《存儲(chǔ)程序控制原理》課件

《存儲(chǔ)程序控制原理》探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本工作原理，掌握存儲(chǔ)程序控制的核心概念和執(zhí)行流程。從指令系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、中央處理器等硬件層面全面理解程序控制的機(jī)制。課程目標(biāo)掌握存儲(chǔ)程序控制的基本概念了解什么是存儲(chǔ)程序控制以及其工作原理。理解存儲(chǔ)程序控制的基本組成學(xué)習(xí)存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)的核心部件及其功能。掌握存儲(chǔ)程序控制的應(yīng)用場景探討存儲(chǔ)程序控制在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。展望存儲(chǔ)程序控制的發(fā)展趨勢預(yù)測未來存儲(chǔ)程序控制技術(shù)的創(chuàng)新方向。什么是存儲(chǔ)程序控制存儲(chǔ)程序控制是計(jì)算機(jī)的一種工作方式,它將程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中,通過順序執(zhí)行存儲(chǔ)的指令來實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的運(yùn)作。這種方式與早期的硬線編程相比,更加靈活和高效。存儲(chǔ)程序控制的核心是將程序指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中,由中央處理器按照順序執(zhí)行這些指令,從而實(shí)現(xiàn)各種計(jì)算和控制功能。這種方式大大提高了計(jì)算機(jī)的靈活性和通用性。存儲(chǔ)程序控制的優(yōu)勢靈活性強(qiáng)存儲(chǔ)程序控制可以通過修改程序輕松實(shí)現(xiàn)功能變更和更新,適應(yīng)性強(qiáng)。資源利用高效單一硬件可以完成不同功能,大幅提升資源利用率和系統(tǒng)性能?？煽啃愿咤e(cuò)誤修復(fù)和維護(hù)更加便捷,系統(tǒng)故障率大幅降低,可靠性顯著提升。功能擴(kuò)展容易通過增加或修改程序,可以方便地拓展系統(tǒng)新功能,適應(yīng)不同需求。存儲(chǔ)程序控制的基本組成中央處理器中央處理器是存儲(chǔ)程序控制的核心部件,負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。它包括算術(shù)邏輯單元、控制單元和寄存器等功能模塊。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù),包括ROM、RAM等不同類型。它們?yōu)橹醒胩幚砥魈峁┳x取和寫入數(shù)據(jù)的能力。輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備負(fù)責(zé)與外部世界進(jìn)行交互,如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等,為用戶提供數(shù)據(jù)輸入和結(jié)果輸出的渠道。存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)的工作原理1指令拉取從內(nèi)存中取出指令2指令譯碼解碼取出的指令3操作執(zhí)行按指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的操作4結(jié)果存儲(chǔ)將操作結(jié)果保存到內(nèi)存或寄存器中在存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)中,整個(gè)工作過程是通過CPU不斷地從內(nèi)存中取出指令、對其進(jìn)行譯碼和執(zhí)行,并將結(jié)果存回內(nèi)存或寄存器來實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)循環(huán)執(zhí)行過程就是存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)的工作原理。指令定義指令是存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)執(zhí)行特定操作的編碼命令。它是計(jì)算機(jī)能夠理解并執(zhí)行的基本單元。作用指令用于控制計(jì)算機(jī)硬件完成各種運(yùn)算和功能,是程序執(zhí)行的基礎(chǔ)。特點(diǎn)指令采用標(biāo)準(zhǔn)格式,包含操作碼和地址碼等信息,能夠被CPU讀取和解碼執(zhí)行。分類指令類型包括數(shù)據(jù)傳輸、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、程序控制等多種。指令的格式操作碼指令的操作碼部分用于指明執(zhí)行何種操作，如加、減、存儲(chǔ)等。操作數(shù)指令的操作數(shù)部分包含執(zhí)行操作所需的數(shù)據(jù)或地址信息。長度指令長度根據(jù)不同的系統(tǒng)和架構(gòu)而有所不同，通常為4到16位。指令的執(zhí)行過程取指從內(nèi)存中取出當(dāng)前指令。譯碼確定指令的類型和操作需求。執(zhí)行根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。存儲(chǔ)將執(zhí)行結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器或內(nèi)存。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心部件之一,用于存儲(chǔ)程序指令和數(shù)據(jù)。它能夠快速訪問存儲(chǔ)的信息,為計(jì)算機(jī)提供及時(shí)的信息支持。存儲(chǔ)器的速度和容量直接影響著計(jì)算機(jī)的整體性能。存儲(chǔ)器可以根據(jù)存儲(chǔ)方式劃分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。RAM可以讀寫,提供臨時(shí)存儲(chǔ);ROM只能讀取,儲(chǔ)存永久性程序和數(shù)據(jù)。兩種存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中發(fā)揮著不同的重要作用。存儲(chǔ)器的基本概念內(nèi)存容量存儲(chǔ)器的容量決定了計(jì)算機(jī)可以存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量。容量越大,計(jì)算機(jī)可以處理的信息就越多。訪問速度存儲(chǔ)器的訪問速度決定了計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)的效率。訪問速度越快,系統(tǒng)響應(yīng)就越迅捷。模塊化設(shè)計(jì)現(xiàn)代存儲(chǔ)器采用模塊化設(shè)計(jì),可根據(jù)需求靈活配置和擴(kuò)展,滿足不同應(yīng)用場景的需求。存儲(chǔ)器的分類按存取方式存儲(chǔ)器可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。RAM可讀寫,ROM只讀。按物理特性存儲(chǔ)器還可分為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)器和光學(xué)存儲(chǔ)器。前者采用集成電路技術(shù),后兩者利用磁性和光學(xué)原理。按功能存儲(chǔ)器可分為主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器為CPU提供數(shù)據(jù)和程序,輔助存儲(chǔ)器用于長期存儲(chǔ)。按易失性存儲(chǔ)器還可分為易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。前者斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失,后者可長期保存數(shù)據(jù)。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)基本結(jié)構(gòu)RAM由大量存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)單元可以獨(dú)立存取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以隨機(jī)讀取和修改,不受存儲(chǔ)位置的影響。易失性RAM屬于易失性存儲(chǔ)器,斷電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失。需要持續(xù)供電才能保持?jǐn)?shù)據(jù)。讀寫能力RAM支持快速讀寫數(shù)據(jù),是CPU主要的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。適用于存儲(chǔ)程序運(yùn)行時(shí)的中間結(jié)果。只讀存儲(chǔ)器(ROM)固定內(nèi)容只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的數(shù)據(jù)無法被用戶修改,主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本程序和固定數(shù)據(jù)?？焖僭L問與其他存儲(chǔ)器相比,ROM具有更快的訪問速度,非常適用于需要快速讀取的程序和數(shù)據(jù)。掉電保存即使斷電,ROM中的數(shù)據(jù)也能永久保存,不會(huì)發(fā)生丟失。這使其成為理想的系統(tǒng)啟動(dòng)存儲(chǔ)器。程序計(jì)數(shù)器1程序計(jì)數(shù)器的作用程序計(jì)數(shù)器用于存儲(chǔ)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令在內(nèi)存中的地址。它能確保程序能夠按正確的順序執(zhí)行指令。2程序計(jì)數(shù)器的更新在執(zhí)行完一條指令后,程序計(jì)數(shù)器會(huì)自動(dòng)增加,以指向下一條待執(zhí)行的指令。3程序控制的轉(zhuǎn)移當(dāng)遇到跳轉(zhuǎn)指令時(shí),程序計(jì)數(shù)器會(huì)跳轉(zhuǎn)到新的地址,改變程序的執(zhí)行流程。程序執(zhí)行過程1獲取指令從內(nèi)存中讀取下一條指令。2指令譯碼確定指令的操作碼和操作數(shù)。3指令執(zhí)行執(zhí)行相應(yīng)的操作并產(chǎn)生結(jié)果。4更新程序計(jì)數(shù)器更新程序計(jì)數(shù)器以指向下一條指令。程序執(zhí)行的整個(gè)過程是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過程。CPU不斷重復(fù)獲取指令、執(zhí)行指令、更新程序計(jì)數(shù)器的步驟,直到程序執(zhí)行完畢。這種基于指令的順序執(zhí)行模式稱為存儲(chǔ)程序控制技術(shù)。中央處理器中央處理器的主要功能中央處理器是計(jì)算機(jī)的核心部件,負(fù)責(zé)執(zhí)行存儲(chǔ)程序控制中的指令,協(xié)調(diào)和控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行。其主要功能包括數(shù)據(jù)處理、程序控制和輸入輸出控制。中央處理器的主要功能算數(shù)運(yùn)算中央處理器負(fù)責(zé)執(zhí)行基本的算數(shù)運(yùn)算,如加、減、乘、除等。這是CPU最核心的功能之一。邏輯運(yùn)算中央處理器還可以執(zhí)行邏輯運(yùn)算,如與、或、非等操作,用于處理數(shù)據(jù)的邏輯關(guān)系?？刂乒δ苤醒胩幚砥髫?fù)責(zé)控制整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行,包括指令的獲取、解碼和執(zhí)行等。存儲(chǔ)功能中央處理器可以臨時(shí)存儲(chǔ)和訪問程序及數(shù)據(jù),為計(jì)算提供所需的信息。累加器數(shù)據(jù)處理中樞累加器作為中央處理器的核心部件,負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算,是數(shù)據(jù)處理的中樞。臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)運(yùn)算所需的中間結(jié)果和運(yùn)算參數(shù)等數(shù)據(jù)會(huì)臨時(shí)存儲(chǔ)在累加器中,為后續(xù)指令執(zhí)行提供支持。性能關(guān)鍵因素累加器的工作速度和性能直接影響中央處理器的整體效率和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行速度。寄存器1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元寄存器是存儲(chǔ)各種類型數(shù)據(jù)的專門電路單元,用于暫時(shí)保存指令和操作數(shù)。2高速訪問寄存器具有更高的訪問速度和更低的延遲,可以快速為CPU提供所需信息。3分類豐富不同類型的寄存器包括通用寄存器、地址寄存器、程序計(jì)數(shù)器、狀態(tài)寄存器等。4核心地位寄存器在存儲(chǔ)程序控制計(jì)算機(jī)中擔(dān)任關(guān)鍵角色,是CPU運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。控制單元控制功能控制單元負(fù)責(zé)對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)組件進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制,確保指令和數(shù)據(jù)能夠按預(yù)定的順序和時(shí)序被正確地傳輸、處理和執(zhí)行。指令解碼和執(zhí)行控制單元從存儲(chǔ)器中獲取指令,對指令進(jìn)行解碼,并根據(jù)指令內(nèi)容對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)部件發(fā)出相應(yīng)的控制信號,以實(shí)現(xiàn)指令的執(zhí)行。時(shí)間序列控制控制單元還負(fù)責(zé)產(chǎn)生各種時(shí)序信號,同步協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各部件的工作,確保它們能夠按預(yù)期的時(shí)間順序進(jìn)行操作。算術(shù)邏輯單元功能算術(shù)邏輯單元(ALU)是計(jì)算機(jī)的核心部件之一,負(fù)責(zé)執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。它可以進(jìn)行加、減、乘、除等基本算術(shù)運(yùn)算,也可以執(zhí)行位操作、比較、布爾運(yùn)算等邏輯操作。結(jié)構(gòu)ALU由各種加法器、移位器、比較器等電路模塊組成,通過這些模塊完成各種復(fù)雜的數(shù)學(xué)和邏輯運(yùn)算。它接收來自寄存器的操作數(shù),在控制單元的控制下執(zhí)行指令,并將結(jié)果送回寄存器。作用ALU是CPU的核心引擎,負(fù)責(zé)執(zhí)行基本的算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它的性能直接影響到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行速度和效率。因此,設(shè)計(jì)高性能的ALU是CPU設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,負(fù)責(zé)與外界交互。輸入設(shè)備將外界信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識別的數(shù)字形式,如鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀等。輸出設(shè)備則將計(jì)算機(jī)處理后的信息以人類易于識別的形式展現(xiàn)出來,如顯示器、打印機(jī)等。輸入輸出設(shè)備的協(xié)調(diào)配合是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的關(guān)鍵所在,確保信息的高效傳遞和處理。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,輸入輸出設(shè)備的種類和功能也越趨豐富多樣,為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能和用戶體驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。輸入輸出設(shè)備的工作過程1數(shù)據(jù)輸入通過鍵盤、鼠標(biāo)等設(shè)備將用戶輸入的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。數(shù)據(jù)首先被轉(zhuǎn)換為電信號,然后存儲(chǔ)到內(nèi)存中供后續(xù)處理使用。2數(shù)據(jù)處理CPU接收輸入數(shù)據(jù),根據(jù)存儲(chǔ)程序中的指令執(zhí)行各種運(yùn)算和邏輯操作,產(chǎn)生輸出結(jié)果。3數(shù)據(jù)輸出經(jīng)過CPU處理后的數(shù)據(jù)通過顯示器、打印機(jī)等設(shè)備輸出,呈現(xiàn)給用戶。輸出設(shè)備將電信號轉(zhuǎn)換為文字、圖像等形式。總線總線概述總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制信號交換的公共通道。它是整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各部件間的通信和數(shù)據(jù)交換?？偩€的分類根據(jù)功能不同,總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。地址總線用于傳輸?shù)刂沸畔?數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù),控制總線傳輸控制信號?？偩€的時(shí)序總線的時(shí)序包括讀時(shí)序和寫時(shí)序,決定了數(shù)據(jù)和地址信號在總線上的傳輸時(shí)序和時(shí)間關(guān)系?？偩€仲裁機(jī)制總線仲裁機(jī)制用于協(xié)調(diào)多個(gè)部件對總線的爭用,如集中式仲裁和分布式仲裁?？偩€的分類1數(shù)據(jù)總線用于在CPU和存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。其寬度決定了每次可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。2地址總線用于指示數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備中的位置。其寬度決定了可尋址的存儲(chǔ)空間大小。3控制總線用于傳送各組件之間的控制信號,如讀寫控制、時(shí)序控制等。確保系統(tǒng)正常工作。4時(shí)鐘總線用于同步系統(tǒng)各組件的工作時(shí)序,確保它們按預(yù)定順序協(xié)調(diào)工作?？偩€的時(shí)序10ns時(shí)鐘周期總線信號以固定的時(shí)鐘周期進(jìn)行傳輸和同步100MHz總線時(shí)鐘頻率高速總線典型的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到100MHz以上2信號相位總線主要有數(shù)據(jù)相位和地址相位兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)序5ns傳輸延遲總線信號在傳輸過程中會(huì)有5納秒左右的延遲總線的時(shí)序是指總線上各種信號的傳輸時(shí)間關(guān)系?？偩€信號以固定的時(shí)鐘周期進(jìn)行同步傳輸,典型總線時(shí)鐘頻率可以達(dá)到100MHz以上。總線主要有數(shù)據(jù)相位和地址相位兩個(gè)關(guān)鍵時(shí)序,在傳輸過程中會(huì)有5納秒左右的延遲。總線仲裁機(jī)制優(yōu)先級仲裁根據(jù)事先確定的優(yōu)先級順序，決定哪個(gè)設(shè)備可以先獲得總線控制權(quán)。輪詢仲裁采用循環(huán)的方式依次檢查每個(gè)設(shè)備是否需要總線，從而公平地分配總線。請求/授權(quán)機(jī)制設(shè)備向總線控制器發(fā)出請求總線的信號，控制器根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行授權(quán)。存儲(chǔ)程序控制的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化存儲(chǔ)程序控制廣泛應(yīng)用于工廠自動(dòng)化,可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的精確控制和優(yōu)化,提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。家庭智能化存儲(chǔ)程序控制技術(shù)讓家