中科院自動化所考研之中科大微機原理課件-總復習篇本課件旨在幫助考生全面復習微機原理課程，涵蓋基礎知識、重點內容和常見考點。復習大綱及考試范圍考試內容主要內容涵蓋計算機系統硬件結構概述、數據表示及運算、存儲器系統、CPU的組成和工作過程、指令系統、指令執行機制、中斷系統、總線概念和接口標準、工作模式和運算方式、外圍設備接口和控制、微機系統軟硬件接口技術、微機系統性能評價、微機系統的主存管理、進程和線程管理、處理器調度和上下文切換、內存管理技術、虛擬存儲技術、文件管理和設備管理、輸入輸出技術、嵌入式系統概述、嵌入式操作系統、RTOS工作原理、嵌入式系統設計方法、嵌入式系統優化技術、嵌入式系統安全性、嵌入式系統實例分析、微機原理典型應用。考試形式閉卷考試，考試時間為120分鐘，滿分100分。參考教材《微型計算機原理及應用》（第五版），唐朔飛等著，清華大學出版社。計算機系統硬件結構概述中央處理器(CPU)計算機的大腦，執行指令和處理數據。內存(RAM)用于存儲正在運行的程序和數據。硬盤(HDD)用于長期存儲數據和程序。主板連接所有組件的電路板。數據表示及運算1進制轉換了解二進制、十進制、八進制、十六進制之間的轉換關系。2數據編碼掌握各種數據編碼方式，如ASCII碼、BCD碼、Gray碼等。3定點運算學習定點數的表示方法和加減乘除運算。4浮點運算理解浮點數的表示方式和加減乘除運算。存儲器系統存儲器分類主存、輔存、高速緩存（Cache）存儲器特性容量、速度、成本、功耗存儲器結構地址空間、存儲單元、存儲字長CPU的組成和工作過程1運算器負責執行算術運算和邏輯運算。2控制器負責控制整個CPU的工作過程。3寄存器組用于存儲指令、數據和中間運算結果。4指令周期取指、譯碼、執行、寫回四個階段，重復執行以完成指令。指令系統指令格式指令格式定義了指令的結構和組成，包括操作碼、操作數地址等。指令類型指令類型包括數據傳送、算術運算、邏輯運算、程序控制等。尋址方式尋址方式決定了CPU如何獲取操作數，包括立即尋址、直接尋址、間接尋址等。指令執行機制1指令譯碼將指令轉換為機器可理解的格式2操作數獲取從存儲器或寄存器中獲取操作數3執行操作執行指令指定的運算或操作4結果存儲將運算結果寫入存儲器或寄存器中斷系統中斷信號硬件或軟件事件觸發中斷請求，中斷控制器接收并處理請求。中斷處理CPU響應中斷，保存當前狀態，跳轉到中斷服務程序。中斷類型包括硬件中斷、軟件中斷和異常，分別由不同的事件觸發。總線概念和接口標準定義總線是連接計算機系統中各個部件之間的數據通路，負責在不同部件之間傳遞數據、控制信號和地址信息。分類總線可分為系統總線、外部總線和內部總線，根據傳輸信息的類型又可分為數據總線、地址總線和控制總線。標準常見的總線標準包括PCI、ISA、AGP、USB、SATA等，每個標準都定義了總線的傳輸方式、數據寬度、時鐘頻率等技術參數。工作模式和運算方式1實地址模式實地址模式是CPU的基本工作模式，它使用20位地址線，直接訪問1MB的物理內存。2保護模式保護模式是一種更高級的工作模式，它引入了內存保護機制，允許多個程序同時運行。3運算方式微機系統支持多種運算方式，包括算術運算、邏輯運算、移位運算和字符串操作等。外圍設備接口和控制USB接口通用串行總線(UniversalSerialBus)是一種串行總線標準，用于連接外圍設備，例如鍵盤、鼠標、打印機等。網絡接口網絡接口卡(NetworkInterfaceCard)允許計算機連接到網絡，如以太網、無線網絡等。視頻接口視頻接口用于連接顯示器，例如VGA、HDMI、DVI等。微機系統軟硬件接口技術中斷機制中斷是硬件和軟件交互的重要手段。中斷允許外設在需要時向CPU發出信號，打斷CPU的正常運行，從而及時處理外設請求。DMA傳輸DMA傳輸允許外設直接訪問主存，無需CPU介入，提高了數據傳輸效率。DMA控制器負責數據傳輸的控制，減輕了CPU的負擔。I/O端口I/O端口是CPU與外設之間進行數據交換的橋梁。CPU可以通過I/O端口控制外設，并接收外設傳來的數據。設備驅動程序設備驅動程序是連接硬件和軟件的橋梁。它負責管理外設的運行，并為應用程序提供統一的接口。微機系統性能評價指標描述速度執行指令的速度，通常用每秒執行的指令數（MIPS）或每秒執行的浮點運算數（MFLOPS）來衡量。吞吐量單位時間內系統處理的數據量，通常用每秒傳輸的數據量（Mbps）來衡量。響應時間系統對請求做出響應的時間，通常用毫秒（ms）或微秒（μs）來衡量。可靠性系統正常工作的時間比例，通常用平均無故障時間（MTBF）來衡量。可擴展性系統在不影響性能的情況下增加硬件或軟件的能力。成本系統開發、維護和使用的成本，通常用每年的成本（美元）來衡量。微機系統的主存管理內存分配管理內存分配給不同進程，防止沖突和資源浪費。內存保護保護每個進程的內存空間，防止一個進程訪問或修改另一個進程的內存。內存共享允許不同的進程共享內存區域，提高資源利用率。內存回收釋放不再使用的內存空間，以便其他進程使用。進程和線程管理進程是操作系統分配資源的基本單位。線程是操作系統調度的基本單位。進程和線程管理主要包括進程創建、撤銷、阻塞、喚醒、掛起、激活等操作。處理器調度和上下文切換1調度算法先來先服務、最短作業優先、時間片輪轉2上下文切換保存當前進程狀態，加載新進程狀態3調度策略搶占式調度、非搶占式調度內存管理技術內存碎片內存分配過程中可能出現碎片，導致可用內存分散，降低系統效率。分頁管理將物理內存和邏輯地址空間劃分為固定大小的頁面，實現地址轉換和內存共享。分段管理將邏輯地址空間劃分為若干大小可變的段，支持程序的模塊化和內存保護。虛擬存儲技術虛擬存儲技術概念虛擬存儲技術是一種內存管理技術，它允許程序使用比物理內存更大的地址空間。虛擬存儲技術原理虛擬存儲技術通過將程序分成若干個頁面，并將頁面存儲在磁盤上，當需要使用某個頁面時，將其調入內存。虛擬存儲技術類型虛擬存儲技術主要包括分頁式虛擬存儲和分段式虛擬存儲。虛擬存儲技術優點虛擬存儲技術可以提高內存利用率，允許運行更大的程序，并且能夠減少內存碎片。文件管理和設備管理1文件系統文件系統提供了一種組織和管理文件的方法，方便用戶訪問和操作文件。2設備驅動程序設備驅動程序負責與外圍設備進行通信和控制，確保設備能夠正常工作。3內存管理技術內存管理技術負責分配和回收內存資源，優化內存使用效率，避免資源浪費。輸入輸出技術輸入設備輸入設備將外部信息轉換為計算機可識別的信號，例如鍵盤、鼠標、掃描儀等。輸出設備輸出設備將計算機內部信息轉換為人可以理解的形式，例如顯示器、打印機、音箱等。I/O接口I/O接口是連接輸入輸出設備和計算機的橋梁，負責數據傳輸和控制。嵌入式系統概述嵌入式系統是將計算機技術應用于特定應用領域的系統，其特點是專用性強、實時性高、可靠性強、體積小、成本低，廣泛應用于各種電子設備中。嵌入式系統通常由硬件和軟件組成，其中硬件部分包括微處理器、存儲器、外圍設備等，軟件部分包括操作系統、應用程序等。嵌入式操作系統實時性實時性是嵌入式操作系統的主要特點之一，它能夠在特定時間內完成指定的任務。資源受限嵌入式系統通常運行在內存和存儲空間有限的設備上，操作系統需要優化資源使用。可定制性嵌入式系統通常需要根據具體應用場景進行定制，操作系統需提供靈活的配置選項。RTOS工作原理任務調度RTOS負責管理和調度多個任務，根據優先級、時間片等因素選擇下一個執行的任務。內存管理RTOS提供內存分配和管理機制，確保不同任務之間不會發生沖突。通信機制RTOS支持任務之間的通信，例如消息隊列、信號量等，使任務之間能夠協作工作。時間管理RTOS提供定時器和時間管理功能，用于實現實時任務的準確執行。嵌入式系統設計方法需求分析深入了解系統功能、性能、成本、可靠性等需求，明確設計目標。系統架構設計劃分模塊，確定硬件和軟件之間的接口，選擇合適的處理器、存儲器、外設等。軟件設計編寫嵌入式軟件代碼，包括驅動程序、應用程序、操作系統等。硬件設計設計電路板、選擇元器件，實現硬件功能，與軟件接口協同工作。測試與調試進行硬件和軟件測試，發現和解決問題，確保系統功能和性能滿足要求。系統集成將硬件和軟件整合在一起，形成完整的系統，并進行最終測試和驗證。嵌入式系統優化技術優化性能:提高速度、降低能耗。優化內存:減少內存占用，提高效率。優化安全性:增強系統防御能力，防范攻擊。嵌入式系統安全性數據保護確保敏感數據的機密性、完整性和可用性。網絡安全保護嵌入式系統免受網絡攻擊，例如惡意軟件、拒絕服務攻擊和數據竊取。物理安全防止對硬件的未經授權的訪問，例如設備丟失、損壞或篡改。嵌入式系統實例分析我們將分析一些現實世界的嵌入式系統例子，例如智能手機、無人機、物聯網設備等，以幫助你理解嵌入式系統的實際應用和設計原理。通過這些實例分析，你將更深刻地理解嵌入式系統的關鍵概念和設計原則，并能夠將其應用到實際的項目開發中。微機原理典型應用1嵌入式系統微機原理在嵌入式系統設計和開發中扮演著重要角色，例如智能手機、汽車電子、工業自動化等。2網絡通信網絡路由器、交換機、服務器等設備的硬件架構和通信協議都基于微機原理。3數據處理微機原理是數據中心、云計算、大數據等領域的關鍵技術基礎