微機(jī)原理第五章課件XX有限公司20XX匯報(bào)人：XX目錄01微機(jī)原理基礎(chǔ)02微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)03微機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)04微機(jī)的中斷系統(tǒng)05微機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)技術(shù)06微機(jī)的總線技術(shù)微機(jī)原理基礎(chǔ)01微處理器概念微處理器是計(jì)算機(jī)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，是微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的大腦。微處理器的定義從4位到64位，微處理器經(jīng)歷了快速的發(fā)展，如Intel4004到現(xiàn)代的IntelCore系列處理器。微處理器的發(fā)展歷程微處理器主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)、控制單元(CU)和寄存器組構(gòu)成，共同完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。微處理器的組成010203微機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)CPU是微機(jī)的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)，例如Intel的Core系列處理器。中央處理單元(CPU)I/O系統(tǒng)負(fù)責(zé)微機(jī)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，例如USB接口和PCIe總線技術(shù)。輸入輸出(I/O)系統(tǒng)內(nèi)存管理單元(MMU)負(fù)責(zé)虛擬內(nèi)存到物理內(nèi)存的映射，如AMD的Ryzen處理器集成的內(nèi)存控制器。內(nèi)存管理微機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)存儲(chǔ)設(shè)備如硬盤(pán)和固態(tài)硬盤(pán)(SSD)用于長(zhǎng)期保存數(shù)據(jù)，例如西部數(shù)據(jù)(WD)的藍(lán)盤(pán)系列。存儲(chǔ)設(shè)備總線架構(gòu)連接各個(gè)組件，如PCI總線和DMI總線，它們決定了數(shù)據(jù)傳輸速率和效率?？偩€架構(gòu)指令集與尋址方式指令集架構(gòu)定義了微處理器能理解和執(zhí)行的指令類型，如x86、ARM等。01指令集架構(gòu)尋址模式?jīng)Q定了數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的位置，常見(jiàn)的有立即尋址、直接尋址、間接尋址等。02尋址模式概述寄存器尋址使用寄存器中的值作為操作數(shù)，是最快的尋址方式，如AX、BX寄存器。03寄存器尋址內(nèi)存尋址涉及從內(nèi)存中讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)，包括基址尋址、變址尋址等。04內(nèi)存尋址指令格式與編碼定義了如何在計(jì)算機(jī)中表示和存儲(chǔ)指令，影響指令的執(zhí)行效率。05指令格式與編碼微機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)02內(nèi)存結(jié)構(gòu)內(nèi)存由高速緩存、主存和輔助存儲(chǔ)構(gòu)成，層次分明，以滿足不同速度和容量的需求。內(nèi)存的層次結(jié)構(gòu)內(nèi)存條由多個(gè)存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)單元有唯一的地址，通過(guò)地址線進(jìn)行尋址。內(nèi)存的物理組織內(nèi)存訪問(wèn)包括隨機(jī)訪問(wèn)、順序訪問(wèn)等，不同的訪問(wèn)方式影響數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)速度和效率。內(nèi)存的訪問(wèn)方式外存接口技術(shù)硬盤(pán)接口技術(shù)包括SATA、SAS和NVMe等，它們決定了數(shù)據(jù)傳輸速率和存儲(chǔ)設(shè)備的性能。硬盤(pán)接口技術(shù)固態(tài)硬盤(pán)（SSD）使用SATA、PCIe等接口，提供高速數(shù)據(jù)讀寫(xiě)能力，改善系統(tǒng)響應(yīng)速度。固態(tài)硬盤(pán)接口光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器（CD/DVD）通常使用IDE或SATA接口，用于數(shù)據(jù)的讀取和備份。光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器接口USB閃存盤(pán)通過(guò)USB接口連接，便于數(shù)據(jù)的攜帶和交換，具有即插即用的便捷性。USB閃存盤(pán)接口存儲(chǔ)器管理虛擬內(nèi)存技術(shù)允許系統(tǒng)使用硬盤(pán)空間作為臨時(shí)內(nèi)存，提高多任務(wù)處理能力。虛擬內(nèi)存技術(shù)內(nèi)存分頁(yè)機(jī)制將物理內(nèi)存劃分為固定大小的頁(yè)，以實(shí)現(xiàn)更高效的內(nèi)存管理和保護(hù)。內(nèi)存分頁(yè)機(jī)制緩存一致性協(xié)議確保多級(jí)緩存系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的一致性，避免數(shù)據(jù)不一致導(dǎo)致的錯(cuò)誤。緩存一致性協(xié)議存儲(chǔ)器保護(hù)機(jī)制通過(guò)設(shè)置訪問(wèn)權(quán)限，防止程序非法訪問(wèn)或修改其他程序的內(nèi)存空間。存儲(chǔ)器保護(hù)機(jī)制微機(jī)的輸入輸出系統(tǒng)03輸入輸出接口并行接口允許數(shù)據(jù)同時(shí)在多個(gè)線路上傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，常用于打印機(jī)和外部存儲(chǔ)設(shè)備。并行接口串行接口一次只傳輸一位數(shù)據(jù)，雖然速度較慢，但連接簡(jiǎn)單，成本低，廣泛應(yīng)用于鼠標(biāo)和鍵盤(pán)等設(shè)備。串行接口輸入輸出接口USB接口支持熱插拔，即插即用，已成為現(xiàn)代計(jì)算機(jī)連接外部設(shè)備的主流接口，如U盤(pán)和移動(dòng)硬盤(pán)。USB接口01HDMI接口能夠傳輸未壓縮的視頻數(shù)據(jù)和壓縮或未壓縮的音頻數(shù)據(jù)，廣泛用于連接顯示器、電視和投影儀。HDMI接口02I/O控制方式01程序查詢方式程序查詢方式是早期微機(jī)中常見(jiàn)的I/O控制方式，CPU不斷檢查I/O設(shè)備狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。02中斷驅(qū)動(dòng)方式中斷驅(qū)動(dòng)方式允許CPU在等待I/O操作完成時(shí)執(zhí)行其他任務(wù)，提高了效率，如鍵盤(pán)輸入時(shí)的即時(shí)響應(yīng)。I/O控制方式DMA方式允許外設(shè)直接訪問(wèn)內(nèi)存，無(wú)需CPU介入，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，如硬盤(pán)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）I/O通道控制方式通過(guò)專用的通道處理器管理數(shù)據(jù)傳輸，減輕CPU負(fù)擔(dān)，適用于復(fù)雜的I/O操作。I/O通道控制方式外設(shè)連接技術(shù)USB接口廣泛用于連接各種外設(shè)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、打印機(jī)等，支持熱插拔和即插即用功能。USB接口技術(shù)并行通信技術(shù)通過(guò)并行端口連接外設(shè)，如打印機(jī)，傳輸速度快，但逐漸被USB等技術(shù)取代。并行通信技術(shù)串行通信技術(shù)通過(guò)串行端口連接外設(shè)，如調(diào)制解調(diào)器和某些打印機(jī)，雖然速度較慢，但成本低。串行通信技術(shù)無(wú)線技術(shù)如藍(lán)牙和Wi-Fi，使得外設(shè)連接更加靈活，無(wú)需物理線纜，適用于移動(dòng)設(shè)備和遠(yuǎn)程控制。無(wú)線連接技術(shù)微機(jī)的中斷系統(tǒng)04中斷機(jī)制原理中斷請(qǐng)求的產(chǎn)生微處理器在執(zhí)行程序時(shí)，外部設(shè)備或內(nèi)部條件變化可產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)。中斷返回與恢復(fù)中斷服務(wù)完成后，系統(tǒng)通過(guò)中斷返回指令恢復(fù)被中斷的任務(wù)，繼續(xù)執(zhí)行。中斷優(yōu)先級(jí)的判斷中斷服務(wù)程序的執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)規(guī)則，決定響應(yīng)哪個(gè)中斷請(qǐng)求，以保證關(guān)鍵任務(wù)的及時(shí)處理。一旦中斷被確認(rèn)，處理器會(huì)暫停當(dāng)前任務(wù)，轉(zhuǎn)而執(zhí)行與中斷相關(guān)的服務(wù)程序。中斷處理流程微處理器在執(zhí)行程序時(shí)，會(huì)檢測(cè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，確定是否有中斷事件發(fā)生。中斷請(qǐng)求的識(shí)別一旦識(shí)別到中斷請(qǐng)求，微處理器根據(jù)中斷類型查找中斷向量表，獲取中斷服務(wù)程序的入口地址。中斷向量的獲取微處理器暫停當(dāng)前程序，跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)程序執(zhí)行，處理中斷請(qǐng)求。中斷服務(wù)程序的執(zhí)行中斷服務(wù)完成后，通過(guò)執(zhí)行中斷返回指令，微處理器恢復(fù)執(zhí)行被中斷的程序。中斷返回中斷優(yōu)先級(jí)管理01在固定優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)中，中斷請(qǐng)求根據(jù)預(yù)設(shè)的優(yōu)先級(jí)順序被處理，如CPU中斷請(qǐng)求。02可編程優(yōu)先級(jí)系統(tǒng)允許操作系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)整中斷請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，以適應(yīng)不同的運(yùn)行環(huán)境。03中斷嵌套允許高優(yōu)先級(jí)中斷打斷低優(yōu)先級(jí)中斷的處理，確保關(guān)鍵任務(wù)的及時(shí)響應(yīng)。04通過(guò)軟件設(shè)置中斷屏蔽寄存器，可以臨時(shí)改變中斷的響應(yīng)優(yōu)先級(jí)，以優(yōu)化系統(tǒng)性能。固定優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)可編程優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)中斷嵌套處理中斷屏蔽與優(yōu)先級(jí)調(diào)整微機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)技術(shù)05定時(shí)器/計(jì)數(shù)器功能03定時(shí)器/計(jì)數(shù)器可觸發(fā)中斷，允許微處理器在特定時(shí)刻執(zhí)行特定任務(wù)，如任務(wù)調(diào)度。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的中斷處理02計(jì)數(shù)器用于記錄事件發(fā)生的次數(shù)，如外部脈沖信號(hào)的計(jì)數(shù)，常用于頻率測(cè)量。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)功能01定時(shí)器能夠以預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷信號(hào)，用于控制程序的執(zhí)行時(shí)間。定時(shí)器的基本功能04通過(guò)編程設(shè)置定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)間控制和事件計(jì)數(shù)，如定時(shí)提醒、計(jì)時(shí)器等。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的編程應(yīng)用定時(shí)/計(jì)數(shù)應(yīng)用實(shí)例在工業(yè)自動(dòng)化中，定時(shí)器用于精確控制生產(chǎn)線上的機(jī)器運(yùn)行時(shí)間，如自動(dòng)裝配線的周期性操作。工業(yè)自動(dòng)化控制操作系統(tǒng)使用定時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行任務(wù)調(diào)度，確保多任務(wù)處理的高效和有序進(jìn)行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)控微波爐、洗衣機(jī)等家用電器利用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)定時(shí)啟動(dòng)和關(guān)閉，提高用戶使用便利性。家用電器定時(shí)功能交通燈系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器控制紅綠燈的變換，以優(yōu)化交通流量和減少交通擁堵。交通信號(hào)燈控制01020304精確時(shí)間控制方法微機(jī)中硬件定時(shí)器可提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，用于執(zhí)行周期性任務(wù)或計(jì)時(shí)。01硬件定時(shí)器的使用通過(guò)編寫(xiě)中斷服務(wù)程序，微機(jī)可以在特定時(shí)間點(diǎn)響應(yīng)外部或內(nèi)部事件，實(shí)現(xiàn)精確控制。02中斷服務(wù)程序?qū)崟r(shí)時(shí)鐘(RTC)芯片能夠持續(xù)跟蹤真實(shí)時(shí)間，即使在系統(tǒng)斷電后也能保持時(shí)間的準(zhǔn)確性。03實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片微機(jī)的總線技術(shù)06總線標(biāo)準(zhǔn)與分類PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線是較早的局部總線標(biāo)準(zhǔn)，廣泛用于連接顯卡、聲卡等設(shè)備。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)ISA（IndustryStandardArchitecture）總線是早期PC機(jī)中使用的擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已基本被淘汰。ISA總線標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)與分類USB（UniversalSerialBus）總線是一種通用串行總線，支持熱插拔，廣泛應(yīng)用于各種外圍設(shè)備的連接。USB總線標(biāo)準(zhǔn)PCIExpress（PCIe）總線是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中使用的高速串行總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接顯卡、SSD等高速設(shè)備。PCIExpress總線標(biāo)準(zhǔn)總線仲裁機(jī)制優(yōu)先級(jí)仲裁集中式仲裁03優(yōu)先級(jí)仲裁根據(jù)設(shè)備的優(yōu)先級(jí)來(lái)決定總線使用權(quán)，高優(yōu)先級(jí)設(shè)備可以打斷低優(yōu)先級(jí)設(shè)備的傳輸。分布式仲裁01集中式仲裁通過(guò)一個(gè)中央仲裁器來(lái)決定哪個(gè)設(shè)備可以使用總線，如8086系統(tǒng)中的總線控制器。02分布式仲裁允許多個(gè)設(shè)備通過(guò)競(jìng)爭(zhēng)來(lái)獲得總線控制權(quán)，例如PCI總線使用的是分布式仲裁機(jī)制。令牌傳遞仲裁04令牌傳遞仲裁通過(guò)在設(shè)備間傳遞一個(gè)令牌來(lái)決定總線使用權(quán)，令牌持有者可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸