《片微型计算机原理》课件

微型计算机原理欢迎来到微型计算机原理课程本课程将深入探讨计算机系统的核心概念和工作原理，为您打开数字世界的大门课程简介基础知识系统架构介绍计算机硬件和软件的基本概念深入了解计算机系统的组成部分及其相互关系实践应用前沿技术学习汇编语言编程和嵌入式系统设计探讨微处理器的最新发展趋势和应用领域计算机系统的基本组成中央处理器存储系统计算机的大脑，负责执行指令和数据用于存储程序和数据的硬件设备处理输入系统输出系统允许用户向计算机输入数据和命令将计算结果呈现给用户的设备中央处理器CPU控制单元1协调和控制整个CPU的操作算术逻辑单元2执行算术和逻辑运算寄存器组3存储临时数据和指令缓存4加速数据访问的高速存储器的主要功能CPU指令获取从内存中读取指令指令解码分析指令的操作码和操作数指令执行执行解码后的指令结果存储将执行结果存入指定位置数据表示和运算二进制系统数据类型运算规则计算机使用二进制表示所有数据0和1整数、浮点数、字符和布尔值是常见的CPU执行加、减、乘、除等基本运算，是基本单位，称为比特数据类型每种类型有特定的表示方法还能进行逻辑运算如与、或、非存储系统内部存储器外部存储器包括和，直接与如硬盘、，容量大但速度较RAM ROMCPU SSD交互，速度快但容量有限慢，用于长期数据存储缓存存储器虚拟内存位于CPU和主存之间，提高数据利用硬盘空间扩展物理内存，增访问速度加可用内存容量存储器的分类易失性存储器1断电后数据丢失，如RAM非易失性存储器2断电后数据保留，如、闪存ROM随机访问存储器3可以随机读写任意位置的数据顺序访问存储器4按特定顺序访问数据，如磁带和RAM ROM（随机访问存储器）（只读存储器）RAM ROM可读可写只读不可写••易失性存储非易失性存储••用于暂时存储程序和数据存储固件和启动程序••输入输出系统输入设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪等，用于数据输显示器、打印机等，用于数据输出入接口设备驱动程序I/O连接CPU和外部设备，管理数据传输控制硬件设备的软件接口和设备I/O串行接口并行接口如、，一次传输一如、并口，同时传输多位USB SATASCSI位数据数据无线接口总线接口如、蓝牙，实现无线数如、，用于连接内部Wi-Fi PCIPCIe据传输组件总线系统地址总线传输内存或设备的地址I/O数据总线在和其他组件间传输数据CPU控制总线传输控制信号，协调系统操作时钟信号和控制信号时钟信号控制信号提供系统的基本时序，同步各部件的工作时钟频率决定了包括读写信号、中断信号等用于协调CPU、内存和I/O设备的CPU的工作速度工作指令系统复杂指令集CISC1指令数量多，功能复杂精简指令集RISC2指令数量少，执行快速超长指令字VLIW3并行执行多条简单指令显式并行指令计算EPIC4结合和特点RISC VLIW指令的基本格式操作码源操作数指定要执行的操作，如加法、减指定操作的数据来源法等目的操作数寻址方式指定操作结果的存放位置指定如何获取操作数，如直接寻址、间接寻址等指令周期与流水线1234取指译码执行写回从内存读取指令解析指令内容执行指令操作将结果写入存储器微操作与微程序控制微操作微程序微程序控制CPU内部执行的基本操作单元，如寄存由微操作序列组成，用于实现机器指令使用微程序来控制CPU的工作流程，提器传送、算术运算等存储在控制存储器中高灵活性和可维护性汇编语言程序设计了解指令集编写源代码12学习目标处理器的指令集架构使用汇编语言指令编写程序汇编链接34将汇编代码转换为机器码将多个目标文件链接成可执行文件汇编指令与伪指令汇编指令伪指令对应处理器的机器指令，如、、等直接转换为由汇编器处理的指令，如、、等用于定义MOV ADDJMP DBEQU SEGMENT机器码数据、符号和程序结构段寄存器和地址计算（代码段）（数据段）CS DS指向当前执行的代码段指向程序的数据段（堆栈段）（附加段）SS ES指向当前的堆栈段用于额外的数据引用子程序和中断处理子程序调用保存返回地址，跳转到子程序子程序执行执行特定任务返回主程序恢复现场，继续主程序执行中断处理响应外部事件，执行中断服务程序算数逻辑单元ALU算术运算逻辑运算加、减、乘、除等基本运算与、或、非等逻辑操作比较运算移位运算大小比较和相等性判断数据的左移和右移操作移位操作和位操作算术移位逻辑移位循环移位保留符号位的移位操作，用于有符号数不考虑符号位的移位操作，常用于无符将移出的位重新移入另一端，用于加密的乘除运算号数处理和校验微处理器的发展趋势多核技术1增加处理器核心数量，提高并行处理能力堆叠3D2通过垂直堆叠晶体管，提高集成度异构计算3结合、等不同类型处理器CPU GPU量子计算4利用量子力学原理，突破传统计算瓶颈微处理器的应用领域单片机和微控制器集成度高功耗低将CPU、存储器、I/O接口集成在一个芯片上适用于便携式和嵌入式设备实时性强应用广泛能快速响应外部事件家电、汽车电子、工业控制等领域嵌入式系统设计需求分析确定系统功能和性能要求硬件选型选择合适的处理器和外围设备软件开发编写和调试嵌入式软件系统集成将硬件和软件组合成完整系统数据采集与控制系统传感器转换A/D收集环境数据将模拟信号转换为数字信号处理器执行器分析数据并做出决策执行控制命令智能硬件和物联网云服务1数据存储和分析网络层2数据传输和通信网关层3数据汇聚和预处理感知层4数据采集和设备控制发展前景与展望人工智能芯片边缘计算专为AI应用优化的处理器将更将计算能力下沉到数据源附近加普及，减少延迟新型计算架构绿色计算神经形态计算等新技术将推动更加注重能效和环保的计算技计算性能提升术将成为趋势。