《存储程序控制原理》课件

存储程序控制原理了解计算机如何执行指令课程主要内容与学习目标1存储程序控制原理了解计算机如何执行程序的根本原理。2计算机硬件基本构成掌握计算机的主要硬件部件及其功能。3指令系统与指令执行理解指令的分类、执行过程以及相关概念。4存储器管理与访问学习存储器寻址方式、中断机制等重要内容。什么是存储程序控制?指令序列计算机执行任务的步骤被组织成一系列指令，存储在内存中，称为程序。控制单元控制单元从内存中读取并解释这些指令，告诉其他硬件组件如何执行操作。顺序执行计算机按照程序的顺序执行指令，直到遇到停止指令或错误。计算机硬件基本构成中央处理器(CPU)计算机的大脑，负责执行指令和处理数据。内存(RAM)临时存储数据的区域，供CPU快速访问。存储器(硬盘)长期存储数据的区域，保存程序和数据。输入/输出设备连接计算机与外部世界的接口，例如键盘、鼠标、显示器。存储器的基本概念数据存储存储器用于存储数据和程序指令，是计算机系统的重要组成部分。信息保存存储器可以保存信息，即使计算机关闭后，信息也不会丢失。信息访问CPU可以快速访问存储器中的数据和指令，完成运算和控制任务。不同类型存储器的特点主存储器速度快，容量相对较小，直接与CPU交互，用于存放正在执行的程序和数据。辅助存储器速度慢，容量大，用于长期保存数据和程序，例如硬盘、光盘等。高速缓存速度更快，容量更小，用于存储CPU访问频率较高的数据，提高程序执行效率。CPU及其功能部件运算器进行算术运算和逻辑运算控制器控制整个计算机系统的运行寄存器组临时存储数据和指令指令的基本概念计算机指令是计算机执行的一条命令，它告诉计算机要做什么，以及如何做。指令由操作码和操作数组成，操作码指明要执行的操作，操作数指明操作的对象。指令以二进制形式存储在计算机的内存中，CPU通过读取并执行指令来完成计算任务。指令的分类与特点数据处理指令用于对数据进行运算和逻辑操作。例如，加、减、乘、除、逻辑运算、比较等。数据传送指令用于在CPU、存储器、IO设备之间传送数据，例如，MOV、LOAD、STORE等。控制转移指令用于改变程序执行顺序，例如，跳转指令、条件跳转指令等。指令执行的基本过程1取指CPU从内存中读取下一条指令。2译码CPU将指令分解成机器可以理解的格式。3执行CPU根据指令执行相应的操作。4写回CPU将执行结果写入内存或寄存器。程序计数器及其作用1指令地址程序计数器（PC）存储着下一条要执行指令的地址。2顺序执行在程序正常执行过程中，PC的值会自动加1，指向下一条指令的地址。3跳转指令遇到跳转指令时，PC会被修改为目标指令的地址，改变程序执行流程。指令寄存器及其作用指令寄存器用于存放当前正在执行的指令。它是一个特殊的寄存器，CPU直接从它中读取指令进行执行。作用确保CPU在正确的时间获取正确的指令并执行。指令寄存器是CPU执行指令的关键部件之一，它是实现存储程序控制的关键。地址寄存器及其作用1存储器地址地址寄存器用来存放要访问的存储单元的地址。2指令执行在指令执行过程中，地址寄存器会根据指令中的地址码，确定要访问的存储单元，并将地址信号传送到存储器控制电路。3数据传输地址寄存器是连接CPU与存储器之间的桥梁，它负责传递地址信息，从而实现CPU与存储器之间的数据传输。数据总线与地址总线数据总线用于传输数据，例如指令、操作数和运算结果。地址总线用于指定内存单元的地址，以便CPU访问特定内存单元。控制总线及其作用数据传输方向控制总线用于控制数据在系统各部件之间传输的方向，例如CPU向内存写入数据或从内存读取数据。指令执行控制控制总线负责向系统中各个部件发送控制信号，控制每个部件的行为，如启动、停止、读写等操作。同步与协调控制总线协调各个部件之间的工作，确保数据和指令的同步传输，以保证整个系统的正常运作。存储器访问控制地址译码将逻辑地址转换为物理地址的过程。读写控制根据指令要求进行读操作或写操作。数据传输在CPU和存储器之间传输数据。存储器寻址方式直接寻址指令中直接给出操作数的地址。寄存器寻址指令中给出操作数所在的寄存器编号。间接寻址指令中给出的是操作数地址的地址。中断机制的基本概念中断请求中断请求信号来自外设或内部事件，告诉CPU处理紧急事件。中断处理程序中断处理程序是专门的代码，用于处理特定中断事件，执行相应的操作。中断向量表中断向量表存储了不同中断类型对应的处理程序地址，方便CPU快速找到相应的程序。中断处理的一般过程中断请求当CPU正在执行程序时，如果发生了中断事件，相应的硬件会向CPU发送中断请求信号。CPU响应CPU暂停当前程序的执行，保存当前程序的执行状态，并根据中断类型找到相应的中断服务程序。中断处理CPU执行中断服务程序，处理中断事件，并更新相应的硬件或软件状态。返回中断处理完成后，CPU恢复之前程序的执行状态，继续执行被中断的程序。中断类型及其优先级时钟中断由系统时钟产生，用于定时任务。键盘中断用户按下键盘按键时触发。鼠标中断用户移动或点击鼠标时触发。磁盘中断磁盘操作完成时触发。中断服务程序的编写编写原则中断服务程序应高效，快速处理中断事件，并尽快恢复被中断程序的执行状态。中断服务程序需确保数据完整性，避免数据丢失或错误。常见步骤保存现场处理中断恢复现场返回中断点直接存储器访问(DMA)1数据传输DMA技术允许外设直接访问内存，无需CPU干预。2效率DMA可以显著提高数据传输速度，减轻CPU负担。3控制DMA控制器负责管理数据传输过程，包括地址、大小和优先级等。DMA的工作原理及特点直接内存访问DMA，直接内存访问，允许I/O设备直接读写内存，无需CPU介入。提高效率减轻CPU负担，提高系统整体效率，尤其在高速数据传输场景中。硬件支持需要专用DMA控制器，负责协调I/O设备和内存之间的传输。IO设备的接口与控制USB接口通用串行总线(USB)是一种常用的连接标准，用于连接各种外围设备，例如键盘、鼠标、打印机等。它提供了一种简单而通用的方法来连接和管理设备。HDMI接口高清晰度多媒体接口(HDMI)用于连接音频/视频设备，例如显示器、电视、投影仪等。它提供高质量的数字音频和视频信号传输，支持高分辨率和多声道音频。网络接口网络接口卡(NIC)用于连接到网络，例如以太网、Wi-Fi等。它允许计算机与其他设备和网络进行通信，共享资源和信息。程序的执行过程与调试1编译将高级语言代码转换为机器指令2链接将多个目标文件合并成可执行文件3加载将可执行文件加载到内存中4执行CPU执行指令并操作数据保护机制与虚拟存储器1保护机制防止不同用户之间相互干扰，保证系统安全运行。2虚拟存储器将程序逻辑地址映射到物理地址，扩大可访问内存空间。3分页系统将内存和外存划分为固定大小的页面，实现内存的动态分配。4分段系统将程序逻辑地址划分为不同长度的段，便于程序管理和共享。小结与拓展思考掌握存储程序控制原理的关键在于理解其工作机制、指令执行流程和硬件组成。思考计算机技术的发展趋势，例如云计算、大数据等如何与存储程序控制原理相结合。深入学习计算机体系结构和操作系统等相关知识，拓展对存储程序控制原理的理解。课堂练习与讨论本节课结束后，我们将进行课堂练习，巩固对存储程序控制原理的理解。例如，我们可以尝试用汇编语言编写简单的程序，模拟数据在内存中的存储和读取过程。