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一文详解存储器访问和总线

2018年05月21日 07:18 次阅读

这一篇主要来介绍存储区,总线,以及IO设备等其他几大组件,来了解整个计算机是如何工作的。 这些东西都是看得见摸得着的硬件,平时我们买电脑时最关注的就是CPU的速度,内存的大小,主板芯片等等的参数。

1. 存储器

前面我们以一个简单通用的计算机模型来介绍了CPU的工作方式,CPU执行指令,而存储器为CPU提供指令和数据。 在这个简单的模型中,存储器是一个线性的字节数组。CPU可以在一个常数的时间内访问每个存储器的位置,虽然这个模型是有效的,但是并不能完全反应现代计算机实际的工作方式。

1.1 存储器系统层次结构

在前面介绍中,我们一直把存储器等同于了内存,但是实际上在现代计算机中,存储器系统是一个具有不同容量,不同访问速度的存储设备的层次结构。整个存储器系统中包括了寄存器、Cache、内部存储器、外部存储。下图展示了一个计算机存储系统的层次图。层次越高速度越快,但是价格越高,而层次越低,速度越慢,价格越低。

一文详解存储器访问和总线

相对于CPU来说,存储器的速度是相对比较慢的。无论CPU如何发展,速度多块,对于计算机来说CPU总是一个稀缺的资源,所以我们应该最大程度的去利用CPU。其面我们提到过CPU周期,一个CPU周期是取1条指令的最短的时间。由此可见,CPU周期在很大程度上决定了计算机的整体性能。你想想如果当CPU去取一条指令需要2s,而执行一个指令只需要2ms,对于计算机来说性能是多么大的损失。所以存储器的速度对于计算机的速度影响是很大的。

对于我们来说,总是希望存储器的速度能和CPU一样或尽量的块,这样一个CPU周期需要的时钟周期就越少。但是现实是,这样的计算机可能相当的昂贵。所以在计算机的存储系统中,采用了一种分层的结构。速度越快的存储器容量越小,这样就能做到在性能和价格之间的一个很好的平衡。

1.2 存储技术

计算机的发展离不开存储器的发展,早起的计算机没用硬盘,只有几千字节的RAM可用。而我们现在4G,8G的内存已经随处可见,1T的大硬盘以及上百G的固态硬盘,而价格也比10年,20年前便宜的很多很多。所以我先大概了解下各种存储技术。目前存储技术大致分为SRAM存储器、DRAM存储器、ROM存储器和磁盘。

1.2.1 寄存器

在上一篇文章的图中我们有看得CPU内部有很多寄存器,而上一张图也显示,寄存器在存储层次结构的顶端。它也叫触发器,它往往和CPU同时钟频率,所以速度非常快。但是一个寄存器需要20多个晶体管,所以如果大量使用,CPU的体积会非常大。所以在CPU中只有少量的寄存器。而每个寄存器的大小都是8-64字节。

1.2.2 RAM随机访问存储

RAM(Read-Access Memory)分为两类,静态(SRAM)和动态(DRAM)。SDRAM比DRAM要快的多,但是价格也要贵的多。

静态RAM: SRAM将每个位存储在一个双稳态的存储单元中,每个存储单元是用一个六晶体管电路实现的。它的特点是可以无限期(只要有电)的保持在两个稳定状态中的一个(正好可以存放0或1),而其他任何状态都是不稳定的会马上切换到这两个状态中的一个;

动态RAM: DRAM是利用电容内储存电荷的多寡来代表一个二进制位元(bit)是1还是0,每一bit由一个晶体管和电容组成。由于在现实中电容会有漏电的现象,导致电位差不足而使记忆消失,因此除非电容经常周期性地充电,否则无法确保记忆长存。由于这种需要定时刷新的特性,因此被称为“动态”记忆体。

SRAM相比DRAM速度更快功耗更低,而由于结构相对复杂占用面积较大,所以一般少量在CPU内部用作Cache,而不适合大规模的集成使用,如内存。而DRAM主要用来作为计算机的内部主存。

Cache: 目前我们CPU中一般集成了2到3级的Cache,容量从128K到4M。对于CPU总的Cache来说,它们的也是和CPU同频率的,所以理论上执行速度和寄存器应该是相同的,但是Cache往往用来存储一些指令和数据,这样就存在一个命中的问题。当没有命中的时候,需要向下一集的存储器获取新的数据,这时Cache会被lock,所以导致实际的执行速度要比寄存器慢。同样对于L1,L2,L3来说,速度也是越来越慢的;

主存: 也就是我们说的内存,使用DRAM来实现。但是我们目前听的内存一般叫DDR SDRAM,还有早期的SDRAM。这是一种同步的DRAM技术,我们不需要了解他的详情,只需要知道它能有效的提高DRAM的传输带宽。而DDR表示双倍的速率,而现在又有了DDR2,DDR3,DDR4,他们的带宽也是越来越大。

1.2.3 ROM只读存储

前面的RAM在断电后都会丢失数据,所以他们是易失的。另一方面非易失的存储器即便在断点后也能保存数据。一般我们称之为ROM(Read-Only Memory)。虽然这么说,但是ROM在特殊的情况下还是可以写入数据的,否则就不能叫存储器了。

PROM: 可编程ROM,只能被编程一次,PROM包含一种熔丝,每个存储单元只能用高电流烧断一次;

EPROM:可擦写可编程ROM,有一个透明的石英窗口,紫外线通过窗口照射到存储单元就被清除为0,而对它编程是使用一种特殊的设备来写入1。写入次数1K次;

EEPROM:: 电子可擦除可编程ROM,不需要特殊设备而可以直接在印制的电路板上编程。写入次数10万次;

Flash Memory: 这是我们见到最多的闪存,有NOR Flash、NAND Flash、V-NAND Flash、SLC、MLC、TLC。虽然是基于EEPROM,但是速度上却要快很多。其中NOR 、NANA Flash大量的使用在U盘,SD卡、手机存储上。

ROM在计算机中应用也比较多,比如我们的BIOS芯片,最开始采用PROM,后来使用EPROM,如果损坏计算机就无法启动了。而目前手机中也采用ROM来烧入系统,而RAM作为内存,使用Flash Memory作为机身存储。

1.2.4 磁盘存储

也就是我们最常见的硬盘。目前硬盘主流已经是500G,1T。转速也在7200转左右。相对于8G的内存,一个500G的硬盘可以说是相当的便宜。但是问题在于他的速度非常的慢,从磁盘读取数据需要几个毫秒,而CPU时钟周期是以纳秒计算。磁盘读取操作要比DRAM慢10万倍,比SRAM慢百万倍。

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相对于CPU,内部存储的电子结构,磁盘存储是一种机械结构。数据都通过电磁流来改变极性的方式被电磁流写到磁盘上,而通过相反的方式读回。一个硬盘由多个盘片组成,每个盘片被划分为磁道,扇区和最小的单位簇。而每个盘面都有一个磁头用来读取和写入数据。而硬盘的马达装置则控制了磁头的运动。

1.2.5 虚拟硬盘(VHD)和固态硬盘(SSD)

随着计算机的发展,缓慢的磁盘速度已经成为计算机速度的障碍了。大多数情况下,你的CPU够快,内存够大,可是打开一个程序或游戏时,加载的速度总还是很慢。(关于程序加载的过程后面的文章会讲到)。原因就是磁盘读写速度太慢,所以一度出现了虚拟硬盘。就是把一部分内存虚拟成硬盘,这样一些缓存文件直接放到内存中,这样就加快了程序访问这些数据的速度。但是他的问题是易失的。当然你可以保存到磁盘,但是加载和回写的速度会随着数据量加大而加大。所以这个适用于一些临时数据的情况,比如浏览器缓存文件。

而固态硬盘是最近几年出来的,而且随着技术的发展,价格也越来越便宜,越来越多的人采用SSD+HHD的方式来搭建系统,提高系统的速度。其实SSD在上世纪80年代就有基于DRAM的产品,但是因为易失性和价格而无法推广开来。而现在的SSD则是使用Flash Memory。目前市面上最常见的是SLC,MLC,TLC存储介质的固态硬盘。我们知道Flash都是与写入次数限制的。而SLC》MLC》TLC。目前主流的SSD都是使用MLC,比如Intel 520,三星830系列。当然目前三星也退出了基于TLC的固态硬盘,价格相对要便宜一些。

1.2.6 远程存储

简单可以理解为是将数据指令存储在其他机器上,比如分布式系统,WebService Server,HTTP Server以及现在炒的火热的云端存储。计算机通过网络相互连接。比较起磁盘,远程存储的速度是以秒来计算。

1.3 局部性

通过上面介绍我们对计算机存储器有了一个了解,并且知道了存储器层次越高速度越快。那么为什么我们要对存储器分层呢? 分成是为了弥补CPU和存储器直接速度的差距。这种方式之所有有效,是因为应用程序的一个特性:局部性。

我们知道计算机的体系是存储程序,顺序执行。所以在执行一个程序的指令时,它后面的指令有很大的可能在下一个指令周期被执行。而一个存储区被访问后,也可能在接下来的操作中再次被访问。这就是局部性的两种形式:

时间局部性

空间局部性

对于现代计算机来说,无论是应用程序,操作系统,硬件的各个层次我们都是用了局部性。

硬件:通过引入Cache存储器来保存最近访问的指令数据来提高对主存的访问速度。

操作系统: 允许是用主存作为虚拟地址空间被引用块的高速缓存以及从盘文件的块的高速缓存。

应用程序:将一些远程服务比如HTTP Server的HTML页面缓存在本度的磁盘中。

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以上2段代码差别只有for循环的顺序,但是局部性却相差了很多。我们知道数组在内存中是按照行的顺序来存储的。但是CODE1确实按列去访问,这可能就导致缓存不命中(需要的数据并不在Cache中,因为Cache存储的是连续的内存数据,而CODE1访问的是不联系的),也就降低了程序运行的速度。

2 存储器访问和总线

前面介绍了存储器的存储技术和分层,也一直提到CPU从存储器中获取数据和指令,这一节就介绍一下CPU和存储器之间是如何通信的。

2.1 总线

所谓总线是各种功能部件之间传送信息的公共通信干线,它是由导线组成的传输线束。我们知道计算机有运算器,控制器,存储器,输入输出设备这五大组件,所以总线就是用来连接这些组件的导线。

按照计算机所传输的信息种类,计算机的总线可以划分为

数据总线: 数据总线DB是双向三态形式的总线,即它既可以把CPU的数据传送到存储器或输入输出接口等其它部件,也可以将其它部件的数据传送到CPU。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标,通常与微处理的字长相一致。我们说的32位,64位计算机指的就是数据总线。

地址总线: 地址总线AB是专门用来传送地址的,由于地址只能从CPU传向外部存储器或I/O端口,所以地址总线总是单向三态的,这与数据总线不同。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小。

控制总线:控制总线主要用来传送控制信号和时序信号。控制总线的传送方向由具体控制信号而定,一般是双向的,控制总线的位数要根据系统的实际控制需要而定。其实数据总线和控制总线可以共用。

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总线也可以按照CPU内外来分类:

内部总线:在CPU内部,寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线称为片内部总线。

外部总线:通常所说的总线指片外部总线,是CPU与内存RAM、ROM和输入/输出设备接口之间进行通讯的通路,也称系统总线。

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2.2 控制芯片

前面我面介绍了总线的分类,在我们的简单模型中。CPU通过总线和存储器之间直接进行通信。实际上在现代的计算机中,存在一个控制芯片的模块。CPU需要和存储器,I/O设备等进行交互,会有多种不同功能的控制芯片,我们称之为控制芯片组(Chipset)。

对于目前的计算机结构来说,控制芯片集成在主板上,典型的有南北桥结构和单芯片结构。与芯片相连接的总线可以分为前端总线(FSB)、存储总线、IQ总线,扩展总线等。

南北桥芯片结构:

北桥芯片,它控制着CPU的类型,主板的总线频率,内存控制器,显示核心等。它直接与CPU、内存、显卡、南桥相连,所以它数据量非常大;

前端总线:是将CPU连接到北桥芯片的总线。FSB的频率是指CPU和北桥之间的数据交换速度。速度越快,数据带宽越高,计算机性能越好;

内存总线:是将内存连接到北桥芯片的总线。用于和北桥之间的通信;

显卡总线:是将显卡连接到北桥芯片的总新。目前有AGP,PCI-E等接口。其实并没有显卡总线一说,一般认为属于I/O总线;

南桥芯片,它主要负责外部接口和内部CPU的联系;

I/O总线:连接外部I/O设备连接到南桥的总线, 比如USB设备,ATA,SATA设备,以及一些扩展接口;

扩展总线:主要是主板上提供的一些PCI,ISA等插槽;

单芯片结构: 单芯片组主要是是取消了北桥,因为现在CPU中内置了内存控制器,不需要再通过北桥来控制,这样就能提高内存控制器的频率,减少延迟。而现在一些CPU还集成了显示单元。也使得显示芯片的频率更高,延迟更低。

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2.3 运行频率

数据带宽 = (总线频率*数据位宽)/ 8

2.3.1 外频

外频是建立在数字脉冲信号震动速度基础上的。它是CPU与系统总线以及其他外部设备共同运行的速度。我们知道计算机中有一个时序发生器来保证各个部件协同工作,而这里说的外频率就是这个时序发生器的频率。外频也是系统总线的工作频率。

2.3.2 频率和控制芯片

在计算机刚开始的时候,CPU和内存还有I/O设置是直接通过总线连接的而没有控制芯片。所有设备都同步的工作在同一个总线频率下。

但是随着CPU的发展,CPU速度越来越块。但受限于I/O设备。于是就出现了芯片。他使得I/O总线不在直接和CPU的系统总线相连。这样就有了2个不同频率的总线,这个芯片实际起到了一个降频的作用,也就相对于系统总线的分频技术。

但CPU速度发展相当快,CPU的速度已经高于内存运行的速度,于是引入了倍频的概念。CPU在不改变外频和系统总线频率的情况下运行在更高的频率。

发展到后来,就出现了北桥芯片,而CPU和北桥之前的总线称为了FSB总线,而内存与北桥之前称为内存总线。

2.3.2 分频和倍频

分频:使得I/O设备可以和较高的外频协同工作。比如AGP,PCI总线,运行频率在66MHZ和33MHZ,所以对于一个100MHZ的外频来说,采用2/3或1/3分频的方式就能使得CPU和外设同步的工作了。否则设备可能无法正常工作。

倍频: 为了提高CPU频率又正常的和内存进行工作,所以产生了倍频。所以对于CPU来说他实际的频率是外频*倍频。

2.3.3 FSB频率

前面我们现在已经知道CPU和北桥芯片连接是通过FSB。而FSB频率表示CPU和北桥芯片之间的工作速度。但是从前面我们就知道FSB的实际频率是和外频一样的。但是随着技术的发展,Intel的QDR技术和AMD的HT技术,使得CPU在一个时钟周期可以传送4次数据,所以对于FSB涞说虽然工作早外频的频率下,但是等效的频率是外频的4倍。所以我们说的FSB频率是等效频率,而不是实际的工作频率。随着技术的发展,Intel芯片的FSB有800MHz,1600HMz等等。但随着北桥芯片的消失,FSB的概率也慢慢远去。

2.3.4 内存频率

对于内存频率我们可以看到,一般包括了核心频率,总线频率和传输频率:

核心频率和外频类似,是建立在脉冲震荡信号上的。

总线频率就是指内存总线的工作频率。也就是内存和北桥芯片之间的工作频率。

而传输频率类似FSB,是指实际传输数据的频率。

对于SDR来说,它的3个频率是一致的。而DDR在一个时钟周期可以传送2次数据,所以它的传输频率是核心和总线频率的2倍。DDR2在DDR的基础上,采用了4bit预读,所以总线频率是核心频率的2倍,而DDR3采用了8bit预读,总线频率是核心频率的4倍。

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从下表我们就能看出。所以我们常说的DDR3 1600,DDR2 800指的是内存的传输频率。相同的技术还有显卡的AGP4X,8X,PCIE-8X,16X等技术。

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而随着FSB速度不断加快,内存的总线频率组建成为了瓶颈,于是出现了DDR双通道,双通道是指芯片拥有2个内存控制器,所以可以使得传输速率翻倍。

2.3.5 内存总线工作方式

因为内存总线频率不同,所以内存和CPU之间存在同步和异步两种工作方式。

同步方式:内存总线频率和CPU外频相同。比如以前的PC133和P3处理器,他们以同步的方式工作在133MHZ下。而当你超频时就需要拥有更高总线频率的内存。当然也需要北桥芯片的支持。

异步方式:内存总线频率和CPU外频不同。睡着CPU外频的提高,内存也必须更新,所以出现了异步的方式。比如P4 CPU外频为200MHz,而内存却可以使用DDR333来运行。同时异步方式也在超频时经常使用。一般来说会有一个内存异步比率。在BIOS中会有相应的选项。

从性能上来讲,同步方式的延迟要好于异步方式,这也是为什么以前会说P4 200外频的CPU要使用DDR400才能发挥最大功效。但这也不是绝对的。比如我的I5处理器CPU外频工作在100MHz,而我使用的DDR3-1600的总线频率在200MHz,虽然不同步,但是拥有更高的传输速率。所以不能一概而论。

2.3.6 QPI和HT总线技术

从前面我们知道了FSB对整个系统的性能影响很大,1600MHZ的FSB能提供的数据带宽也只有12.8GB/s,所以随着技术的发展,现在最新的计算机基本都采用了单芯片设计,北桥的功能被集成到了CPU内部。于是我们前面说的FSB也就不存在了。对于Intel和AMD这2大芯片厂商,分别有自己的技术来提高CPU和存储器以及其他设备之间的传输速率,满足更高的计算要求。

QPI: Intel的QuickPath Interconnect技术缩写为QPI,译为快速通道互联。用来实现芯片之间的直接互联,而不是在通过FSB连接到北桥。早期20位宽的QPI连接其带宽可达惊人的每秒25.6GB,远非FSB可比。而随着技术发展,在高端安腾处理中峰值可以达到96GB/s。

HT:HyperTransport本质是一种为主板上的集成电路互连而设计的端到端总线技术,目的是加快芯片间的数据传输速度。HyperTransport技术在AMD平台上使用后,是指AMD CPU到主板芯片之间的连接总线(如果主板芯片组是南北桥架构,则指CPU到北桥)即HT总线。HT3.1理论上可以达到51.2GB/s。

除此之外,但芯片中的QPI和HT传输不需要经过北桥新片,在CPU内存除了集成内存控制器意外还可以集成PCI-E2.0的图形核心,使得集成显卡的核心频率和数据吞吐量大幅提高。

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如图,Core I7处理器外频只有133MHz, 使用QPI技术后总线频率达到2.4GMhz,而使用DDR3-1600的内存,内存总线频率在800MHz。

2.3.7 小结

这一结介绍了计算机总线系统以及CPU和各个设备之间的交互。我们可以看到除了CPU自身的速度之外,总线的速度也影响这计算机的整体性能。从发展的过程来看,总线也是一个分分合合的过程。从最初的一条总线,到后来的单独出来的I/O总线,内存总线,就是为了提高CPU的效率。而当CPU和内存速度都发展到一定阶段后,又出现了DDR,双通道等技术,在不提高核心频率的情况下提高了传输率。于是又出现了CPU和内存间直接总线通信降低延迟的情况。 (从2000年开始接触电脑DIY,一直到07年毕业,都对DIY很有兴趣,但是随着电脑越来越快,目前以及弄不太清楚了,复习这些知识也费了我好多时间。)

3. I/O设备

前面主要介绍了系统总线和CPU与内存之间的通信,最后一部分简单介绍一下CPU和I/O设备是如何通信的。对于计算机来说输入输出设备也是五大组件。我们知道相对于CPU,I/O设备的工作频率要慢的很多。比如早期的PCI接口工作频率只有33MHz,硬盘的IDE-ATA6的传输速率也只有133MB/s。而现在的 SATA3接口速率能达到600MB/s。

3.1 I/O设备原理

对于硬件工程师来说,I/O设备是电子芯片、导线、电源、电子控制设备、电机等组成的物理设备。而对于程序员来说,关注的只是I/O设备的编程接口。

3.1.1 I/O设备分类

块设备: 块设备把信息存放在固定大小的块中,每个块都有自己的地址,独立于其他块,可寻址。例如磁盘,USB闪存,CD-ROM等。

符号设备:字符设备以字符为单位接收或发送一个字符流,字符设备不可以寻址。列入打印机、网卡、鼠标键盘等。

3.1.2 设备控制器

I/O设备一般由机械部件和电子部件两部分组成。电子设备一般称为设备控制器,在计算机上一般以芯片的形式出现,比如我们前面介绍的南桥芯片。不同的控制器可以控制不同的设备。所以南桥芯片中包含了多种设备的控制器,比如硬盘控制器,USB控制器,网卡、声卡控制器等等。而通过总线以及卡槽提供和设备本身的连接。比如PCI,PCI-E,SATA,USB等。

3.1.3 驱动程序

对于不同的设备控制器,进行的操作控制也是不同的。所以需要专门的软件对他进行控制。这个软件的作用就是用来专门和设备控制器对话,这种软件称为驱动程序。一般来说驱动程序由硬件设别厂商提供。所以我们有时会碰到一些设备因为没有安装驱动程序而无法使用的情况。 而目前的OS总都包含了大量的通用驱动程序,使得我们在安装完系统后不需要在额外的安装驱动。但是通用的驱动只能使用设备的基本功能。

驱动程序因为是非操作系统厂商开发,并且需要被安装到操作系统并调用,所以需要有一个统一的模型来开发驱动程序。否则操作系统是无法操作各式各样的设备的。前面我们知道设备非为两大类,所以一般操作系统都定义了这两类设备的标准接口。

3.1.4 内存映射I/O

每个控制器都有几个寄存器和CPU进行通信。通过写入这些寄存器,可以命令设备发送或接受数据,开启或关闭。而通过读这些寄存器就能知道设备的状态。因为寄存器数量和大小是有限的,所以设备一般会有一个RAM的缓冲区,来存放一些数据。比如硬盘的读写缓存,显卡的显存等。一方面提供数据存放,一方面也是提高I/O操作的速度。

现在的问题是CPU如何和这些设备的寄存器或数据缓冲区进行通信呢?存在两个可选方案:

为每个控制器分配一个I/O端口号,所有的控制器可以形成一个I/O端口空间。存放在内存中。一般程序不能访问,而OS通过特殊的指令和端口号来从设备读取或是写入数据。早期计算机基本都是这种方式。

将所有控制器的寄存器映射到内存空间,于是每个设备的寄存器都有一个唯一的地址。这种称为内存映射I/O。

另一种方式是两种的结合,寄存器拥有I/O端口,而数据缓冲区则映射到内存空间。PenTInum就是使用这种方式,所以在IBM-PC兼容机中,内存的0-640K是I/O端口地址,640K-1M的地址是保留给设备数据缓冲区的。(关于内存分布后面文章会介绍)

对于我们程序员来说这两种方案有所不同

对于第一种方式需要使用汇编语言来操作,而第2种方式则可以使用C语言来编程,因为他不需要特殊的指令控制,对待I/O设备和其他普通数据访问方式是相同的。

对于I/O映射方式,不需要特殊的保护机制来组织对I/O的访问,因为OS已经完成了这部分工作,不会把这一段内存地址分配给其他程序。

对于内存可用的指令,也能使用在设备的寄存器上。

任何技术有有点就会有缺点,I/O内存映射也一样:

前面提到过Cache可以对内存进行缓存,但是如果对I/O映射的地址空间进行缓存就会有问题。所以必须有机制来禁用I/O映射空间缓存,这就增大了OS的复杂性。

另一个问题是,因为发送指令后需要判断是内存还是I/O操作,所以它们需要能够检查全部的内存空间。以前CPU,内存和I/O设备在同一个总线上,所以检查很方便。但是后来为了提高CPU和内存效率,CPU和内存之间有一条高速的总线(比如QPI)。这样I/O设备就无法查看内存地址,因为内存地址总线旁落到了内存和CPU的高速总线上,所以需要一个额外的芯片来处理(北桥芯片,内存控制器的作用),增大了系统的复杂度。

3.2 CPU和I/O设备数据交换方式

前面已经知道CPU通过内存映射的方式和I/O设备交换数据,但是对于CPU来说,无论是从内存还是I/O设备读取数据,都需要把地址放到地址总线上,然后在向控制总线传递一个READ信号,还要用一条信号线来表示是从内存还是I/O读取数据。因为I/O映射的内存区域是特定的,所以不存在无法区分是内存还是I/O操作。目前一共有3种方式进行操作:

程序控制I/O: CPU在向I/O设备发出指令后,通过程序查询方式检查I/O设备是否完成工作,如果完成就读取数据,这种方式缺点是CPU在I/O设备工作时被占用。

中断驱动I/O: CPU是稀缺资源,所以为了提高利用率,减少I/O等待。在I/O设备工作时CPU不再等待,而是进行其他的操作,当I/O设备完成后,通过一个硬件中断信号通知CPU。CPU在来处理接下来的工作,比如读取数据存放到内存。但是每次只能请求一个字节,效率很低。

DMA: Direct Memory Access利用一种特性的芯片存在于CPU和I/O设备之间。CPU需要操作I/O设备时只需要发送消息给DMA芯片,后面的事情全部内又DMA来完成,当把所需要数据放入内存后在通知CPU进行操作,整个过程DMA直接和内存总线打交道,而CPU也只需要和DMA芯片和内存交互,大大提高了速度。

一文详解存储器访问和总线

总结

这一篇文章介绍了计算机组件中的存储器的分类和工作原理,以及I/O设别的工作方式。通过总线将各个部件连接起来。我们可以看到计算机的发展不光是CPU,存储器以及I/O设备的发展,总线也是起了非常关键的作用。通过前2章的介绍,应该对计算机硬件的工作原理有了大概的了解。后面开始将主要偏向计算机操作系统软件的工作方式。当然这些也是和一些硬件的特性分不开的。

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发表于 2018-05-17 10:34 263次阅读
兆易创新和Rambus合资公司实现电阻式随机存取...

DRAM存储器市场将保持量价齐增态势

存储器市场爆发,DRAM市场前景看好。2017年全球存储器市场增长率达到60%,首次超越逻辑电路,成...

发表于 2018-05-17 10:12 160次阅读
DRAM存储器市场将保持量价齐增态势

存储器控制芯片是产业不可或缺的关键IC

最近,特朗普就中兴通信给了中国一击,更代表科技产业供应链国产化政策是必须加速的一条道路。闪存芯片因其...

发表于 2018-05-17 09:51 215次阅读
存储器控制芯片是产业不可或缺的关键IC

台积电最新技术蓝图全览_环球晶Q1营收实现九连涨

看来台积电的EUV量产计划与三星(Samsung)的量产时程差距在六个月之内,后者表示将于今年导入量...

发表于 2018-05-17 09:44 377次阅读
台积电最新技术蓝图全览_环球晶Q1营收实现九连涨

简谈总线接口

大家好,又到了每日学习的时候了。今天我们来聊一聊总线接口。 一、I2C总线 I2C总线是PHLIPS...

发表于 2018-05-17 09:30 628次阅读
简谈总线接口

高性能计算、金融领域应用和低延时交易的FPGA解...

无论您的设计在硬件上遇到什么工程问题,我们的FPGA平台都可以比市场上其他任何FPGA平台提供更快的...

发表于 2018-05-16 16:08 197次阅读
高性能计算、金融领域应用和低延时交易的FPGA解...

半导体产业市场规模超4000亿美元,存储芯片是主...

国内半导体市场接近全球的三分之一,但国内半导体自给率水平非常低,特别是核心芯片极度缺乏,国产占有率都...

发表于 2018-05-16 09:28 1639次阅读
半导体产业市场规模超4000亿美元,存储芯片是主...

DRAM的技术演进,三巨头的垄断术

根据三家公司目前最新的建厂规模,2017年全球每季度芯片产能为1100K左右。DRAMeXchang...

发表于 2018-05-15 18:48 3167次阅读
DRAM的技术演进,三巨头的垄断术

紫光国微未来将聚焦微电子领域的核心业务

过度依赖进口不仅会面临断货的风险,国内存储器IC价格自2016年下半开始暴涨也让国内终端厂商苦不堪言...

发表于 2018-05-15 10:14 458次阅读
紫光国微未来将聚焦微电子领域的核心业务

存储界未来的希望RRAM

百度百科给出的解释是:RRAM是一种“根据施加在金属氧化物(Metal Oxide)上的电压的不同,...

发表于 2018-05-11 14:53 215次阅读
存储界未来的希望RRAM

日本半导体人才告急,中美还来挖人

另一方面,中国国有企业紫光集团旗下的半导体存储器开发企业长江存储科技(YMTC),刚刚在日本启动了招...

发表于 2018-05-11 09:52 872次阅读
日本半导体人才告急,中美还来挖人

一些关于TLP路由的基础知识

可能有的人要有疑惑了,既然Message可以使用地址路由或者ID路由,为什么还要单独搞出来一个模糊路...

发表于 2018-05-11 09:35 144次阅读
一些关于TLP路由的基础知识

未来3DXPOINT存储器技术读写速度是现在的1...

芯片是国之重器,信息产业严重依赖芯片,产业命脉应该掌握在自己手上,重大核心技术必须靠自主研发,不能让...

发表于 2018-05-10 16:08 270次阅读
未来3DXPOINT存储器技术读写速度是现在的1...

单片机端是如何实现下载程序的?电脑端(STC_I...

在ISP监控区里,STC官方出厂芯片的时候就已经烧写进去一段特殊的代码,我们用户是没法修改和查...

发表于 2018-05-09 14:31 341次阅读
单片机端是如何实现下载程序的?电脑端(STC_I...

一种基于EIA / RS-485和IEEE 80...

在能源管理领域,通过分散发电,简单,安全和可靠的当地资源,生产者和消费者之间的互联变得越来越必要。特...

发表于 2018-05-09 14:07 249次阅读
一种基于EIA / RS-485和IEEE 80...

嵌入式系统基础知识总结

总线是各种信号线的集合,是嵌入式系统中各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。在同一时刻,每条...

发表于 2018-05-09 09:04 411次阅读
嵌入式系统基础知识总结

关于电路设计的一些误区问题

除了少数特定信号外(如100BASE-T、CML),都是有过冲的,只要不是很大,并不一定都需要匹配,...

发表于 2018-05-08 17:10 593次阅读
关于电路设计的一些误区问题

单片机片内存储器如何烧写 几种烧写方式介绍

单片机应用系统由硬件和软件组成,软件的载体是硬件的程序存储器,程序存储器采用只读存储器,这种存储器在...

发表于 2018-05-07 17:21 484次阅读
单片机片内存储器如何烧写 几种烧写方式介绍

PLC的设计选型,应该如何选择PLC呢?

处理速度与用户程序的长度、CPU处理速度、软件质量等有关。目前,PLC接点的响应快、速度高,每条二进...

发表于 2018-05-07 14:49 730次阅读
PLC的设计选型,应该如何选择PLC呢?

NANDFlash、DRAM为存储器市场主力军,...

NAND 存储器制程转换遭遇瓶颈,采用3D堆叠技术为主要解决方案。3D产能目前三星投产率、良率最高,...

发表于 2018-05-06 07:05 1658次阅读
NANDFlash、DRAM为存储器市场主力军,...

存储器式运算将有助于新一代AI加速器发展

IBM研究员Vijay Narayanan认为,「其挑战在于找出正确的模拟存储器元素是什么——我们正...

发表于 2018-05-04 16:06 626次阅读
存储器式运算将有助于新一代AI加速器发展

欧姆龙PLC的地址分配

在I/O存储器中,CPU单元和CP1W扩展单元的输入地址占用000 ~ 016通道,输出地址占用10...

发表于 2018-05-03 15:21 566次阅读
欧姆龙PLC的地址分配

电路板上需要存储一些数据,需要用到存储芯片,这个存储芯片要求是32位的,各位有什么好介绍用哪种型号的芯片吗?

发表于 2018-05-03 14:14 242次阅读
电路板上需要存储一些数据,需要用到存储芯片,这个存储芯片要求是32位的,各位有什么好介绍用哪种型号的芯片吗?

BDF与配置空间

前面的关于PCI总线的文章介绍过PCI总线的配置空间,PCIe总线为了兼容这些PCI设备,几乎完整的...

发表于 2018-05-03 09:06 236次阅读
BDF与配置空间

了解芯片全流程智能化制造和加快国产化进程

其实啊,这个生产车间和手术室还真的有点像,我马上带着大家去看一下。我现在是在换装区,按照这里的规定,...

发表于 2018-05-02 16:04 375次阅读
了解芯片全流程智能化制造和加快国产化进程

PCIe物理层的基本概念

需要注意的是,PCIe物理层处理可以转发LTP和DLLP之外,还可以直接发送命令集(Ordered ...

发表于 2018-05-02 10:06 216次阅读
PCIe物理层的基本概念

基于三层级低开销的系统性的缓解FPGA中MBU问...

延迟时间d首先要保证能够检测到组合逻辑中全部的SET,因此必须大于SET的最大持续时间。随着工艺尺...

发表于 2018-05-02 10:02 359次阅读
基于三层级低开销的系统性的缓解FPGA中MBU问...

一个简单地的例子来回顾PCIe总线的结构、事务层...

如下图所示,Completer的应用层会根据接受到的信息进行相应的处理,处理完成后会将数据发送至事务...

发表于 2018-05-02 09:58 292次阅读
一个简单地的例子来回顾PCIe总线的结构、事务层...

modbus通信协议,profibus、FF、C...

物理传输介质可支持比绞线、光缆和无线发射,协议符合IEC1158-2标准。其物理媒介的传输信号采用曼...

发表于 2018-04-29 17:47 528次阅读
modbus通信协议,profibus、FF、C...

嵌入式系统开发中的一些硬件相关的概念

做嵌入式系统开发,经常要接触硬件。做嵌入式开发对数字电路和模拟电路要有一定的了解。这样才能深入的研究...

发表于 2018-04-27 15:29 267次阅读
嵌入式系统开发中的一些硬件相关的概念

单片机与微型打印机接口为例讲述这三种数据传输方式

这种数据传送方式中没有联络信号,即CPU总是认为打印机在如何时候都是处于“准备好”的状态。这种传送方...

发表于 2018-04-27 11:00 577次阅读
单片机与微型打印机接口为例讲述这三种数据传输方式

ST STM8AF5286汽车8位微控制器的开发...

STM8AF526x/8x/Ax和STM8AF6269/8x/Ax汽车8位微控制器提供32KB~12...

发表于 2018-04-27 05:11 326次阅读
ST STM8AF5286汽车8位微控制器的开发...

全面的嵌入式基础知识总结

嵌入式基础知识做嵌入式系统开发,经常要接触硬件。做嵌入式开发对数字电路和模拟电路要有一定的了解。

发表于 2018-04-26 11:26 322次阅读
全面的嵌入式基础知识总结

STM32开发设计中FSMC可能遇到问题应对方案

为了使 HADDR 的字节地址信号线与存储器匹配,FSMC 的 25 条地址信号线FSMC_A[24...

发表于 2018-04-26 09:23 1190次阅读
STM32开发设计中FSMC可能遇到问题应对方案

三星营收超越英特尔,终结了英特尔近25年来在半导...

Gartner表示,物联网(IoT)的应用部署也对半导体市场成长具有显著影响。2017年消费应用与工...

发表于 2018-04-26 09:22 405次阅读
三星营收超越英特尔,终结了英特尔近25年来在半导...

采用Flow Control机制的PCIe总线

PCIe总线为了解决这一问题,提出了Flow Control的概念,如下图所示。PCIe总线中要求接...

发表于 2018-04-26 08:54 179次阅读
采用Flow Control机制的PCIe总线

ReRAM与NRAM将成全球存储市场两大黑马

在存储器的竞争格局中,除了FRAM,不得不提的另外两个产品是ReRAM和NRAM。简略地讲,FRAM...

发表于 2018-04-25 16:35 689次阅读
ReRAM与NRAM将成全球存储市场两大黑马

数据总线是什么_数据总线工作原理及分类介绍

本文首先介绍了数据总线的概念和数据总线的技术指标,其次介绍了数据总线的分类与汽车数据总线种类,最后介...

发表于 2018-04-25 11:06 361次阅读
数据总线是什么_数据总线工作原理及分类介绍

详细地聊一聊Non-Posted Transac...

Locked Read主要用于支持一种叫做Atomic Read-Modify-Write操作,这是...

发表于 2018-04-25 09:14 163次阅读
详细地聊一聊Non-Posted Transac...

总线型拓扑结构优缺点是什么

本文开始介绍了拓扑结构的概念和拓扑结构的分类,其次介绍了总线型拓扑结构的优缺点,最后介绍了总线型拓扑...

发表于 2018-04-24 17:26 109次阅读
总线型拓扑结构优缺点是什么

我国集成电路产业链上最薄弱环节:集成电路设计业

“这个领域的核心技术、关键装备与材料,同样长期受到欧美、日本等国家和地区的垄断与封锁。黑色光阻材料是...

发表于 2018-04-24 11:33 1775次阅读
我国集成电路产业链上最薄弱环节:集成电路设计业

PCIe总线的通信机制

那么为什么要分为Non-Posted和Posted两种类型呢?对于Memory Writes来说,对...

发表于 2018-04-24 09:41 208次阅读
PCIe总线的通信机制

容量Flash器件编程设计,体验极速高效的全新烧...

它拥有极致速度、高效压杆;它自带独立操作系统,省去PC机方便产线部署;它拥有独特的母片分析”“文件分...

发表于 2018-04-24 08:42 1342次阅读
容量Flash器件编程设计,体验极速高效的全新烧...

航电总线仿真实验和测试方案

总线仿真与测试系统能够对计算机通道的所有ARINC429、MIL-STD-1553、AFDX总线信号...

发表于 2018-04-23 09:48 136次阅读
航电总线仿真实验和测试方案

中国存储器产业的生产发展的详细概述

从3大厂目前布局进度来看,合肥长鑫的厂房已于2017年6月封顶完工,并且于第3季开始移入测试用机台。...

发表于 2018-04-22 09:33 687次阅读
中国存储器产业的生产发展的详细概述

元器件迎来涨价潮_电脑迎来重新订价

积层陶瓷电容(MLCC)、存储器等零组件涨翻天,电脑业者成本压力大增,影响终端售价,宏碁台湾区总经理...

发表于 2018-04-21 09:29 308次阅读
元器件迎来涨价潮_电脑迎来重新订价

一个简化的PCIe总线体系结构

一个简化的PCIe总线体系结构如上图所示,其中Device Core and interface t...

发表于 2018-04-21 09:21 576次阅读
一个简化的PCIe总线体系结构

分析比较几种单片机之间的方式、难点,并提出一种解...

铁电存储器是美国Ramtran公司推出的一种非易失性存储器件,简称FRAM。与普通EEPROM、Fl...

发表于 2018-04-21 09:06 982次阅读
分析比较几种单片机之间的方式、难点,并提出一种解...

语音识别技术必定会渗透在人们生活的每个角落

语音识别过程要根据模式匹配原则,计算未知语音模式与语音模板库中的每一个模板的距离测度,从而得到最佳的...

发表于 2018-04-20 14:55 2045次阅读
语音识别技术必定会渗透在人们生活的每个角落

关于Cortex-M3存储器映射

CM3 的地址空间是4GB, 程序可以在代码区,内部SRAM 区以及外部RAM 区中执行。但是因为指...

发表于 2018-04-20 09:32 178次阅读
关于Cortex-M3存储器映射

STM32接口中FSMC/FMC难点问题理解

FSMC,即灵活的静态存储控制器,能够与同步或异步存储器和 16 位 PC 存储器卡连接,STM32...

发表于 2018-04-19 12:36 602次阅读
STM32接口中FSMC/FMC难点问题理解

PCIe总线基本概念,高速串行总线取代传统并行总...

除了差分总线,PCIe还引入了嵌入式时钟的技术(Embedded Clock),即发送端不再向接收端...

发表于 2018-04-19 09:20 570次阅读
PCIe总线基本概念,高速串行总线取代传统并行总...

集成电路产业链上都有哪些环节?每个环节上都有哪些...

自1967年成立至今四十多年来,应用材料公司一直都是领导信息时代的先驱,以纳米制造技术打造世界上每一...

发表于 2018-04-18 10:58 2085次阅读
集成电路产业链上都有哪些环节?每个环节上都有哪些...

2018中国半导体行业发展情况分析,大陆半导体核...

半导体产业链分为核心产业链、支撑产业链。核心产业链包括半导体产品的设计、制造及封装测试。支撑产业链则...

发表于 2018-04-18 10:07 1473次阅读
2018中国半导体行业发展情况分析,大陆半导体核...

想要学好PLC这16个PLC入门基础知识你不得不...

模块式:将 PLC 的各个部分分成若干个单独的模块,可根据需要选配不同模块组成一个系统, 具有配置灵...

发表于 2018-04-17 14:01 1043次阅读
想要学好PLC这16个PLC入门基础知识你不得不...

发展半导体产业必须长期艰苦奋斗

据韩媒报道,三星将早半年时间完成7纳米制程,并拿下高通骁龙855系列高端处理器大单。面对三星捷报频传...

发表于 2018-04-17 09:28 639次阅读
发展半导体产业必须长期艰苦奋斗

市场化是中国半导体业发展的必由之路

实际上中国半导体行业协会理事长及中芯国际董事长周子学先生,已经对于未来中国半导体业的发展设计了一套清...

发表于 2018-04-17 09:24 372次阅读
市场化是中国半导体业发展的必由之路

肥晶合与驱动IC形成全产业链

据合肥晶合总经理黎湘鄂介绍,一期项目总投资约128亿元,二期项目也正在建设中。黎湘鄂表示,晶合正积极...

发表于 2018-04-17 09:18 571次阅读
肥晶合与驱动IC形成全产业链

存储器及集成电路将成中美贸易战关键

目前来看,中美贸易摩擦有所缓和。不过,双方尚未进入贸易谈判阶段,最终事情会如何发展,尚难判断。未来存...

发表于 2018-04-17 08:45 1094次阅读
存储器及集成电路将成中美贸易战关键

关于PCI总线和PCI-X总线的简要介绍

如上图所示,由于信号线众多,在PCB设计的时候,很难保证每一条信号线的长度都完全相同(更不要说还有过...

发表于 2018-04-17 08:44 376次阅读
关于PCI总线和PCI-X总线的简要介绍

BLDC马达控制系统的解决方案

LV8907是一款通过AEC-Q100认证的高性能、无传感器三相BLDC马达控制器,集成了用于驱动外...

发表于 2018-04-17 00:33 102次阅读
BLDC马达控制系统的解决方案

天时地利人和,兆易创新深度布局存储芯片产业链

上市后连拉18个涨停板,2017年8月至今涨幅更是超过120%。股价大涨背后,是一连串运作——收购北...

发表于 2018-04-16 09:36 1525次阅读
天时地利人和,兆易创新深度布局存储芯片产业链

一文读懂3D NAND存储器进化史

通过3D堆叠技术将存储层层堆叠起来,促成了NAND 技术进一步成熟。

发表于 2018-04-16 08:59 903次阅读
 一文读懂3D NAND存储器进化史

博鳌论坛:集成电路扩大开放 加快自主知识产权进步

2016年中国成为世界上首个发明申请受理量突破100万件的国家,也是继美国、日本之后第三个国内有效发...

发表于 2018-04-15 16:01 1250次阅读
博鳌论坛:集成电路扩大开放 加快自主知识产权进步

长江存储正式装机:3D NAND量产还有多远?

4月11日,长江存储以芯存长江,智储未来为主题,庆贺存储器基地正式移入生产设备。 2017年9月长江...

发表于 2018-04-15 10:08 2547次阅读
长江存储正式装机:3D NAND量产还有多远?

OrCAD学习总线用法教程

如何创建总线 1)菜单place-bus或者右侧快捷按钮 2)原理图内鼠标左键选择总线起点 3)移动...

发表于 2018-04-14 11:24 62次阅读
OrCAD学习总线用法教程

TLE9842-2QX主要特性_PCB设计图

Infineon公司的TLE9842-2QX是TLE984x系列中一员,集成了32位ARM Cort...

发表于 2018-04-13 16:33 191次阅读
TLE9842-2QX主要特性_PCB设计图

嵌入式学习之NAND Flash和NOR Fla...

DDR RAM(Date-Rate RAM)也称作DDR SDRAM,这种改进型的RAM和SDRAM...

发表于 2018-04-13 15:12 445次阅读
嵌入式学习之NAND Flash和NOR Fla...

中国研发团队研发出一种新二维非易失性存储芯片

相比三星、东芝、美光等公司,中国现在DRAM内存、NAND闪存技术上要落后多年,不过中国的科研人员也...

发表于 2018-04-13 09:06 1801次阅读
中国研发团队研发出一种新二维非易失性存储芯片

不同单片机之间的通信方式

电子技术的飞速发展,单片机也步如一个新的时代,越来越多的功能各异的单片机为我们的设计提供了许多新的方...

发表于 2018-04-12 17:48 563次阅读
不同单片机之间的通信方式

长江存储武汉基地,从厂房建设进入量产准备阶段!

作为国家级存储项目基地,长江存储总投资金额达240亿美元。预计项目一期建成后总产能将达到30万片/月...

发表于 2018-04-12 13:59 2626次阅读
长江存储武汉基地,从厂房建设进入量产准备阶段!

各主要应用市场存储器需求分析与存储器未来市场预期

智能家居和工业 4.0 产业升级中,譬如一些特殊计量领域如电表市场,需要实时记录更多的信息数据并且可...

发表于 2018-04-11 15:56 3844次阅读
各主要应用市场存储器需求分析与存储器未来市场预期

东芝存储器意图东山再起 成败取决于中国政府

美日等国的审查已顺利结束,但被视为最大难关的中国政府的审查于2017年12月才启动。一般来说,审查时...

发表于 2018-04-11 15:01 178次阅读
东芝存储器意图东山再起 成败取决于中国政府

ZSSC4165 SSC通信板 ZSSC416x...

IDT公司的ZSSC416x/ZSSC417x系列是用于高精度放大和差分桥传感器信号修正的CMOS集...

发表于 2018-04-11 15:00 71次阅读
ZSSC4165 SSC通信板 ZSSC416x...

PCI总线的中断信号与中断控制器的连接关系

在一些嵌入式处理器系统中,这个问题较易解决。因为嵌入式处理器系统很清楚在当前系统中存在多少个PCI设...

发表于 2018-04-11 09:12 504次阅读
PCI总线的中断信号与中断控制器的连接关系

电脑硬件基础篇cpu(cpu工作原理及作用_特性...

本文主要介绍了 电脑硬件基础篇cpu(cpu工作原理及作用_特性参数及型号和位置)。中央处理器(CP...

发表于 2018-04-10 11:16 233次阅读
电脑硬件基础篇cpu(cpu工作原理及作用_特性...

DRAM、NAND FLASH、NOR FLAS...

存储器芯片领域,主要分为两类:易失性和非易失性。易失性:断电以后,存储器内的信息就流失了,例如 DR...

发表于 2018-04-09 15:45 1598次阅读
DRAM、NAND FLASH、NOR FLAS...

fifo存储器芯片型号有哪些

本文主要介绍了fifo存储器芯片型号有哪些?FIFO存储器是系统的缓冲环节,如果没有FIFO存储器,...

发表于 2018-04-08 16:11 814次阅读
fifo存储器芯片型号有哪些

求教汽车总线网络管理一般都是怎么做的?

发表于 2018-03-21 14:53 659次阅读
求教汽车总线网络管理一般都是怎么做的?

为您的测量应用选择合适总线

发表于 2018-03-21 11:18 671次阅读
为您的测量应用选择合适总线

关于DDR3的时序(Altera的外部存储器接口手册)

发表于 2018-03-16 10:46 486次阅读
关于DDR3的时序(Altera的外部存储器接口手册)

总线 编译错误

发表于 2018-03-13 10:42 304次阅读
总线 编译错误

总线网络负载仿真系统

发表于 2018-03-12 11:29 873次阅读
总线网络负载仿真系统

CAN总线,I2C,USB等的FPGA实现源码

发表于 2018-02-27 12:53 475次阅读
CAN总线,I2C,USB等的FPGA实现源码

CAN总线接线问题

发表于 2018-02-24 15:21 809次阅读
CAN总线接线问题

简谈总线接口

发表于 2018-02-06 09:50 675次阅读
简谈总线接口

CAN总线芯片SN65HVD230电平有问题

发表于 2018-02-04 11:42 3072次阅读
CAN总线芯片SN65HVD230电平有问题