《存儲器與總線實驗》課件

存儲器與總線實驗本課件將帶您深入探索計算機存儲器與總線的奧秘，并通過實驗演示關鍵概念和應用場景。實驗目的加深對存儲器和總線相關知識的理解通過實際操作，加深對存儲器分類、存儲器訪問方式、存儲器容量、總線類型、總線特性等的理解。掌握存儲器和總線操作方法學習如何進行存儲器讀寫操作、DMA傳輸、內存映射IO等實驗操作，掌握相應的實驗技巧。培養(yǎng)學生動手能力和實驗分析能力通過實驗，培養(yǎng)學生的動手能力、分析問題和解決問題的能力，提升學生的實踐能力和創(chuàng)新意識。實驗任務SRAM讀寫實驗通過編程控制SRAM芯片進行數(shù)據(jù)讀寫操作，驗證SRAM的基本功能和操作方式。ROM讀實驗通過編程讀取ROM芯片中的數(shù)據(jù)，驗證ROM芯片的存儲內容和讀操作特性。DMA傳輸實驗利用DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳輸，驗證DMA傳輸機制和效率。內存映射IO實驗通過編程訪問內存映射I/O端口，驗證內存映射I/O的工作原理和使用方法。實驗設備實驗臺微機系統(tǒng)SRAM、ROM示波器、邏輯分析儀存儲器基本知識回顧存儲器是計算機系統(tǒng)中用于存儲數(shù)據(jù)和程序的部件，它在計算機系統(tǒng)中起著至關重要的作用。存儲器是計算機系統(tǒng)的核心部件之一，它用于存放數(shù)據(jù)和程序，并為中央處理器（CPU）提供數(shù)據(jù)和指令。存儲器按照其存儲速度和存儲容量可以分為多種類型，常用的存儲器類型包括：主存儲器（內存）、輔助存儲器（外存）、高速緩存存儲器（Cache）、寄存器等。這些存儲器類型在功能、速度、容量、成本等方面各有優(yōu)缺點，在計算機系統(tǒng)中共同承擔著不同的任務。存儲器分類按存儲介質分類半導體存儲器：利用半導體材料制作，速度快，價格高，容量較小，如SRAM、DRAM磁存儲器：利用磁性材料制作，速度慢，價格低，容量大，如硬盤、磁帶光存儲器：利用光學原理存儲數(shù)據(jù)，速度中等，價格中等，容量大，如光盤、光卡按存儲功能分類主存儲器（內存）：直接與CPU交換數(shù)據(jù)，容量較小，速度快輔存儲器（外存）：用于長期保存數(shù)據(jù)，容量大，速度慢，如硬盤高速緩存（Cache）：位于CPU和主存儲器之間，容量小，速度快，用于加速數(shù)據(jù)訪問存儲器容量單位定義比特（bit）存儲器中最小的存儲單位，表示二進制的0或1。字節(jié)（Byte）8個比特組成一個字節(jié)，是常用的存儲單位。千字節(jié)（KB）1024個字節(jié)組成一個千字節(jié)。兆字節(jié)（MB）1024個千字節(jié)組成一個兆字節(jié)。吉字節(jié)（GB）1024個兆字節(jié)組成一個吉字節(jié)。太字節(jié)（TB）1024個吉字節(jié)組成一個太字節(jié)。拍字節(jié)（PB）1024個太字節(jié)組成一個拍字節(jié)。存儲器存取方式1隨機存取方式(RAM)存儲器中任何一個存儲單元都可以隨機訪問。訪問時間與存儲單元的物理位置無關，通常被稱為“隨機存取”。2順序存取方式(SAM)存儲單元按順序訪問，需要從第一個單元開始，依次訪問后續(xù)單元。訪問時間與存儲單元的物理位置有關，通常被稱為“順序存取”。3直接存取方式(DAM)可以直接訪問存儲單元，不需要按順序訪問。訪問時間與存儲單元的物理位置無關，通常被稱為“直接存取”。4關聯(lián)存取方式(CAM)通過比較存儲單元中的內容來訪問。訪問時間與存儲單元的物理位置無關，通常被稱為“關聯(lián)存取”。存儲器地址分配地址空間存儲器地址分配是指為每個存儲單元分配一個唯一的地址，以便CPU可以訪問它們。存儲器地址空間是所有存儲單元地址的集合。地址線地址線用于將CPU發(fā)出的地址信號傳遞到存儲器芯片，以選擇要訪問的存儲單元。地址線的數(shù)量決定了存儲器地址空間的大小。例如，一個16位地址線可以尋址65,536個存儲單元。地址映射地址映射是指將邏輯地址空間映射到物理地址空間。邏輯地址是CPU使用的地址，而物理地址是存儲器控制器使用的地址。地址映射可以實現(xiàn)地址保護和內存管理。存儲器編碼二進制編碼存儲器地址通常使用二進制編碼，每個地址對應一個唯一的二進制碼，方便計算機識別和訪問。地址分配存儲器地址空間被劃分為多個地址段，每個地址段分配給不同的存儲器模塊，保證地址唯一性。存儲單元編號每個存儲單元都有一個唯一的編號，用來區(qū)分不同的存儲單元，方便進行數(shù)據(jù)的讀寫操作。存儲器與CPU的通信存儲器與CPU之間的通信是計算機系統(tǒng)中最基本的操作之一。CPU通過總線訪問存儲器，以讀取數(shù)據(jù)或寫入數(shù)據(jù)。通信過程包含以下步驟：CPU發(fā)送地址信號到存儲器存儲器根據(jù)地址信號識別要訪問的存儲單元CPU發(fā)送讀寫信號到存儲器存儲器根據(jù)讀寫信號執(zhí)行讀或寫操作數(shù)據(jù)在CPU和存儲器之間傳輸存儲器讀寫操作1讀操作從存儲器中讀取數(shù)據(jù)到CPU2寫操作將CPU中的數(shù)據(jù)寫入存儲器存儲器讀寫操作是CPU與存儲器之間進行數(shù)據(jù)交換的關鍵步驟。讀操作是指從存儲器中讀取數(shù)據(jù)到CPU，用于CPU的運算和處理。寫操作是指將CPU中的數(shù)據(jù)寫入存儲器，用于保存數(shù)據(jù)和程序指令。讀寫操作通過地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線進行協(xié)同工作，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和完整性。總線基本知識回顧總線是連接計算機系統(tǒng)中各個部件的公共通信線路，是計算機系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。它可以傳輸?shù)據(jù)、地址和控制信號，實現(xiàn)各個部件之間的數(shù)據(jù)交換和協(xié)調控制?？偩€的基本結構包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線三部分：數(shù)據(jù)線：用于傳輸數(shù)據(jù)，其寬度決定了總線一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。地址線：用于指定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡刂罚鋵挾葲Q定了總線能夠訪問的地址空間大小。控制線：用于控制總線上的數(shù)據(jù)傳輸方向、傳輸方式等，以及控制總線上各個部件的工作狀態(tài)?？偩€分類按總線類型分類總線按照其功能和用途可以分為以下幾種類型：地址總線：用于傳遞數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)總線：用于傳遞數(shù)據(jù)控制總線：用于傳遞控制信號按總線結構分類總線按照其結構可以分為以下幾種類型：單總線結構：所有設備共享一條總線多總線結構：多個設備分別使用不同的總線層次總線結構：總線按照層次結構進行組織總線的基本特性1并行性總線能夠同時傳輸多位數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)傳輸效率，提升系統(tǒng)性能。2共享性總線是多個設備共享的資源，多個設備可以同時訪問總線，但只能有一個設備在同一時間占用總線。3時序性總線操作需要嚴格按照時間順序進行，包括數(shù)據(jù)傳輸、控制信號的發(fā)出和接收等，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。總線時序1時鐘信號時鐘信號是一種周期性的脈沖信號，用于同步數(shù)據(jù)傳輸。它控制數(shù)據(jù)在總線上的發(fā)送和接收，確保數(shù)據(jù)在正確的時間被傳輸。2數(shù)據(jù)有效信號數(shù)據(jù)有效信號用于指示數(shù)據(jù)在總線上是否有效。當數(shù)據(jù)有效信號為高電平時，表示數(shù)據(jù)有效，可以進行讀寫操作。當數(shù)據(jù)有效信號為低電平時，表示數(shù)據(jù)無效，不能進行讀寫操作。3讀寫信號讀寫信號用于指示總線上的操作是讀操作還是寫操作。讀信號用于從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，寫信號用于向存儲器寫入數(shù)據(jù)。4地址信號地址信號用于指定要訪問的存儲器單元的地址。每個存儲器單元都有一個唯一的地址，以便CPU可以找到并訪問它?？偩€寬度總線寬度是指總線中同時傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了總線一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?？偩€寬度越大，一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大，數(shù)據(jù)傳輸速率就越高。例如，一條32位總線可以同時傳輸32位數(shù)據(jù)，而一條64位總線可以同時傳輸64位數(shù)據(jù)。64位總線的寬度是32位總線的兩倍，因此它的數(shù)據(jù)傳輸速率也比32位總線快兩倍?？偩€寬度是影響系統(tǒng)性能的重要因素之一。在設計計算機系統(tǒng)時，要根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的總線寬度，以確保系統(tǒng)能夠滿足性能要求。總線操作模式同步操作模式同步操作模式是一種基于時鐘信號的總線操作方式。所有設備都共享一個公共時鐘信號，并在時鐘信號的控制下進行數(shù)據(jù)傳輸。這種模式的特點是數(shù)據(jù)傳輸速度快，但對系統(tǒng)時鐘要求較高，且存在同步問題。異步操作模式異步操作模式是一種不依賴于時鐘信號的總線操作方式。每個設備都擁有獨立的時鐘信號，并通過握手信號進行數(shù)據(jù)傳輸。這種模式的特點是靈活性和適應性強，可以支持不同速度的設備，但數(shù)據(jù)傳輸速度相對較慢。組合操作模式組合操作模式結合了同步和異步操作模式的優(yōu)點，在某些情況下可以提高數(shù)據(jù)傳輸效率。例如，在數(shù)據(jù)傳輸過程中可以采用同步模式，而在數(shù)據(jù)傳輸完成之后可以使用異步模式進行確認。直接存儲器訪問(DMA)11.概述直接存儲器訪問(DMA)是一種數(shù)據(jù)傳輸方式，允許外設直接訪問內存，繞過CPU的參與。這在需要高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱鼍跋路浅Ｓ杏?，例如硬盤讀寫、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?2.工作原理DMA控制器負責管理數(shù)據(jù)傳輸過程。外設向DMA控制器發(fā)出請求，提供數(shù)據(jù)源、目標地址和傳輸大小等信息。DMA控制器隨后直接從內存讀取數(shù)據(jù)或寫入數(shù)據(jù)到內存，無需CPU的干預。33.優(yōu)勢DMA提高了數(shù)據(jù)傳輸效率，減輕了CPU的負擔，并能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。內存映射輸入輸出內存映射I/O將I/O設備地址映射到系統(tǒng)內存地址空間，方便CPU直接訪問I/O設備。CPU統(tǒng)一使用內存訪問指令訪問I/O設備，簡化編程模型。I/O設備和內存共享同一個地址空間，方便數(shù)據(jù)交換和訪問。存儲器與總線實驗設計1實驗目的加深對存儲器和總線工作原理的理解2實驗內容SRAM、ROM、DMA和內存映射IO實驗3實驗環(huán)境實驗平臺、開發(fā)工具本實驗設計旨在幫助學生深入理解存儲器和總線的工作原理，并通過實際操作體驗存儲器和總線的應用。實驗內容包含SRAM讀寫、ROM讀、DMA傳輸和內存映射IO等，為學生提供完整的學習體驗。通過實驗平臺和開發(fā)工具，學生可以更直觀地觀察存儲器和總線的運行過程，并進行相關測試和驗證。實驗步驟一：SRAM讀寫實驗實驗目標學習SRAM的讀寫原理和操作方法。掌握使用示波器觀察SRAM讀寫時序的方法。實驗器材實驗箱示波器邏輯分析儀萬用表數(shù)據(jù)線實驗步驟連接實驗器材，按照實驗箱說明書進行連接。確認各器材正常工作。設置實驗箱參數(shù)，包括SRAM地址、數(shù)據(jù)寬度、時鐘頻率等。使用邏輯分析儀觀察SRAM的地址、數(shù)據(jù)和控制信號。編寫測試程序，寫入數(shù)據(jù)到SRAM，并讀取數(shù)據(jù)，驗證SRAM讀寫功能。使用示波器觀察SRAM讀寫時序，分析讀寫過程的時序關系。修改測試程序，嘗試不同的地址和數(shù)據(jù)，觀察SRAM的讀寫行為。記錄實驗現(xiàn)象和觀察結果。實驗步驟二：ROM讀實驗1連接電路根據(jù)實驗板的連接圖，將ROM芯片連接到實驗板的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。2設置地址在實驗程序中設置要讀取ROM芯片的地址。3發(fā)送讀命令向ROM芯片發(fā)送讀命令，指示ROM芯片開始讀取數(shù)據(jù)。4讀取數(shù)據(jù)從ROM芯片讀取數(shù)據(jù)，并將其顯示在實驗板的顯示器上。ROM讀實驗的目標是驗證ROM芯片的讀操作功能，并觀察ROM芯片讀取數(shù)據(jù)的過程。在實驗中，需要根據(jù)實驗板提供的連接圖，將ROM芯片連接到實驗板的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。然后，在實驗程序中設置要讀取ROM芯片的地址，并發(fā)送讀命令，指示ROM芯片開始讀取數(shù)據(jù)。最后，從ROM芯片讀取數(shù)據(jù)，并將其顯示在實驗板的顯示器上，以驗證ROM芯片的讀操作功能是否正常。實驗步驟三：DMA傳輸實驗實驗目的了解DMA傳輸?shù)幕驹砗蛯崿F(xiàn)方法。通過實驗，掌握使用DMA控制器進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?。實驗步驟配置DMA控制器，包括設置傳輸?shù)刂?、傳輸長度、傳輸方向等。啟動DMA傳輸，并監(jiān)測傳輸狀態(tài)。驗證DMA傳輸是否成功，并分析傳輸效率。實驗儀器實驗平臺、DMA控制器、存儲器模塊、示波器等。實驗注意事項注意DMA控制器的配置和使用，避免錯誤操作導致數(shù)據(jù)傳輸失敗或系統(tǒng)故障。實驗步驟四：內存映射IO實驗1配置IO端口將所需IO端口映射到內存地址空間。2編寫程序使用C語言或匯編語言編寫程序，通過內存地址訪問IO端口。3測試驗證測試程序是否能夠正?？刂艻O設備。實驗報告要求實驗報告內容包括實驗原理，實驗方法，實驗數(shù)據(jù)，實驗結果分析，實驗總結，問題討論，實驗心得體會實驗報告格式要求排版規(guī)范，語言簡潔準確，數(shù)據(jù)完整，圖表清晰，分析透徹，總結完整，結論明確，字數(shù)不少于1000字實驗報告提交時間實驗結束后一周內實驗報告內容包括實驗原理詳細解釋實驗所涉及的理論基礎、原理和方法。使用圖表、公式、文字說明等方式清晰地闡述實驗原理。實驗方法記錄實驗過程，包括操作步驟、所使用的儀器設備、實驗環(huán)境等，并用圖文并茂的方式呈現(xiàn)。實驗數(shù)據(jù)整理實驗過程中獲得的原始數(shù)據(jù)，并進行必要的處理和分析。例如，繪制圖表、計算數(shù)據(jù)指標等。實驗結果分析對實驗結果進行深入分析，并結合理論知識解釋實驗現(xiàn)象。分析實驗結果的可靠性和有效性，并指出實驗的不足之處。實驗原理存儲器讀寫原理存儲器讀寫操作是通過總線進行的，CPU通過地址總線向存儲器發(fā)送讀寫地址，通過數(shù)據(jù)總線進行數(shù)據(jù)傳輸。對于SRAM，CPU通過讀寫信號控制SRAM芯片進行讀寫操作。對于ROM，CPU只能進行讀操作，通過地址總線選擇要讀出的數(shù)據(jù)。DMA傳輸原理DMA傳輸方式是直接內存訪問，CPU通過向DMA控制器發(fā)送命令，讓DMA控制器直接控制內存和外設之間的數(shù)據(jù)傳輸，無需CPU干預。DMA傳輸可以提高系統(tǒng)效率，減輕CPU負擔。內存映射IO原理內存映射IO是將外設的地址空間映射到內存地址空間中，CPU通過訪問內存地址的方式訪問外設，簡化了系統(tǒng)設計，方便了程序編寫。實驗方法SRAM讀寫實驗通過編程控制SRAM的地址和數(shù)據(jù)總線，進行讀寫操作。實驗過程中，通過示波器觀察數(shù)據(jù)信號的波形，驗證SRAM的讀寫功能。ROM讀實驗通過編程控制ROM的地址總線，讀取預先存儲在ROM中的數(shù)據(jù)。實驗過程中，通過示波器觀察數(shù)據(jù)信號的波形，驗證ROM的讀功能。DMA傳輸實驗利用DMA控制器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在內存和外設之間的直接傳輸，不需要CPU的干預。實驗過程中，通過示波器觀察數(shù)據(jù)信號的波形，驗證DMA傳輸功能。內存映射IO實驗將外設的寄存器映射到內存地址空間，通過讀寫內存地址來控制外設。實驗過程中，通過示波器觀察數(shù)據(jù)信號的波形，驗證內存映射IO功能。實驗數(shù)據(jù)10實驗組5對照組實驗數(shù)據(jù)包括實驗組和對照組，每個組的樣本數(shù)量分別為10個和5個。實驗結果分析1數(shù)據(jù)一致性分析實驗過程中獲取的讀寫數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)一致性，驗證存儲器和總線的正常工作狀態(tài)。2性能評估根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，評估存儲器和總線的性能指標，例如讀寫速度、數(shù)據(jù)傳輸速率等。3問題排查如果實驗結果與預期不符，分析原因，排查可能存在的問題，如存儲器故障、總線沖突、程序錯誤等。實驗總結實驗收獲通過本次實驗，加深了對存儲器和總線相關知識的理解，掌握了SRAM、ROM、DMA和內存映射IO等相關實驗的操作方法，并對存儲器和總線在計算機系統(tǒng)中的重要作用有了更深刻的認識。實驗不足在實驗過程中，遇到了一些問題，如對某些實驗步驟的理解不夠深入，操作不夠熟練等，需要在今后的學習中加強這方面的學習。未來展望未來將繼續(xù)學習和探索存儲器和總線相關技術，并嘗試將所學知識應用到實際項目中，進一步提升自己的實踐能力。問題討論實驗過程中的疑問在進行存儲器與總線實驗的過程中，你是否遇到了任何問題或疑問？例如，你是否對實驗步驟、設備連接或數(shù)據(jù)結果有任何困惑？對實驗內容的理解你對存儲器與總線的基本概念和實驗原理的理解如何？你是否能解釋不同類型的存儲器、總線類型和操作模式？對實驗結果的分析你對實驗數(shù)據(jù)和結果的分析是否清晰？你是否能從實驗結果中得出有意義的結論，例如，不同存儲器讀寫速度的比較或總線帶寬的影響？實驗心得體會通過本次實驗，我對存儲器和總線的知識有了更深入的理解，并掌握了相關操作方法。例如，SRAM讀寫實驗讓我了解了SRAM的存儲原理和操作方式；ROM讀實驗讓我熟悉了ROM的存儲特性；DMA傳輸實驗讓我認識到DMA技術的優(yōu)勢；內存映射IO實驗讓我掌握了內存映射IO的工作原理。實驗過程中，我遇到了許多問題，比如程序調試、硬件連接等。但我通過查閱資料、請教老師和同學，最