7-存储器接口设计
微机原理及接口技术实验
微机原理及接口技术实验一、实验目的本实验旨在通过学习微机原理和接口技术，了解和掌握微机系统的基本原理和接口技术的应用，培养学生对微机系统的认识和实践操作能力。
二、实验内容1. 微型计算机系统设计与搭建2. 微机输入输出接口技术应用实验3. 微机总线技术应用实验4. 微机存储器技术应用实验5. 微型计算机中断和DMA技术应用实验三、实验原理1. 微型计算机系统设计与搭建微型计算机主要由中央处理器、存储器、输入输出设备和总线组成。
本实验通过选择适当的芯片、电路连接和控制程序设计，实现一个基本的微型计算机系统。
2. 微机输入输出接口技术应用实验输入输出是微型计算机的重要组成部分，通过实验学习各种输入输出接口的原理和使用方法，并进行实际应用。
3. 微机总线技术应用实验总线是微型计算机各个部件之间传送数据和控制信息的公共通信路径。
通过实验学习总线的分类、结构和时序要求，掌握总线的实际应用。
4. 微机存储器技术应用实验存储器是微型计算机中存储数据和程序的重要设备。
通过实验学习不同类型存储器的原理和应用，掌握存储器的选择和使用。
5. 微型计算机中断和DMA技术应用实验中断和直接存储器访问（DMA）是微型计算机连接外部设备的重要技术。
通过实验学习中断和DMA的工作原理，掌握中断和DMA的应用方法。
四、实验步骤1. 根据实验要求，设计并搭建微型计算机系统；2. 连接输入输出设备，并编写控制程序；3. 进行输入输出接口技术应用实验，如串行通信、并行通信等；4. 进行总线技术应用实验，如总线传输数据测试等；5. 进行存储器技术应用实验，如读写存储器数据等；6. 进行中断和DMA技术应用实验，如中断服务程序编写等；7. 完成相关实验报告并进行总结。
五、实验设备和材料1. 微型计算机实验箱、电源适配器；2. 8051单片机、存储器芯片、输入输出芯片，如74HC164等；3. LED数码管、LCD液晶显示器、键盘、计算器等输入输出设备；4. 可编程芯片编程器、逻辑分析仪等实验设备。
微机原理与接口技术清华大学出版社北京交通大学出版社制作
体；软件是为运行、管理和维护计算机系统或为实现某一 功能而编写的各种程序的总和及其相关资料。
软件由系统软件和应用软件组成。系统软件简化了计 算机操作，支持应用软件的运行并提供服务，包括操作系 统、实用程序和语言处理程序等；应用软件是为用户解决 某种应用问题的程序及有关的文件和资料。
取整数位1
0.625×2＝1.25
取整数位1
0.25×2＝0.5
取整数位0
0.5×2＝1.0
取整数位1
转换后的结果为：(0.8125)10＝(0.1101)2 同理，十进制转换为十六进制可采用“除16倒取余”或“乘
16顺取整”的方法。
25
第1章
微型计算机基础知识
（2）二进制、十六进制数转换为十进制数：按照“将位 权展开求和”的方法就可以得到。 【例1.3】将二进制数(100101.101)2 转换为十进制数，过程 如下： (100101.101)2＝1×25＋1×22＋1×20＋1×2－1＋1×2－3
12
第1章
微型计算机基础知识
（5）主频：也称时钟频率，单位为MHz（兆赫），决定 微机的处理速度。 （6）主存容量：主存储器中RAM和ROM的总和。 （7）可靠性：计算机在规定的时间和工作条件下正常工 作不发生故障的概率。 （8）兼容性：计算机的硬件和软件可用于其他多种系统 的性能。 （9）性能价格比：衡量计算机产品优劣的综合性指标， 包括计算机的硬软件性能与售价的关系。
1．数的原码、反码、补码表示 （1）原码：正数的原码将其符号位置“0”，负数的原码将 其符号位置“1”，其余各位按照通常的方法来表示。 （2）反码：正数的反码与其原码相同，负数的反码为其原 码除符号位以外的各位按位取反。 （3）补码：正数的补码与其原码相同，负数的补码为其反 码在最低位加1。引入补码可以将减法运算化成加法运算， 从而简化机器的控制线路，提高运算速度。
第五章 存储器接口设计与应用
综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类 型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的 存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有 极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存 解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决 了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存 储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和 价格之间的矛盾。
5.2.2 SDRAM工作原理
SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间、数据 及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址 0x0处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程 序代码调入SDRAM中运行以提高系统的运行速度 ，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在 SDRAM中。 SDRAM存储一个位的消息只需要一只晶体管，但 是需要周期性地充电，才能使保存的信息不消失 。 SDRAM共用它的行、列地址线，行地址和列地址 的选通分别有行地址选通引脚CAS和列地址选通 引脚RAS来进行分时控制。
3
5.1 存储器概述
存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程 序和数据。CPU执行指令，而存储器为CPU存放 指令和数据，从物理层面上来说，存储器系统是 一个线性的字节数组，而CPU可以访问每个存储 器位置。计算机中全部信息，包括插入的原始数 据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果 都保存在存储器中，它根据控制器指定的位置存 入和取出信息。有了存储器，计算机才有记忆功 能，才能保证正常工作。
S5PV210的引导区分为两部分，分别是0x00000x1FFF_FFFF和0XD002_0000-0xD003_7FFF的空 间。系统上电后，从引导区开始执行Boot Loader 程序。 S5PV210的SROM分为6个Bank，每个Bank有 128MB。可以支持8/16位的NOR Flash、PROM和 SRAM存储器，并且支持8/16位的数据总线。 比较特殊的是Bank0，它只支持16位带宽，不能改 变。
计算机接口技术课后答案
习题一1.什么是接口？接口就是微处理器CPU与外部世界的连接部件，是CPU与外界进行信息交换的中转站。
2.为什么要在CPU与外设之间设置接口？在CPU与外设之间设置接口主要有4个原因：（1）CPU与外设二者的信号不兼容，包括信号线的功能定义、逻辑定义和时序关系（2）CPU与外设的速度不匹配，CPU的速度快，外设的速度慢（3）若不通过接口，而由CPU直接对外设的操作实施控制，会使CPU处于穷于应付与外设打交道之中，大大降低CPU的效率（4）若外设直接由CPU控制，会使外设的硬件结构依赖于CPU，对外设本身的发展不利。
3.微型计算机的接口一般应具备那些功能？微机的接口一般有如下的几个功能：（1）执行CPU命令的功能：CPU将对外设的控制命令发到接口电路中的命令寄存器（命令口）中，在经分析去控制外设（2）返回外设状态的功能：通过状态寄存器（状态口）完成，包括正常工作状态和故障状态（3）数据缓冲的功能：接口电路中的数据寄存器（数据口）对CPU于外设间传送的数据进行中转（4）设备寻址的功能：CPU某个时刻只能和一台外设交换数据，CPU发出的地址信号经过接口电路中的地址译码电路来选中I/O设备（5）信号转换的功能：当CPU与外设的信号功能定义、逻辑关系、电平高低及工作时序不兼容时接口电路要完成信号的转换功能（6）数据宽度与数据格式转换的功能：由于CPU处理的数据都是并行的，当外设采用串行传送方式时，接口电路就要完成串、并之间的转换，并进行数据格式的转换。
4.接口技术在微机应用中起的作用？随着计算机技术的高速发展，计算机的应用越来越广泛。
然而，在微机系统中，微处理器的强大功能必须通过外部设备才能实现，而外设与微处理器之间的信息交换和通信又是靠接口来实现的，所以，接口技术成为了一门关键技术，它直接影响微机系统的功能和微机的推广应用。
5.接口电路的硬件一般由哪几部分组成？接口电路的硬件一般由以下几部分组成：（1）基本逻辑电路：包括命令寄存器、状态寄存器和数据缓冲寄存器，是接口电路中的核心（2）端口地址译码电路：实现设备的选择功能（3）供选电路：根据不同任务和功能要求而添加的功能模块电路。
微型计算机原理与接口技术第7章
6位数码管接口电路
7FH
位 锁 存 器 （ 段 选 ） D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 0 1 1 1 1 1 1 1 h g f e d c b a 8 D7-D0
CS (201H选中)
20H 位
D7-D0 锁 存 器 （ 位 选 ）
D0 0 0 0 0 0 D 1
5
位 反 相 驱 动 器
DMA写传送: I/O端口信息 系统RAM某单元。 存储单元读 / 写传送: 在DMAC控制下, 实现系统 RAM RAM。 注意:在PC系列机中禁止RAM RAM传送。 4. DMA传送的过程
AB DB CB
HRQ DREQ
HOLD
总线保持请求
总线响应
DMA 请求 DMA 响应
注意: I/O 指令只能在端口和AL, AX, EAX之间 交换信息, 用DX间址, 但不能使用方括号, 即不能写成: IN AL, [DX]。
7.2 微机系统与外设交换信息的方式
微机系统与 I/O 端口的信息交换有四种方式: 无条件传送 中断方式 查询方式 DMA方式
采用何种方式与接口的硬件电路有直接关系
查询式输出接口示意图 数据 锁 数据总线 存 器 数据口选中 (8) 状态标志
Q D
输 出 设 备
IOW 地址译码器 地址总线
+5V
IOR
状态口选中
ACK
R
―0‖为空闲
接数据线D0位
查询式数据输出核心程序 设状态口地址=200H=数据口地址
TSCAN: MOV IN TEST JNZ MOV MOV OUT
HOLD
总线请求 总线响应
HRQ
DREQ
fpga内部可用资源
fpga内部可用资源FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，内部集成了大量的可用资源，包括逻辑单元、寄存器、存储器等。
本文将分别介绍FPGA内部的这些可用资源。
1. 逻辑单元：FPGA内部包含大量的逻辑单元（Logic Element），用于实现各种逻辑功能。
逻辑单元通常由多个逻辑门组成，可以实现与、或、非、异或等逻辑运算。
逻辑单元可以根据需要进行编程，以实现不同的功能。
2. 寄存器：FPGA内部还包含大量的寄存器（Register），用于存储数据和状态信息。
寄存器可以存储单个数据位或多个数据位，并且可以进行读写操作。
寄存器的数量和位宽可以根据设计需求进行配置。
3. 存储器：FPGA内部还集成了各种类型的存储器，包括片上存储器（On-chip Memory）和外部存储器接口（External Memory Interface）。
片上存储器通常用于存储中间数据和程序代码，具有较快的访问速度和较小的延迟。
外部存储器接口可以连接外部存储器芯片，用于存储大容量的数据。
4. 数字信号处理器（DSP）：FPGA内部还集成了一定数量的数字信号处理器（DSP），用于实现高性能的数字信号处理功能。
DSP可以进行复杂的算术运算和滤波操作，以满足各种信号处理需求。
5. 时钟管理器：FPGA内部还包含时钟管理器（Clock Manager），用于生成和分配时钟信号。
时钟信号是FPGA设计中至关重要的一部分，时钟管理器可以根据设计需求生成多个时钟信号，并对时钟进行分频、倍频等操作。
6. 通信接口：FPGA内部还提供了多种通信接口，包括UART、SPI、I2C、PCI Express等。
这些接口可以与外部设备进行数据交互，实现与外界的通信功能。
7. 乘法器：FPGA内部还集成了大量的乘法器（Multiplier），用于实现乘法运算。
乘法器可以进行定点数和浮点数的乘法运算，具有较高的计算效率和精度。
计算机四级操作系统-7-IO设备管理
计算机四级操作系统-7-IO设备管理第7章I/O设备管理设备管理是操作系统的主要功能之⼀，它负责管理所有输⼈输出设备以完成期望的数据传设备管理可能是操作系统设计中最凌乱的部分，这主要是由于计算机系统中存在着⼤量的输⼊/输出设备，其性能和应⽤特点可能完全不同。
所以要建⽴⼀个通⽤的、⼀致的设备访问接⼝，使⽤户和应⽤程序开发⼈员能够⽅便地使⽤输⼊/输出设备，⽽⽆须关⼼每种设备各⾃的特性，这正是设备管理的主要⽬的。
本章⾸先讲述设备管理的基本概念，然后讨论I/O硬件组成、I/O软件结构、设备管理的相关技术，最后阐述I/O性能问题及解决⽅案。
7.1设备与设备分类输⼊/输出设备（I/O设备）也称为外部设备（Peripheral Device），有时简称为设备或外设，包括计算机系统中除CPU和内存储器以外的所有的设备和装置，还包括所有外部存储设备。
在不同的上下⽂中，I/O设备⼀词有⼴义和狭义两种含义，⼴义的I/O设备即上述定义，狭义的I/O设备不包括外存设备。
可见，计算机系统中外部设备⾮常多，并且这些设备在功能、速度和控制⽅式等⽅⾯都有较⼤的差异，本节将讨论这些问题。
7.1.1设备管理的重要性为了理解操作系统中设备管理的重要性，⾸先要了解I/O设备在计算机系统中所起的作⽤。
如果说处理器和内存是计算机系统的⼤脑部分的话，那么I/O设备就是计算机系统的五官和四肢。
各种需要处理的信息和操作⼈员对计算机系统的操作命令，都要通过输⼊设备进⼊计算机系统，处理后的信息和结果也要通过输出设备从计算机系统输出。
计算机系统中的I/O设备种类繁多，从简单的键盘到⿏标、打印机、图形显⽰终端、磁盘驱动器以⾄于⽹络设备，变化万千，造就计算机应⽤的多样性和普及性。
可以说没有I/O设备，就没有计算机的应⽤。
然⽽，正如⼈们已经认识到的，操作系统复杂和庞⼤的主要原因是它所管理的资源的庞杂和并发技术的采⽤，⽽I/o设备的庞杂正是操作系统所管理的资源庞杂的主要原因，I/O设备的速度远低于处理器的速度正是导致并发技术产⽣的直接原因。
存储器与寄存器设计
存储器与寄存器设计1. 导言在计算机系统中，存储器和寄存器是两个重要的组成部分。
存储器用于存储数据和指令，而寄存器则用于临时存放和处理数据。
本文将重点论述存储器和寄存器的设计原则和方法。
2. 存储器设计存储器是计算机系统中用于存储数据和指令的设备。
其设计需要考虑容量、速度、稳定性和可靠性等因素。
2.1 存储器类型常见的存储器类型包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、闪存等。
在设计存储器时，需要根据应用需求选择合适的类型。
2.2 存储器组织结构存储器的组织结构分为层次式结构和平坦式结构。
层次式结构包括高速缓存、主存储器和辅助存储器，其中高速缓存用于提高读写速度。
平坦式结构指主存储器和辅助存储器直接相连，适用于较小规模的系统。
2.3 存储器管理存储器管理是指对存储器进行分配和回收等操作。
常用的存储器管理方式有静态存储器管理和动态存储器管理。
静态存储器管理通过编译器确定存储器的分配和回收时机，而动态存储器管理由操作系统负责管理。
3. 寄存器设计寄存器是计算机系统中用于临时存放和处理数据的设备。
其设计需要考虑存储容量、读写速度和位宽等因素。
3.1 寄存器的种类常见的寄存器种类包括通用寄存器、特定用途寄存器和状态寄存器等。
通用寄存器用于存放临时数据，特定用途寄存器用于特定计算操作，状态寄存器用于存放处理器的状态信息。
3.2 寄存器位宽寄存器的位宽决定了其可以存储的最大数据量。
在设计寄存器时，需要根据计算需求选择合适的位宽，以提高计算效率。
3.3 寄存器读写速度寄存器的读写速度对计算机系统的性能有重要影响。
为提高读写速度，可采用并行读写、预取和流水线等技术。
4. 存储器与寄存器协同设计存储器和寄存器在计算机系统中紧密配合，提供高效的数据存储和处理能力。
在存储器和寄存器的设计过程中，需要考虑它们的互联和数据传输等问题。
4.1 存储器与寄存器的接口存储器和寄存器通过总线进行数据传输。
在设计存储器与寄存器的接口时，需要考虑数据传输的稳定性和速度。
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（2）单线单选 另一种常用的线选法是用高位地址 的 每一根线分别控制各组芯片 的片 选端。 如下图所示：
04000H~07FFFH
注：高位地址线A19、A18、A17未使用表示取0、1均可，此处 用0代替，所以每块芯片将同时有23=8个重叠区。
D7~D0
A14 A15 A16
A Y1 B C 74LS138 G2A
Y0
CE
A13~A1
6264 3#
WR RD
偶 体
CE 2732
A12~A1
偶 体
CE 2732
奇 体
图4.25 8086 CPU与 图4.25 8086 CPU与 存储器连接的举例 存储器连接的举例
D15~D8
存储器的地址范围为: 存储器的地址范围为:
芯片 A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12……A1A0 1#组 × × × 全0 ~ 全1 地址范围
0
0
0
0
00000H~01FFFH
2#组 ×
×
×
0
0
0
1
全0 ~ 全1
02000H~03FFFH
3#组 ×
×
×
0
0
1
全0 ~ 全1
图4.20为线选法的例子，令A13和A14分别接芯片甲和 乙的片选端。可能的选择只有10（选中芯片甲）和01（选 中芯片乙）。
A14 A13
CE 2764 （甲） A12~A0
CE 2764 （乙）
芯片 A19 ~ A15 甲 ××××× 乙 ×××××
A14 A13 1 0 0 1
A12 ~ A0 一个可用的地址范围 全0~全1 04000H~05FFFH 全0~全1 02000H~03FFFH
CE
CE
CE
2732 (1)
2732 (2)
2732 (3)
2732 (4)
芯片 A19 ~ A15 A14~A12 A11 ~ A0 一个可用地址范围
1 2 3 4 ××00× ××00× ××00× ××00× 000 001 010 011 全0~全1 全0~全1 全0~全1 全0~全1 00000~00FFFH 01000~01FFFH 02000~02FFFH 03000~03FFFH
A12~A1
偶 体
···
A0
G2B
Y7
G1
1#
RD
2#
RD
&
M/IO A13 A14 A15 A16
& &
RD RD
A Y1 B C 74LS138 G2A
G1
Y0
&
WR RD
···
CE
A13~A1BHEG2B NhomakorabeaY7
6264 3#
奇 体
CE 2732 1#
A12~A1
奇 体 A ~A 12 1
CE 2732 2#
图4.20 线选法 图4.20 线选法 A19~A15因未参与对2个2764的片选控制，故其值可以是0或1 因未参与对2个2764的片选控制，故其值可以是0或1 （用x表示任取），这里，假定取为全0，则得到了两片2764 （用x表示任取），这里，假定取为全0，则得到了两片2764 的地址范围如图中所示，显然2片2764的重叠区各有25=32 的地址范围如图中所示，显然2片2764的重叠区各有2 个。 个。
A19~ A1 BHE A0 AB
CS
偶存储体
A19~A1
CS
A19~A1
奇存储体 D7~D0 DB
D7~D0 D15~D8 D7~D0
图4.24 存储体与总线的连接 图4.24 存储体与总线的连接
8086CPU访问(读或写)存储器由信号BHE和A0组合形成，见表4.2。
2. 连接举例：
要求用4K×8的EPROM芯片2732，8K×8的RAM芯片6264 ，译码器74LS138构成8K字ROM和8K字RAM的存储器系统，系 统配置为8086的最小模式。 ROM芯片，8K字用4片2732芯片组成，片内用12根地址线 A1~A12寻址。 RAM芯片，8K字用2片6264芯片组成，片内用13根地址线 A1~A13寻址。 芯片选择由74LS138译码器输出Y0、Y1完成。74LS138译码 器的输入端C，B，A分别连地址线A16~A14 ，A0 、BHE用来作为 偶体/奇体存储器的体选控制信号。由于ROM芯片容量为4K×8位 ，用A13 和Y0 输出进行二次译码，来选择两组ROM芯片，如图 4.25所示。
图4. 22所示的电路，采用部分译码对4个2732芯片（4K×8 位，EPROM）进行寻址。译码时，未使用高位地址线A19、A18和 A15。所以，每个芯片将同时具有23=8个可用且不同的地址范围（即 重叠区）。
M/IO A16 A17 G1 G2A G2B Y0 Y1 Y2 Y3
CE
A14 A13 A12 A11~A0 C B A
图4.22 部分译码 图4.22
为了实现规则 存放，将8086的1MB存储 空间分成两个512KB的存储体，具体为：
(1) 偶数存储体与8086的D0～D7相连。 (2) 奇数存储体与8086中D8～D15相连。 (3) A1～A19用来同时访问两个存储体的字节 单元。 (4) A0和BHE(高8位数据总线允许)信号用 来选择存储体。