传参机制参数传递方式值传递引用传递地址传递子程序可以通过值传递、将参数的值复制给子程序将参数的地址传递给子程将参数的地址传递给子程引用传递和地址传递三种的形参互不影响适用于序子程序可直接操作实参序子程序可通过指针间接,,,,方式接收参数每种方式简单数据类型如整数和浮适用于复杂数据类型如数操作实参灵活性高但风险,,都有不同的优缺点需要根点数组和结构体大据具体情况选择栈的工作原理和应用先进后出过程控制栈是一种后进先出的数栈在计算机程序中用于管理LIFO据结构新元素压入栈顶旧元函数调用跟踪程序执行流程,,,素从栈顶弹出这种结构非每当调用一个函数时相关的,常适合保存函数调用信息和信息如返回地址、参数、局管理程序中的临时变量部变量等会被压入栈中内存管理除了程序控制栈还用于管理内存分配在函数调用时栈会自动分,,配和释放内存空间确保变量的生命周期和作用域,存储器的分类和管理主存储器辅助存储器存储器管理主存储器是计算机的主要工作存储单辅助存储器用于大容量长期数据存储存储器管理技术包括地址映射、内存,元用于存储程序指令和数据主存储包括硬盘、光盘和磁带等辅助存储分配和虚拟存储器等用于合理分配和,,器分为（随机存取存储器）和器的数据可以传送到主存储器中进行调度存储资源提高存储系统的性能和RAM ROM,（只读存储器）处理可靠性存储器的访问方式随机访问顺序访问快速访问数据无需按顺序查找通按照一定次序依次访问数据如磁,,,过地址直接定位带、软盘等设备直接存储器访问存储器映射外围设备可直接访问内存无需将外围设备的地址空间映射到内,参与提高效率存地址空间便于统一访问CPU,,直接存储器访问的工作流程数据请求CPU发出内存地址和读/写控制信号,请求从内存中获取或写入数据DMA控制器响应DMA控制器截获CPU的请求,并从内存中读取或写入数据数据传输DMA控制器直接将数据在内存和外围设备之间传输,无需CPU参与中断通知数据传输完成后,DMA控制器向CPU发送中断信号,通知任务已完成缓存技术的基本原理就近原则时间局部性缓存将最常访问的数据保存在就程序在一段时间内倾向于访问相近的存储器中，提高访问速度同的内存区域空间局部性命中率程序在一段时间内倾向于访问相缓存命中的概率决定了缓存的性邻的内存区域能效率片微型计算机的外围设备输入设备输出设备存储设备通信设备包括键盘、鼠标、轨迹球包括显示器、打印机、绘包括硬盘驱动器、软盘驱如网卡、调制解调器等用,等常见的人机交互设备以图仪等能将计算机处理后动器、光驱等用于长期存于将计算机连接到网络实,,,,及扫描仪、数字相机等数的信息呈现给用户显示储程序和数据近年来固现远程信息的传输和接收据采集设备这些设备能器是最常见的输出设备能态硬盘凭借其高速性能和现代计算机广泛采用无线,将用户输入或实际信息转以图形化的方式展示信息低功耗特点逐渐取代了传通信技术如、蓝牙等,WLAN换为计算机可读的电信号统硬盘微处理器的发展趋势性能持续提升功耗显著降低12微处理器采用先进制造工艺晶体管数量呈指数级增长处新型制造工艺和电路设计技术使得微处理器功耗大幅降,,理性能不断提升低能效不断提高,集成度持续提高应用领域广泛34微处理器集成了更多硬件功能模块实现系统级单芯片集微处理器广泛应用于消费电子、工业控制、通信、汽车,成缩小体积尺寸等诸多领域,片微型计算机的应用领域家用电子设备工业自动化片微型计算机广泛应用于电片微型计算机在工厂自动化、视机、洗衣机、冰箱、空调工艺控制、机器人技术等领等家用电子设备的控制和操域扮演重要角色作医疗设备汽车电子系统片微型计算机被应用于医疗片微型计算机负责汽车发动设备如心电图仪、超声波仪机、安全、娱乐等多个子系等提高诊断精度和效率统的控制和管理,实验环境的搭建和使用硬件配置1配置合适的、内存和硬盘等硬件CPU软件安装2安装必要的操作系统和开发工具编程环境3设置编译器、调试器和代码编辑器搭建实验环境是学习片微型计算机原理的基础我们需要准备满足实验需求的硬件设备，同时安装相关的软件工具通过合理的编程环境配置，学生可以高效地开发和测试各种微处理器程序课程总结与展望课程总结未来展望展望未来通过本课程的学习我们全面掌握了片随着技术的不断进步片微型计算机将相信通过这门课程的学习大家已经为,,,微型计算机的基本工作原理和结构组在更广泛的领域得到应用为社会的发未来的计算机相关工作做好了充分的,成为未来的计算机系统设计和应用打展做出重要贡献我们将继续深入探准备祝愿大家前程似锦在今后的道,,下了坚实的基础索计算机技术的前沿动态路上取得更大的成就。