《存儲(chǔ)器與總線實(shí)驗(yàn)》課件

《存儲(chǔ)器與總線實(shí)驗(yàn)》課程概述本實(shí)驗(yàn)課程旨在深入探討計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器和總線的工作原理。通過實(shí)驗(yàn)操作,學(xué)生能夠?qū)嶋H了解不同種類的存儲(chǔ)器,以及總線在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要作用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容1檢驗(yàn)存儲(chǔ)器基本概念通過實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)存儲(chǔ)器的基本性質(zhì)和工作原理,加深對(duì)存儲(chǔ)器特性的理解。2掌握存儲(chǔ)器的訪問方式實(shí)踐不同的存儲(chǔ)器讀寫操作,熟悉存儲(chǔ)器的尋址和時(shí)序控制。3了解總線系統(tǒng)工作機(jī)制學(xué)習(xí)總線的基本概念、分類和工作原理,掌握總線的仲裁和控制。4設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器與總線接口設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器和總線之間的硬件接口,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩者之間的傳輸。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前需要準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)桌、計(jì)算機(jī)、儀器等基本實(shí)驗(yàn)設(shè)備,確保實(shí)驗(yàn)過程中能夠順利進(jìn)行。元件準(zhǔn)備根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求準(zhǔn)備好所需的電子元件,如IC、電阻、電容等,確保元件的性能指標(biāo)符合實(shí)驗(yàn)需求。預(yù)習(xí)材料在實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?nèi)容和步驟,并預(yù)習(xí)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí),為實(shí)驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備。存儲(chǔ)器的基本概念數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存儲(chǔ)器用于暫時(shí)或永久地存儲(chǔ)數(shù)字信息,包括程序指令和數(shù)據(jù)。它是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。讀寫能力存儲(chǔ)器可以通過存儲(chǔ)單元的讀寫操作訪問和修改其中的信息,為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供高速可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與訪問。尋址機(jī)制存儲(chǔ)器采用獨(dú)特的地址編碼方式,通過給定的地址標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)單元的物理位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的快速定位和訪問。工作原理存儲(chǔ)器的工作原理是將數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在物理存儲(chǔ)介質(zhì)上,并通過讀寫電路進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換與處理。存儲(chǔ)器的分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類包括半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁性存儲(chǔ)器、光學(xué)存儲(chǔ)器等不同類型的存儲(chǔ)器。每種存儲(chǔ)介質(zhì)有其特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。按存儲(chǔ)特性分類包括易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器。前者斷電后數(shù)據(jù)丟失,后者斷電數(shù)據(jù)仍保留。按存儲(chǔ)容量/速度分類包括主存儲(chǔ)器、緩存存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器等不同層次的存儲(chǔ)器,根據(jù)性能和成本的不同而劃分。存儲(chǔ)器的工作原理1數(shù)據(jù)讀取通過尋址獲取存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)緩存將數(shù)據(jù)暫存于內(nèi)部寄存器以供快速訪問3數(shù)據(jù)操作對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼、解碼、邏輯運(yùn)算等處理4數(shù)據(jù)寫入將處理后的數(shù)據(jù)寫回存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)器的工作原理主要包括數(shù)據(jù)的讀取、緩存、操作和寫入四個(gè)步驟。通過地址尋址獲取存儲(chǔ)單元中的數(shù)據(jù),將其暫存于內(nèi)部寄存器以實(shí)現(xiàn)快速訪問,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼解碼、邏輯運(yùn)算等處理,最后將處理結(jié)果寫回存儲(chǔ)單元。這些步驟構(gòu)成了存儲(chǔ)器的基本工作流程。存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)100M吞吐率每秒處理的數(shù)據(jù)量10ns訪問時(shí)間讀取或?qū)懭氪鎯?chǔ)單元所需的時(shí)間99.9999%可靠性數(shù)據(jù)不丟失或錯(cuò)誤的概率100TB存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)設(shè)備的最大存儲(chǔ)量主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中直接與中央處理器(CPU)交換數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)設(shè)備,如DRAM和SRAM。它提供快速高效的數(shù)據(jù)存取,用于程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)處理。輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器指用于長期存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和程序的存儲(chǔ)設(shè)備,如硬盤、光盤和磁帶。它容量大、價(jià)格低廉,但訪問速度較慢。用于保存大量不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器的訪問方式1順序訪問順序存取是指從存儲(chǔ)器的起始地址開始,依次訪問每個(gè)存儲(chǔ)單元。通常用于磁帶等輔助存儲(chǔ)器中。2隨機(jī)訪問隨機(jī)存取是指可以直接訪問存儲(chǔ)器中的任意存儲(chǔ)單元,而不需要經(jīng)過中間單元。通常用于主存儲(chǔ)器中。3頁式訪問頁式存取將存儲(chǔ)器劃分成多個(gè)固定大小的頁面,通過頁號(hào)和頁內(nèi)地址進(jìn)行訪問。用于虛擬存儲(chǔ)器中。4段式訪問段式存取將存儲(chǔ)器劃分成大小不等的段,通過段號(hào)和段內(nèi)地址進(jìn)行訪問。用于虛擬存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器的尋址方式直接尋址通過存儲(chǔ)單元的物理地址直接訪問數(shù)據(jù)的方式。簡單易懂,但地址空間受物理內(nèi)存大小限制。間接尋址先訪問存儲(chǔ)地址,再通過該地址獲取實(shí)際數(shù)據(jù)地址的方式。靈活性高,但需額外訪存周期?；穼ぶ防没芳拇嫫骱推屏抗餐瑯?gòu)成存儲(chǔ)單元地址的方式?？蓪?shí)現(xiàn)地址的動(dòng)態(tài)變化和擴(kuò)展。相對(duì)尋址以程序計(jì)數(shù)器或其他寄存器的內(nèi)容作為基準(zhǔn),通過偏移量訪問目標(biāo)地址的方式。編程靈活?？偩€的基本概念定義總線是計(jì)算機(jī)中用于連接各個(gè)部件的共享傳輸線路。它負(fù)責(zé)在不同組件之間傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。組成總線由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線三部分組成。它們協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各部件的數(shù)據(jù)傳輸和控制。功能總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的通信紐帶。它負(fù)責(zé)在CPU、內(nèi)存、外設(shè)等組件之間傳輸信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。重要性高效的總線設(shè)計(jì)直接影響計(jì)算機(jī)的整體性能?？偩€的帶寬、時(shí)序和仲裁策略都是決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素?？偩€的分類并行總線多位數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸,提高傳輸速度,適用于高數(shù)據(jù)率的系統(tǒng)。串行總線單位數(shù)據(jù)逐個(gè)傳輸,成本低,適用于低數(shù)據(jù)率、長距離的系統(tǒng)。同步總線所有設(shè)備都依據(jù)同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)工作,傳輸時(shí)序確定,易于控制。異步總線設(shè)備之間通過握手信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,不需要統(tǒng)一時(shí)鐘,靈活性強(qiáng)?？偩€的工作原理1數(shù)據(jù)傳輸總線負(fù)責(zé)在計(jì)算機(jī)各部件之間傳輸數(shù)據(jù)、地址和控制信號(hào)。2時(shí)序控制總線提供時(shí)鐘信號(hào),確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐胶陀行蜻M(jìn)行。3地址尋址總線上的地址信號(hào)用于定位要訪問的存儲(chǔ)單元或外設(shè)?？偩€作為計(jì)算機(jī)各部件之間的通信媒介,其工作原理主要包括三個(gè)方面:數(shù)據(jù)傳輸、時(shí)序控制和地址尋址。通過這些功能,總線可以在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中協(xié)調(diào)各部件的工作,實(shí)現(xiàn)高效可靠的信息交換。總線的性能指標(biāo)總線的性能指標(biāo)包括帶寬、時(shí)鐘頻率、傳輸速率、響應(yīng)時(shí)間和吞吐量等多個(gè)方面。這些指標(biāo)反映了總線的傳輸能力和性能水平,是評(píng)判總線性能的重要標(biāo)準(zhǔn)?？偩€的仲裁機(jī)制總線仲裁當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)請(qǐng)求使用總線時(shí),需要一種仲裁機(jī)制來決定哪個(gè)設(shè)備獲得總線的使用權(quán)。這可以提高總線的利用率和系統(tǒng)性能。優(yōu)先級(jí)機(jī)制常見的仲裁方式包括按固定優(yōu)先級(jí)、輪詢、隨機(jī)選擇等。優(yōu)先級(jí)機(jī)制可以確保關(guān)鍵設(shè)備能夠及時(shí)獲得總線使用權(quán)。硬件仲裁采用專門的仲裁控制器來管理和調(diào)度總線的使用,可以實(shí)現(xiàn)快速、公平的仲裁決策。這是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中普遍采用的方式。并行總線和串行總線并行總線同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)的總線,相比串行總線傳輸速度更快,但結(jié)構(gòu)和布線更復(fù)雜。主要用于直接內(nèi)存訪問(DMA)和圖形處理器等對(duì)帶寬要求高的場合。串行總線逐位傳輸數(shù)據(jù)的總線,傳輸速度較慢,但結(jié)構(gòu)簡單,廣泛用于外圍設(shè)備通信,如USB、UART、SATA等接口。帶寬對(duì)比并行總線可以提供更高的帶寬,但成本和功耗也更高。串行總線雖然帶寬相對(duì)較低,但結(jié)構(gòu)更簡單,廣泛應(yīng)用于外設(shè)連接。存儲(chǔ)器與總線的接口存儲(chǔ)器與總線的連接存儲(chǔ)器與總線通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線相互連接,實(shí)現(xiàn)地址尋址、數(shù)據(jù)讀寫和傳輸控制等功能。讀寫時(shí)序協(xié)議存儲(chǔ)器讀寫操作需要遵循特定的時(shí)序協(xié)議,以確保數(shù)據(jù)的正確傳輸。這包括地址穩(wěn)定、數(shù)據(jù)有效、讀寫控制等關(guān)鍵時(shí)序。總線接口電路為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與總線的高效連接,需要設(shè)計(jì)合理的總線接口電路,包括地址解碼、數(shù)據(jù)緩沖、時(shí)序控制等模塊。存儲(chǔ)器讀寫操作的時(shí)序1尋址階段首先根據(jù)指令地址對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址,激活對(duì)應(yīng)的行和列地址。2讀寫階段對(duì)選定的單元進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮?數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器和CPU之間傳輸。3訪問結(jié)束當(dāng)讀寫完成后,結(jié)束本次存儲(chǔ)器訪問,等待下一次指令的執(zhí)行。總線控制信號(hào)的作用時(shí)序控制總線控制信號(hào)用于在主設(shè)備和從設(shè)備之間協(xié)調(diào)時(shí)序,確保讀寫操作的正確執(zhí)行。地址選擇控制信號(hào)用于識(shí)別和激活特定的存儲(chǔ)器或I/O設(shè)備,以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。傳輸方向控制信號(hào)確定數(shù)據(jù)在總線上的傳輸方向,是從CPU到內(nèi)存還是從內(nèi)存到CPU?？偩€仲裁控制信號(hào)用于協(xié)調(diào)多個(gè)設(shè)備對(duì)總線的共享訪問,避免沖突?？偩€電平和傳輸規(guī)范電平規(guī)范總線信號(hào)有高電平和低電平兩種狀態(tài),通常使用5V或3.3V邏輯電平。高電平表示邏輯"1",低電平表示邏輯"0"。嚴(yán)格的電平要求確保信號(hào)的可靠傳輸。傳輸規(guī)范總線傳輸采用雙端差分信號(hào),提高了信號(hào)完整性和抗干擾能力。同時(shí)還有特定的時(shí)序要求,如建立時(shí)間、保持時(shí)間等,確保數(shù)據(jù)在時(shí)鐘沿切換時(shí)能被正確采樣。線纜規(guī)范采用專門的屏蔽線纜,能最大限度降低噪音干擾。線纜特性如特性阻抗、容性等也有標(biāo)準(zhǔn)要求,以維持良好的信號(hào)完整性。終端電阻線路終端需要匹配阻抗,使用合適的終端電阻,消除信號(hào)反射,減少噪音和失真。終端電阻的選擇對(duì)總線性能有重要影響?？偩€電路的硬件設(shè)計(jì)1驅(qū)動(dòng)電路總線電路需要包含能夠驅(qū)動(dòng)總線信號(hào)的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)電路,確保信號(hào)完整傳輸。2仲裁邏輯總線仲裁電路負(fù)責(zé)調(diào)度多個(gè)設(shè)備對(duì)總線的并發(fā)訪問,確保公平性。3時(shí)序控制精確的時(shí)序控制電路是關(guān)鍵,以匹配不同設(shè)備的訪問時(shí)序要求。4ESD保護(hù)總線線路需要靜電放電保護(hù)電路,提高系統(tǒng)抗干擾能力。總線通信協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議總線通信協(xié)議定義了數(shù)據(jù)在總線上傳輸?shù)母袷胶鸵?guī)則,確保各設(shè)備能夠順利交換信息。它包括數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)、信號(hào)編碼、時(shí)序控制等內(nèi)容。互操作性保障標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議使不同制造商生產(chǎn)的設(shè)備可以無縫集成,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和兼容性。傳輸效率優(yōu)化協(xié)議設(shè)計(jì)還考慮了如何減少傳輸開銷、提高帶寬利用率,提升總線系統(tǒng)的整體性能?？蓴U(kuò)展性支持靈活的協(xié)議結(jié)構(gòu)使得總線能夠適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求,為未來拓展提供空間。存儲(chǔ)器映射和I/O映射1存儲(chǔ)器映射將外圍設(shè)備地址與內(nèi)存地址空間進(jìn)行映射，使CPU能夠直接訪問外圍設(shè)備。這種方式提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。2I/O映射將外圍設(shè)備地址與特殊的輸入/輸出地址空間進(jìn)行映射，通過專門的I/O指令訪問外圍設(shè)備。這種方式降低了CPU開銷。3映射方式選擇根據(jù)系統(tǒng)性能需求和外圍設(shè)備特點(diǎn)選擇合適的映射方式。兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，需要權(quán)衡權(quán)衡。DMA傳輸機(jī)制內(nèi)存訪問請(qǐng)求CPU向DMA控制器發(fā)送內(nèi)存訪問請(qǐng)求,請(qǐng)求從一個(gè)內(nèi)存位置傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)位置。通道分配DMA控制器分配一個(gè)空閑的DMA通道來處理這個(gè)數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)。地址和字節(jié)計(jì)數(shù)DMA控制器設(shè)置源地址、目標(biāo)地址和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器來管理數(shù)據(jù)傳輸過程?？偩€控制權(quán)DMA控制器獲得總線的控制權(quán),直接與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,無需CPU參與。傳輸完成傳輸完成后,DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號(hào),通知CPU數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)已完成?？偩€系統(tǒng)的分層設(shè)計(jì)1系統(tǒng)總線連接CPU和主存儲(chǔ)器2設(shè)備總線連接外圍設(shè)備和控制器3內(nèi)部總線連接CPU內(nèi)部模塊總線系統(tǒng)采用分層設(shè)計(jì),可以提高系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性。系統(tǒng)總線是CPU和主存之間的高速通信總線,設(shè)備總線連接外圍設(shè)備和控制器,內(nèi)部總線用于CPU內(nèi)部模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。這種分層設(shè)計(jì)提高了系統(tǒng)的性能和可擴(kuò)展性?？偩€系統(tǒng)的性能優(yōu)化擴(kuò)大帶寬采用更寬的數(shù)據(jù)總線提高數(shù)據(jù)傳輸速度，如由8位擴(kuò)展到16位、32位或更寬。提升時(shí)鐘頻率提高總線系統(tǒng)的工作頻率，加快數(shù)據(jù)交換速度。優(yōu)化緩存機(jī)制利用高速緩存技術(shù)減少對(duì)主存的訪問次數(shù)，提高系統(tǒng)整體性能。采用流水線技術(shù)通過流水線操作提高總線利用率，減少空閑時(shí)間。實(shí)驗(yàn)步驟和要求參考實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書仔細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,了解實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要求。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)環(huán)境確保有足夠的硬件資源,如計(jì)算機(jī)、電源、電路板等。操作電路實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟,連接電路并完成相關(guān)測量和操作。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仔細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)過程中的觀察結(jié)果和測量數(shù)據(jù)。撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)要求完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告,包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、過程和結(jié)果分析。實(shí)驗(yàn)環(huán)境和工具實(shí)驗(yàn)環(huán)境本實(shí)驗(yàn)將在計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,配備有Windows操作系統(tǒng)的臺(tái)式機(jī)電腦。實(shí)驗(yàn)軟件包括開發(fā)工具、編程語言編譯器等。實(shí)驗(yàn)所需工具萬用表焊接工具電路板和元器件實(shí)驗(yàn)測量設(shè)備實(shí)驗(yàn)過程中需要使用示波器、邏輯分析儀等電子測量設(shè)備,以觀察和分析各種信號(hào)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫要求文字規(guī)范實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)使用規(guī)范的中文書寫,語言準(zhǔn)確簡潔,段落清晰有序。內(nèi)容完整報(bào)告應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)背景、目的、過程、結(jié)果分析和