【大學(xué)課件】微型計算機(jī)系統(tǒng)

微型計算機(jī)系統(tǒng)本課程介紹微型計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成、工作原理和應(yīng)用。微型計算機(jī)系統(tǒng)概述核心處理信息，執(zhí)行指令。存儲器存儲數(shù)據(jù)和指令。輸入/輸出與外部世界交互。微型計算機(jī)系統(tǒng)的基本組成中央處理器(CPU)微型計算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令、控制數(shù)據(jù)流和處理信息。存儲器系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)和指令，包括主存儲器和輔助存儲器。輸入/輸出子系統(tǒng)用于接收外部數(shù)據(jù)和輸出處理結(jié)果，包括鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器等?？偩€連接系統(tǒng)各個部件，傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號。中央處理器(CPU)CPU是微型計算機(jī)系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)執(zhí)行程序指令，控制整個系統(tǒng)的運(yùn)作。它就像人腦一樣，負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)、執(zhí)行指令、控制系統(tǒng)工作。CPU的結(jié)構(gòu)和工作原理算術(shù)邏輯單元(ALU)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算，如加減乘除、比較、邏輯運(yùn)算等?？刂茊卧?CU)控制整個CPU的操作，包括指令的獲取、解碼、執(zhí)行和存儲。寄存器組存儲臨時數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果，如指令寄存器、程序計數(shù)器、累加器等。內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部各個部件，用于數(shù)據(jù)傳輸和控制信號傳遞。存儲器系統(tǒng)存儲器是計算機(jī)系統(tǒng)中用來存儲數(shù)據(jù)的部件，它可以分為主存儲器和輔助存儲器。主存儲器又稱為內(nèi)存，是CPU直接訪問的存儲器，速度快，容量較小，用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器又稱為外存，容量大，速度慢，主要用于長期保存數(shù)據(jù)和程序。主存儲器主要功能存儲正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)。CPU可以直接訪問主存儲器，速度快。類型主要有動態(tài)隨機(jī)存取存儲器(DRAM)和靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)。DRAM價格低廉，容量大，但速度較慢；SRAM速度快，價格高，容量小。輔助存儲器1容量大輔助存儲器容量通常比主存儲器更大，可以存儲更多數(shù)據(jù)和程序.2成本低與主存儲器相比，輔助存儲器的成本更低，更適合長期存儲數(shù)據(jù).3速度慢輔助存儲器的訪問速度比主存儲器慢，需要更長的時間讀取和寫入數(shù)據(jù).輸入/輸出子系統(tǒng)鍵盤用于輸入字符、數(shù)字和特殊符號。鼠標(biāo)用于控制光標(biāo)位置，執(zhí)行操作。顯示器用于顯示計算機(jī)的輸出信息。打印機(jī)用于將計算機(jī)中的數(shù)據(jù)打印到紙張上?？偩€數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)。地址總線用于指定內(nèi)存地址?？刂瓶偩€用于控制數(shù)據(jù)傳輸?？偩€的功能及分類數(shù)據(jù)傳輸在系統(tǒng)各個部件之間傳輸數(shù)據(jù)，例如CPU與內(nèi)存之間、CPU與外設(shè)之間。地址傳輸CPU通過總線向內(nèi)存或外設(shè)發(fā)送地址，以訪問指定的數(shù)據(jù)?？刂菩盘杺鬏擟PU通過總線控制其他部件的工作，例如讀寫操作、設(shè)備選擇等?？偩€的仲裁機(jī)制1集中式仲裁由一個專門的仲裁器來協(xié)調(diào)多個設(shè)備對總線的訪問。仲裁器根據(jù)一定的優(yōu)先級規(guī)則，決定哪個設(shè)備可以獲得總線控制權(quán)。2分散式仲裁每個設(shè)備都擁有一個仲裁邏輯，通過競爭的方式來爭奪總線控制權(quán)。例如，鏈?zhǔn)街俨煤头植际街俨谩?優(yōu)先級仲裁每個設(shè)備都有一個固定的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的設(shè)備優(yōu)先獲得總線控制權(quán)。例如，固定優(yōu)先級仲裁和輪詢仲裁。微型計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型計算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指其各個組成部分之間的相互連接方式和工作關(guān)系。常見的微型計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括：馮·諾依曼結(jié)構(gòu)、哈佛結(jié)構(gòu)等。微型計算機(jī)系統(tǒng)的分類1按用途分類微型計算機(jī)可分為通用型和專用型。2按性能分類微型計算機(jī)可分為低檔、中檔和高檔。3按體系結(jié)構(gòu)分類微型計算機(jī)可分為馮·諾依曼結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)。微型計算機(jī)的硬件系統(tǒng)微型計算機(jī)的硬件系統(tǒng)由多個相互關(guān)聯(lián)的部件組成，共同完成數(shù)據(jù)處理和信息交換的功能。這些部件包括：中央處理器(CPU)存儲器系統(tǒng)(內(nèi)存和外存)輸入/輸出子系統(tǒng)(鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等)總線系統(tǒng)(數(shù)據(jù)傳輸通道)微型計算機(jī)的軟件系統(tǒng)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)是管理和控制計算機(jī)硬件資源的軟件，為應(yīng)用程序提供運(yùn)行環(huán)境。應(yīng)用程序應(yīng)用程序是用戶執(zhí)行特定任務(wù)的軟件，例如文字處理、圖形設(shè)計、游戲等。操作系統(tǒng)管理硬件操作系統(tǒng)充當(dāng)用戶與計算機(jī)硬件之間的橋梁，管理硬件資源。提供用戶界面操作系統(tǒng)為用戶提供了一個友好的界面，方便用戶操作計算機(jī)。管理軟件操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載和運(yùn)行應(yīng)用程序，并協(xié)調(diào)不同應(yīng)用程序之間的運(yùn)行。應(yīng)用程序辦公軟件例如MicrosoftOffice、Office等，用于處理文檔、表格、演示文稿等。圖形圖像軟件例如AdobePhotoshop、CorelDRAW等，用于圖像編輯、設(shè)計、處理等。多媒體軟件例如WindowsMediaPlayer、RealPlayer等，用于播放音頻和視頻。網(wǎng)絡(luò)軟件例如瀏覽器、電子郵件客戶端、即時通訊工具等，用于訪問互聯(lián)網(wǎng)。微型計算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)指標(biāo)描述處理器性能處理數(shù)據(jù)的速度和效率，例如時鐘頻率和指令集。存儲器性能數(shù)據(jù)讀寫速度和容量，例如主存儲器和輔助存儲器的速度和大小。輸入/輸出性能數(shù)據(jù)傳輸速度和設(shè)備的兼容性，例如硬盤驅(qū)動器、網(wǎng)絡(luò)接口卡等?？煽啃院涂捎眯韵到y(tǒng)穩(wěn)定性、故障率和恢復(fù)能力，例如數(shù)據(jù)完整性和系統(tǒng)運(yùn)行時間。處理器性能1主頻處理器每秒執(zhí)行的指令周期數(shù)，單位是GHz.2核心數(shù)處理器包含的獨立計算單元數(shù)量，每個核心可以獨立處理數(shù)據(jù).3緩存大小處理器內(nèi)部存儲器容量，用于存儲常用的數(shù)據(jù)和指令，加快訪問速度.存儲器性能存儲器性能對于計算機(jī)系統(tǒng)整體效率至關(guān)重要.輸入/輸出性能指標(biāo)描述數(shù)據(jù)傳輸速率每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映了I/O設(shè)備與主存儲器之間的數(shù)據(jù)交換速度。響應(yīng)時間從I/O操作開始到完成所需要的時間，反映了系統(tǒng)對I/O請求的響應(yīng)速度。I/O帶寬單位時間內(nèi)能夠傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，反映了系統(tǒng)處理I/O請求的能力?？煽啃院涂捎眯云骄收祥g隔時間(MTBF)平均修復(fù)時間(MTTR)可靠性是指系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)正常運(yùn)行的能力，可用性是指系統(tǒng)可被使用的程度。這與系統(tǒng)故障率和修復(fù)時間密切相關(guān)。微型計算機(jī)系統(tǒng)的總線標(biāo)準(zhǔn)ISA總線ISA總線是IBM在1981年為IBMPC系列電腦設(shè)計的總線標(biāo)準(zhǔn)，是早期微型計算機(jī)中最常用的總線標(biāo)準(zhǔn)之一。PCI總線PCI總線是由英特爾公司在1992年推出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，其特點是高帶寬、高速度、易于擴(kuò)展，被廣泛應(yīng)用于各種微型計算機(jī)系統(tǒng)中。USB總線USB總線是通用串行總線標(biāo)準(zhǔn)，由英特爾、微軟、康柏等公司聯(lián)合開發(fā)，是一種應(yīng)用廣泛的總線標(biāo)準(zhǔn)，支持多種外設(shè)。ISA總線標(biāo)準(zhǔn)定義ISA(IndustryStandardArchitecture)總線是早期的個人計算機(jī)(PC)上使用的標(biāo)準(zhǔn)總線，為各種外設(shè)提供連接接口。特點ISA總線以其擴(kuò)展性強(qiáng)，可連接多種外設(shè)，以及兼容性良好而著稱。PCI總線標(biāo)準(zhǔn)1高速數(shù)據(jù)傳輸PCI總線提供比ISA總線更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持高速設(shè)備，如顯卡、網(wǎng)絡(luò)卡和硬盤控制器。2可擴(kuò)展性PCI總線支持插槽擴(kuò)展，允許添加更多設(shè)備，并可以根據(jù)需要進(jìn)行升級。3熱插拔PCI總線允許在系統(tǒng)運(yùn)行時添加或移除設(shè)備，無需關(guān)閉計算機(jī)。4廣泛應(yīng)用PCI總線已成為個人計算機(jī)中使用的主要總線標(biāo)準(zhǔn)之一，廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備。USB總線標(biāo)準(zhǔn)通用串行總線USB是一種串行總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接各種外設(shè)，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)、掃描儀、存儲設(shè)備等。熱插拔USB設(shè)備可以在系統(tǒng)運(yùn)行時連接和斷開，無需重新啟動計算機(jī)。即插即用USB設(shè)備通常不需要額外的驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)會自動識別并安裝它們。微型計算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1云計算和大數(shù)據(jù)2物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用3嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)是一種專門為特定應(yīng)用而設(shè)計的計算機(jī)系統(tǒng)，通常具有體積小、功耗低、成本低、可靠性高等特點。嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，例如：智能手機(jī)、汽車、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備等。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)(IoT)將物理世界與數(shù)字世界連接起來，通過傳感器、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)收集和交換數(shù)據(jù)。它在各種領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括智能家居、智慧城市、工業(yè)自動化和醫(yī)療保健。物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的例子包括：智能家居設(shè)備，如智能燈泡、智能恒溫器和智能安全系統(tǒng)；智慧城市解決方案，如智能交通管理、環(huán)境監(jiān)測和公共安全；工業(yè)自動化系統(tǒng)，如機(jī)器監(jiān)控、預(yù)測性維護(hù)和供應(yīng)鏈管理；醫(yī)療保健應(yīng)用，如遠(yuǎn)程患者監(jiān)測、可穿戴設(shè)備和醫(yī)療數(shù)據(jù)分析。云計算和大數(shù)據(jù)云計算和大數(shù)據(jù)