《中科大微机原理》课件

《中科大微机原理》本课程将深入探讨微机系统的基本构造和工作原理从硬件到软件,全面介绍微机系统的各个组成部分及其相互作用,为学生掌握微机系统设计和应用奠定基础课程概述基础知识实践应用本课程旨在全面系统地介绍微型课程将结合实际案例,讲解汇编计算机的基本组成及工作原理语言程序设计、中断服务、存储涵盖微处理器、存储器、总线、器管理等内容,培养学生的实践输入输出等核心部件动手能力发展趋势最后,课程还将探讨微型计算机的发展方向,包括嵌入式系统、实时操作系统等前沿技术微型计算机基本组成微型计算机的基本组成包括中央处理器CPU、存储器、输入/输出接口以及总线系统CPU负责程序的控制与数据处理,存储器用于存储程序和数据,输入/输出接口提供与外部设备的连接,而总线系统负责各个部件之间的通信和数据传输这些组成部件协同工作,共同完成微型计算机的各项功能微处理器核心组成性能指标微处理器由算术逻辑单元、控制微处理器的速度、存储容量、功单元和寄存器组成，负责执行指耗等指标反映了其性能和应用范令并处理数据围发展历程应用领域从早期的8位微处理器到如今的微处理器广泛应用于个人电脑、64位乃至更高性能的多核处理器嵌入式系统、服务器等各类电子，微处理器不断演进进化设备中系统总线总线结构总线协议总线时序系统总线由地址总线、数据总线和控制总线总线采用标准化的通信协议,确保不同部件总线通过精确的时序控制总线上的数据和地组成,为计算机内各部件之间提供高效的数之间的有序数据交换和控制协议定义了总址传输,确保系统各部件的协调工作时序据传输和控制通路线发送方和接收方的行为设计关系到总线带宽和系统性能存储器内存外存高速缓存虚拟存储器内存是计算机中临时存储数据外存用于长期存储数据和程序高速缓存位于CPU和主存之间,虚拟存储器将硬盘空间扩展为和指令的主要存储装置它分,包括硬盘驱动器、光驱和闪用于减少CPU访问主存的时间主存空间,通过页面交换技术为只读存储器ROM和随机存存等外存容量大、成本低,它可以存储常用的指令和数实现程序运行所需的寻址空间取存储器RAMRAM可以快但访问速度相对较慢它为计据,大幅提高系统性能缓存这种机制大大增加了程序可速读写信息,是程序运行所需算机提供了大容量稳定的存储分为一级缓存和二级缓存用的内存空间的重要组件空间输入输出接口输入接口输出接口用于将外部设备的数据信号接入微处用于将微处理器的数据信号输出到外理器系统，如键盘、鼠标、传感器等部设备，如显示器、打印机、执行机构等通信接口接口I/O用于实现微处理器系统与其他系统之对输入输出设备进行地址选择、数据间的数据交换和通信，如串行端口、传输控制以及中断处理等功能网络接口等中断系统中断响应机制中断优先级中断系统可以快速响应外部事件,中断不同类型的中断有不同的优先级,高优处理程序可以及时获取数据并进行相先级中断可以抢占低优先级中断的处应处理理中断向量中断屏蔽中断向量用于指定中断服务程序的入CPU可以根据需要暂时屏蔽某些中断,口地址,以便中断处理程序能够快速执避免不必要的中断处理打扰正常程序行执行指令系统指令组成指令分类指令由操作码和地址码两部分组微型计算机指令根据功能不同可成，操作码规定了要执行的操作分为数据传送指令、算术逻辑指，而地址码则指明了操作数的位令、程序控制指令等多种类型置指令系统特点指令系统的设计要考虑指令长度、指令格式、指令字段、指令编码等方面，以满足微型计算机的功能需求寻址方式直接寻址间接寻址基址寻址索引寻址指令中直接包含了操作数的内指令中包含的是一个内存地址指令中包含了一个基址寄存器指令中包含了一个索引寄存器存地址，处理器可以直接从内，这个地址中存放着操作数的和一个偏移量，处理器根据基和一个偏移量，处理器根据索存中取出数据进行运算这种真正地址间接寻址更灵活，址加上偏移量得到最终的操作引寄存器的内容加上偏移量得寻址方式简单易实现，但地址可以访问更广泛的内存区域数地址这种方式可以访问大到操作数地址这种方式可以范围有限范围内存灵活访问数组等数据结构机器指令和寻址方式指令格式1操作码和操作数组成立即寻址2操作数直接包含在指令中寄存器寻址3操作数存储在寄存器中直接寻址4操作数存储在内存单元中间接寻址5操作数地址存储在内存单元中机器指令由操作码和操作数组成,操作数可以采用立即数、寄存器、直接地址或间接地址的方式指定不同的寻址方式适用于不同的应用场景,能够充分利用有限的指令集提高程序执行效率汇编语言程序设计选择指令1在汇编语言程序设计中,需要根据实际需求选择合适的指令,以实现所需的功能这需要对指令系统有深入的理解编写代码2编写汇编语言代码需要遵循特定的语法规则,并结合硬件特性进行优化这需要丰富的编程经验和对底层硬件的掌握调试测试3编写完代码后,需要进行仔细的调试和测试,确保程序能够正确运行这需要熟练掌握各种调试工具和技巧汇编语言程序结构程序结构元素程序段程序标签汇编语言程序由指令、数据和伪指令组成汇编语言程序通常包含数据段和代码段数标签用于给程序中的地址或指令起一个有意指令用于执行特定的操作,数据存储相关的据段存储程序所需的数据,而代码段则包含义的名字,方便在程序中引用和跳转标签信息,而伪指令提供程序的结构性执行具体任务的指令可以是指令、数据或程序段的标识子程序调用与返回子程序定义子程序是可重复使用的代码块,可以通过调用来执行特定任务它有独立的输入参数和返回值子程序调用通过传递参数和返回地址来调用子程序,将控制权转移到子程序中执行子程序返回子程序执行完毕后,通过返回地址将控制权转移回主程序,并将计算结果返回栈管理使用栈来存储子程序的局部变量和返回地址,确保子程序退出后能正确返回中断服务程序中断发生1硬件或软件发起中断请求中断处理2保存现场并跳转至中断服务程序中断返回3恢复现场并返回中断前状态中断服务程序是微型计算机系统用于响应和处理中断请求的关键机制当中断发生时,系统会保存当前状态并跳转到对应的中断服务程序中断服务程序完成相应的处理后,再将现场恢复并返回中断前的状态这种及时响应中断的能力是微型计算机系统实时性和及时性的关键所在存储器管理内存分配策略页式管理12根据程序的内存需求动态分配和回收内存空间,提高内存利用将物理内存划分为固定大小的页框,逻辑地址通过页表转换为率物理地址段式管理虚拟内存34根据程序的逻辑结构将内存划分为不同大小的段,提高利用灵利用页表和磁盘交换技术,提供比实际内存更大的逻辑地址空活性间直接存储器存取DMA无中央处理器干预负担减轻广泛应用DMA允许外围设备直接访问内DMA可以减轻中央处理器的负DMA广泛应用于磁盘控制器、存,无需通过中央处理器这担,使其能够专注于其他任务,网卡、声卡等外围设备,提高提高了数据传输速度,提高了提高整体系统效率了系统的实时性和可靠性系统性能程序设计实例算法设计1根据问题需求制定算法策略代码实现2将算法转化为可执行的代码测试调试3检查并修正程序中的错误优化完善4提高程序的效率和可读性在微型计算机程序设计过程中,我们需要遵循完整的开发流程首先根据具体需求设计合适的算法策略,然后将算法转化为可执行代码接下来进行严格的测试和调试,以消除程序中的错误最后还要对代码进行优化,提高程序的效率和可读性,达到最佳的设计目标调试与仿真技术软件调试使用调试工具找出程序中的错误和问题,如单步执行、断点设置、寄存器监视等硬件仿真对硬件电路进行建模和模拟,在软件环境下验证设计的正确性仿真系统通过模拟真实硬件环境,在计算机上测试和评估软件系统的功能和性能微型计算机发展趋势处理能力不断提升体积大幅缩小12微处理器集成度和运算速度的集成电路技术的进步使微型计持续提高,实现了从8位到64位算机硬件体积越来越小,便携性甚至更高性能的发展和机动性大幅提升功耗明显降低智能化水平不断提高34低功耗设计理念的广泛应用,使人工智能和机器学习技术的融微型计算机在移动设备和嵌入合,使微型计算机具备更强的感式系统中的应用日益广泛知、分析和决策能力硬件系统设计系统架构设计硬件开发流程硬件关键技术确定微型计算机的硬件组成和主要部件的功包括需求分析、系统设计、原理图设计、掌握微处理器、存储器、接口电路、电源管能和接口，设计系统总线、存储器、输入输PCB布局、元器件选型、调试等环节，确保理等硬件电路设计的关键技术和最佳实践出设备等关键部分硬件系统可靠性和性能软件系统设计需求分析架构设计深入了解用户需求,确定软件的功能和性能要求设计软件的整体结构,确定各模块的功能和接口模块设计编码实现细化每个模块的设计,确保模块之间协调一致将设计转化为可执行的代码,确保代码质量和软件性能嵌入式系统概述嵌入式系统是指内置于各种电子设备和机械设备中的微型计算机系统与普通的计算机系统不同,嵌入式系统主要是通过软�件协调配合来执行特定的功能,不需要像通用计算机那样提供复杂的用户接口嵌入式系统广泛应用于消费电子、工业自动化、汽车电子、通信设备等领域,扮演着关键的角色它们具有体积小、功耗低、可靠性高等特点,能够在恶劣环境下稳定工作嵌入式操作系统实时性资源受限可靠性安全性嵌入式操作系统要求快速响应嵌入式系统通常有有限的内存嵌入式系统要求更高的可靠性针对嵌入式系统的特点，需要和处理实时数据输入和处理能力，需要高效利用资和容错性，避免非预期的系统更强的安全机制和防护措施源崩溃嵌入式系统开发工具集成开发环境硬件仿真器软件调试工具编程工具IDE嵌入式开发人员广泛使用集成仿真器能模拟嵌入式硬件,方嵌入式软件调试通常需要使用将编译好的固件烧录到嵌入式开发环境,如Eclipse、Visual便开发人员在实际硬件上线之专门的软件调试器,如GDB、设备需要专用的编程工具,如Studio和Keil uVision这些前进行软件调试常见的有J-Link和JTAG这些工具可XLoader、STM32烧录器等工具提供编码、编译、调试和QEMU、Simulator和ARM以单步执行、设置断点和查看这些工具可以快速、稳定地将烧录等一站式功能DS-5寄存器状态代码写入芯片实时操作系统实时操作系统架构实时任务调度中断响应机制实时操作系统采用模块化设计,包括实时内实时操作系统采用优先级抢占式调度算法,实时操作系统具有低延迟的中断响应机制,核、进程管理、内存管理、设备驱动等模块确保关键任务能够在规定时间内完成,提高能够快速处理外部设备产生的中断事件,保,满足不同应用场景的需求系统响应性证系统实时性实时系统设计系统需求分析确定系统的功能、性能需求、实时约束和安全性等关键指标架构设计选择适合的硬件平台和操作系统,并设计系统软硬件的整体架构任务调度制定任务调度策略,保证关键任务的及时响应和高优先级任务的执行通信协议设计可靠、实时的通信协议,确保设备间的快速数据传输故障处理针对系统故障制定冗余备份、错误诊断和自动恢复等应急措施实时系统性能评估实时系统性能评估是一个重要的过程,用于分析和改进实时系统的性能指标,如响应时间、吞吐量和资源利用率主要的性能评估方法包括模拟、基准测试和性能分析性能指标描述响应时间系统对外界输入反应的速度吞吐量单位时间内系统处理的数据量资源利用率系统资源使用的效率,如CPU、内存等通过系统地评估这些性能指标,可以帮助开发人员发现和解决性能瓶颈,优化实时系统的设计和实现案例分析在本节课中，我们将深入探讨几个嵌入式系统的典型案例通过分析这些案例，学生可以更好地理解嵌入式系统的设计和实现过程，以及面临的各种挑战我们将介绍智能家居系统、工业控制系统和医疗设备等不同领域的嵌入式系统案例每个案例都将涉及硬件架构、软件设计、通信协议、实时性要求等多个方面学生可以从中学习设计和调试嵌入式系统的实用技能总结与展望微机原理的重要性未来发展趋势微机原理是计算机科学的基础,随着技术的不断进步,未来微机掌握其工作原理和设计方法对于系统将实现更高性能、更低功耗开发应用系统至关重要和更小尺寸,应用范围也将进一步扩大创新应用设计创新性的微机系统应用设计,结合实际需求和新技术,将为未来社会发展带来翻天覆地的变革。