《中科大微機原理》課件

中科大微機原理歡迎來到中科大微機原理課程。本課程將深入探討計算機系統(tǒng)的核心原理，幫助你理解現(xiàn)代計算機的工作機制。by課程簡介理論基礎深入學習計算機硬件架構和工作原理。實踐應用通過實驗加深對微機系統(tǒng)的理解。前沿技術了解最新的微處理器發(fā)展趨勢。微機系統(tǒng)的基本組成中央處理器計算機的大腦，負責執(zhí)行指令和數據處理。存儲器用于存儲程序和數據的硬件設備。輸入輸出系統(tǒng)實現(xiàn)計算機與外部世界的信息交換?？偩€系統(tǒng)連接各個部件，實現(xiàn)數據傳輸。中央處理器CPU核心組件算術邏輯單元（ALU）控制單元（CU）寄存器組主要功能執(zhí)行指令數據處理系統(tǒng)控制CPU的工作原理1取指令從內存中讀取下一條要執(zhí)行的指令。2譯碼解析指令，確定操作和操作數。3執(zhí)行執(zhí)行指令指定的操作。4寫回將結果存儲到指定位置。CPU的指令系統(tǒng)數據傳送指令用于在寄存器、內存之間傳送數據。算術邏輯指令執(zhí)行加、減、乘、除等運算操作?？刂妻D移指令改變程序執(zhí)行順序，如跳轉和循環(huán)。系統(tǒng)指令用于控制CPU和系統(tǒng)狀態(tài)。存儲器系統(tǒng)1寄存器速度最快，容量最小2高速緩存速度快，容量小3主存儲器速度中等，容量大4輔助存儲器速度慢，容量最大存儲器的基本原理尋址確定要訪問的存儲單元地址。讀取從指定地址讀取數據。寫入將數據寫入指定地址。刷新動態(tài)存儲器需定期刷新以保持數據。存儲器的分類及特點易失性存儲器RAM（隨機訪問存儲器）掉電后數據丟失讀寫速度快非易失性存儲器ROM（只讀存儲器）Flash（閃存）掉電后數據保持輸入輸出系統(tǒng)輸入設備將信息輸入計算機，如鍵盤、鼠標。輸出設備將計算機信息輸出，如顯示器、打印機。接口連接外設和計算機內部系統(tǒng)。輸入輸出設備輸入輸出接口1數據緩沖暫存輸入輸出數據，協(xié)調速度差異。2控制和狀態(tài)寄存器存儲設備控制信息和當前狀態(tài)。3地址譯碼識別和選擇特定的I/O設備。4數據格式轉換在設備和系統(tǒng)間進行數據格式轉換?？偩€系統(tǒng)數據總線傳輸數據信息，雙向傳輸。地址總線傳輸地址信息，單向傳輸。控制總線傳輸控制信號，協(xié)調系統(tǒng)工作?？偩€的結構與類型單總線結構所有部件共用一條總線，結構簡單但效率低。多總線結構使用多條獨立總線，提高傳輸效率。分時總線在不同時間段傳輸不同類型的信息。分離總線將地址總線和數據總線分開，提高并行性?？偩€的時序與控制1總線請求設備發(fā)出使用總線的請求。2總線仲裁決定哪個設備可以使用總線。3數據傳輸進行實際的數據傳輸。4總線釋放傳輸完成后釋放總線。中斷機制暫停當前任務CPU暫停當前程序的執(zhí)行。切換上下文保存當前狀態(tài)，準備處理中斷。執(zhí)行中斷服務處理引發(fā)中斷的事件。恢復執(zhí)行中斷處理完畢后，恢復原程序執(zhí)行。中斷的原理和類型硬件中斷外部設備觸發(fā)如鍵盤輸入、定時器軟件中斷程序指令觸發(fā)如系統(tǒng)調用、異常中斷的處理過程中斷請求設備或程序發(fā)出中斷信號。中斷響應CPU檢測并接受中斷請求。中斷服務執(zhí)行相應的中斷處理程序。中斷返回恢復被中斷的程序執(zhí)行。程序的執(zhí)行過程1加載程序將程序從存儲設備加載到內存。2初始化設置程序運行所需的初始環(huán)境。3執(zhí)行指令CPU依次執(zhí)行程序中的指令。4終止程序程序執(zhí)行完畢，釋放資源。指令的執(zhí)行周期取指令從內存讀取指令到指令寄存器。譯碼分析指令，確定操作類型和操作數。執(zhí)行執(zhí)行指令指定的操作。寫回將執(zhí)行結果寫回到存儲器或寄存器。指令流水線技術1取指令從內存獲取指令。2譯碼解析指令內容。3執(zhí)行執(zhí)行指令操作。4訪存訪問內存數據。5寫回將結果寫回。指令流水線技術通過并行處理多條指令的不同階段，提高CPU的執(zhí)行效率。存儲器管理機制地址轉換將程序的邏輯地址轉換為物理地址。內存保護防止程序非法訪問其他程序的內存空間。內存分配為程序分配所需的內存空間。內存回收回收不再使用的內存空間。虛擬存儲技術原理將物理內存和外部存儲結合，提供更大的地址空間。優(yōu)點擴大可用內存簡化程序設計提高內存利用率頁式存儲管理頁面將虛擬地址空間劃分為固定大小的頁面。頁框物理內存被劃分為與頁面大小相同的頁框。頁表記錄頁面到頁框的映射關系。地址轉換通過頁表將虛擬地址轉換為物理地址。段式存儲管理特點按程序的邏輯結構劃分段段的長度可變更符合程序的邏輯結構實現(xiàn)段表記錄段的基地址和長度地址轉換通過段表完成緩存技術1L1緩存速度最快，容量最小2L2緩存速度快，容量較小3L3緩存速度較快，容量較大4主內存速度慢，容量大緩存的工作原理讀取請求CPU發(fā)出內存讀取請求。緩存檢查檢查數據是否在緩存中。緩存命中如果在緩存中，直接返回數據。緩存未命中從內存讀取數據并加載到緩存。緩存的性能分析95%命中率數據在緩存中找到的概率。10訪問時間緩存訪問時間（單位：納秒）。100內存訪問時間主內存訪問時間（單位：納秒）。高命中率和低訪問時間是評估緩存性能的關鍵指標。微處理器的發(fā)展趨勢多核技術增加處理器核心數量，提高并行處理能力。3D芯片堆疊通過垂直堆疊提高芯片密度和性能。AI加速器集成專用AI處理單