《存儲程序控制原理》課件

存儲程序控制原理了解計算機(jī)如何執(zhí)行指令課程主要內(nèi)容與學(xué)習(xí)目標(biāo)1存儲程序控制原理了解計算機(jī)如何執(zhí)行程序的根本原理。2計算機(jī)硬件基本構(gòu)成掌握計算機(jī)的主要硬件部件及其功能。3指令系統(tǒng)與指令執(zhí)行理解指令的分類、執(zhí)行過程以及相關(guān)概念。4存儲器管理與訪問學(xué)習(xí)存儲器尋址方式、中斷機(jī)制等重要內(nèi)容。什么是存儲程序控制?指令序列計算機(jī)執(zhí)行任務(wù)的步驟被組織成一系列指令，存儲在內(nèi)存中，稱為程序?？刂茊卧刂茊卧獜膬?nèi)存中讀取并解釋這些指令，告訴其他硬件組件如何執(zhí)行操作。順序執(zhí)行計算機(jī)按照程序的順序執(zhí)行指令，直到遇到停止指令或錯誤。計算機(jī)硬件基本構(gòu)成中央處理器(CPU)計算機(jī)的大腦，負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和處理數(shù)據(jù)。內(nèi)存(RAM)臨時存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域，供CPU快速訪問。存儲器(硬盤)長期存儲數(shù)據(jù)的區(qū)域，保存程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備連接計算機(jī)與外部世界的接口，例如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器。存儲器的基本概念數(shù)據(jù)存儲存儲器用于存儲數(shù)據(jù)和程序指令，是計算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。信息保存存儲器可以保存信息，即使計算機(jī)關(guān)閉后，信息也不會丟失。信息訪問CPU可以快速訪問存儲器中的數(shù)據(jù)和指令，完成運(yùn)算和控制任務(wù)。不同類型存儲器的特點(diǎn)主存儲器速度快，容量相對較小，直接與CPU交互，用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)。輔助存儲器速度慢，容量大，用于長期保存數(shù)據(jù)和程序，例如硬盤、光盤等。高速緩存速度更快，容量更小，用于存儲CPU訪問頻率較高的數(shù)據(jù)，提高程序執(zhí)行效率。CPU及其功能部件運(yùn)算器進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算控制器控制整個計算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行寄存器組臨時存儲數(shù)據(jù)和指令指令的基本概念計算機(jī)指令是計算機(jī)執(zhí)行的一條命令，它告訴計算機(jī)要做什么，以及如何做。指令由操作碼和操作數(shù)組成，操作碼指明要執(zhí)行的操作，操作數(shù)指明操作的對象。指令以二進(jìn)制形式存儲在計算機(jī)的內(nèi)存中，CPU通過讀取并執(zhí)行指令來完成計算任務(wù)。指令的分類與特點(diǎn)數(shù)據(jù)處理指令用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和邏輯操作。例如，加、減、乘、除、邏輯運(yùn)算、比較等。數(shù)據(jù)傳送指令用于在CPU、存儲器、IO設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)，例如，MOV、LOAD、STORE等?？刂妻D(zhuǎn)移指令用于改變程序執(zhí)行順序，例如，跳轉(zhuǎn)指令、條件跳轉(zhuǎn)指令等。指令執(zhí)行的基本過程1取指CPU從內(nèi)存中讀取下一條指令。2譯碼CPU將指令分解成機(jī)器可以理解的格式。3執(zhí)行CPU根據(jù)指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。4寫回CPU將執(zhí)行結(jié)果寫入內(nèi)存或寄存器。程序計數(shù)器及其作用1指令地址程序計數(shù)器（PC）存儲著下一條要執(zhí)行指令的地址。2順序執(zhí)行在程序正常執(zhí)行過程中，PC的值會自動加1，指向下一條指令的地址。3跳轉(zhuǎn)指令遇到跳轉(zhuǎn)指令時，PC會被修改為目標(biāo)指令的地址，改變程序執(zhí)行流程。指令寄存器及其作用指令寄存器用于存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。它是一個特殊的寄存器，CPU直接從它中讀取指令進(jìn)行執(zhí)行。作用確保CPU在正確的時間獲取正確的指令并執(zhí)行。指令寄存器是CPU執(zhí)行指令的關(guān)鍵部件之一，它是實現(xiàn)存儲程序控制的關(guān)鍵。地址寄存器及其作用1存儲器地址地址寄存器用來存放要訪問的存儲單元的地址。2指令執(zhí)行在指令執(zhí)行過程中，地址寄存器會根據(jù)指令中的地址碼，確定要訪問的存儲單元，并將地址信號傳送到存儲器控制電路。3數(shù)據(jù)傳輸?shù)刂芳拇嫫魇沁B接CPU與存儲器之間的橋梁，它負(fù)責(zé)傳遞地址信息，從而實現(xiàn)CPU與存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)總線與地址總線數(shù)據(jù)總線用于傳輸數(shù)據(jù)，例如指令、操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果。地址總線用于指定內(nèi)存單元的地址，以便CPU訪問特定內(nèi)存單元。控制總線及其作用數(shù)據(jù)傳輸方向控制總線用于控制數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各部件之間傳輸?shù)姆较?，例如CPU向內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)或從內(nèi)存讀取數(shù)據(jù)。指令執(zhí)行控制控制總線負(fù)責(zé)向系統(tǒng)中各個部件發(fā)送控制信號，控制每個部件的行為，如啟動、停止、讀寫等操作。同步與協(xié)調(diào)控制總線協(xié)調(diào)各個部件之間的工作，確保數(shù)據(jù)和指令的同步傳輸，以保證整個系統(tǒng)的正常運(yùn)作。存儲器訪問控制地址譯碼將邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程。讀寫控制根據(jù)指令要求進(jìn)行讀操作或?qū)懖僮?。?shù)據(jù)傳輸在CPU和存儲器之間傳輸數(shù)據(jù)。存儲器尋址方式直接尋址指令中直接給出操作數(shù)的地址。寄存器尋址指令中給出操作數(shù)所在的寄存器編號。間接尋址指令中給出的是操作數(shù)地址的地址。中斷機(jī)制的基本概念中斷請求中斷請求信號來自外設(shè)或內(nèi)部事件，告訴CPU處理緊急事件。中斷處理程序中斷處理程序是專門的代碼，用于處理特定中斷事件，執(zhí)行相應(yīng)的操作。中斷向量表中斷向量表存儲了不同中斷類型對應(yīng)的處理程序地址，方便CPU快速找到相應(yīng)的程序。中斷處理的一般過程中斷請求當(dāng)CPU正在執(zhí)行程序時，如果發(fā)生了中斷事件，相應(yīng)的硬件會向CPU發(fā)送中斷請求信號。CPU響應(yīng)CPU暫停當(dāng)前程序的執(zhí)行，保存當(dāng)前程序的執(zhí)行狀態(tài)，并根據(jù)中斷類型找到相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。中斷處理CPU執(zhí)行中斷服務(wù)程序，處理中斷事件，并更新相應(yīng)的硬件或軟件狀態(tài)。返回中斷處理完成后，CPU恢復(fù)之前程序的執(zhí)行狀態(tài)，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的程序。中斷類型及其優(yōu)先級時鐘中斷由系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生，用于定時任務(wù)。鍵盤中斷用戶按下鍵盤按鍵時觸發(fā)。鼠標(biāo)中斷用戶移動或點(diǎn)擊鼠標(biāo)時觸發(fā)。磁盤中斷磁盤操作完成時觸發(fā)。中斷服務(wù)程序的編寫編寫原則中斷服務(wù)程序應(yīng)高效，快速處理中斷事件，并盡快恢復(fù)被中斷程序的執(zhí)行狀態(tài)。中斷服務(wù)程序需確保數(shù)據(jù)完整性，避免數(shù)據(jù)丟失或錯誤。常見步驟保存現(xiàn)場處理中斷恢復(fù)現(xiàn)場返回中斷點(diǎn)直接存儲器訪問(DMA)1數(shù)據(jù)傳輸DMA技術(shù)允許外設(shè)直接訪問內(nèi)存，無需CPU干預(yù)。2效率DMA可以顯著提高數(shù)據(jù)傳輸速度，減輕CPU負(fù)擔(dān)。3控制DMA控制器負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)傳輸過程，包括地址、大小和優(yōu)先級等。DMA的工作原理及特點(diǎn)直接內(nèi)存訪問DMA，直接內(nèi)存訪問，允許I/O設(shè)備直接讀寫內(nèi)存，無需CPU介入。提高效率減輕CPU負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)整體效率，尤其在高速數(shù)據(jù)傳輸場景中。硬件支持需要專用DMA控制器，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)I/O設(shè)備和內(nèi)存之間的傳輸。IO設(shè)備的接口與控制USB接口通用串行總線(USB)是一種常用的連接標(biāo)準(zhǔn)，用于連接各種外圍設(shè)備，例如鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等。它提供了一種簡單而通用的方法來連接和管理設(shè)備。HDMI接口高清晰度多媒體接口(HDMI)用于連接音頻/視頻設(shè)備，例如顯示器、電視、投影儀等。它提供高質(zhì)量的數(shù)字音頻和視頻信號傳輸，支持高分辨率和多聲道音頻。網(wǎng)絡(luò)接口網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)用于連接到網(wǎng)絡(luò)，例如以太網(wǎng)、Wi-Fi等。它允許計算機(jī)與其他設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，共享資源和信息。程序的執(zhí)行過程與調(diào)試1編譯將高級語言代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器指令2鏈接將多個目標(biāo)文件合并成可執(zhí)行文件3加載將可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存中4執(zhí)行CPU執(zhí)行指令并操作數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制與虛擬存儲器1保護(hù)機(jī)制防止不同用戶之間相互干擾，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。2虛擬存儲器將程序邏輯地址映射到物理地址，擴(kuò)大可訪問內(nèi)存空間。3分頁系統(tǒng)將內(nèi)存和外存劃分為固定大小的頁面，實現(xiàn)內(nèi)存的動態(tài)分配。4分段系統(tǒng)將程序邏輯地址劃分為不同長度的段，便于程序管理和共享。小結(jié)與拓展思考掌握存儲程序控制原理的關(guān)鍵在于理解其工作機(jī)制、指令執(zhí)行流程和硬件組成。思考計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢，例如云計算、大數(shù)據(jù)等如何與存儲程序控制原理相結(jié)合。深入學(xué)習(xí)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)等相關(guān)知識，拓展對存儲程序控制原理的理解。課堂練習(xí)與討論本節(jié)課結(jié)束后，我們將進(jìn)行課堂練習(xí)，鞏固對存儲程序控制原理的理解。例如，我們可以嘗試用匯編語言編寫簡單的程序，模擬數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存儲和讀取過程。