计算机组成原理学习笔记——主存和CPU连接

1、连接原理

• 1）主存通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU连接。
• 2）数据总线的位数与工作频率的乘积正比于数据传输率。
• 3）地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间。
• 4）控制总线（读/写）指出总线周期的类型和本次输入/输出操作完成的时刻。
• 主存和 CPU 连接方式大致如下图：
  

2、主存容量扩展技术

• CPU 的数据线数与存储芯片数据位数不一定相等，通常进行位扩展，用多个存储芯片对字长进行扩充，使数据位数与 CPU 的数据线数相等。可用的技术方法有位扩展法、子扩展法和字位同时扩展法。

2.1、位扩展法

• 位扩展就是将多个存储芯片的地址端、片选端和读写控制端相应并联，数据端分别引出，
  
• 如图将 8 片 8K1 位芯片组成 8K8 位芯片组，所有芯片的地址线、片选信号线以及命令信号线都分别连在一起，而每片的数据线作为 CPU 数据线的一位。
• 注意：仅采用位扩展时，各个芯片连接地址线的方式一样，而连接数据线的方式不一样，某一时刻选中所有芯片，所以片选信号线要连接到所有芯片。

2.2、字扩展法

• 子扩展是通过增加存储器中字的数量，而位数不变；字扩展将存储芯片的地址线、数据线、读写控制线相应并联，而由片选信号来区分芯片的地址范围。
  
• 如图将 4 片 16K8 位的 RAM 芯片组成 64K8 位存储器，4 片芯片的数据线、命令信号线分别连在一起，A15A14 作为片选信号，选片的规则如下：A15A14=00 时，译码器输出端 0 有效，选中最左边 1 号芯片；A15A14=01 时，译码器输出端 1 有效，选中 2 号芯片；以此类推。同一时间只能选中一个芯片。芯片分配的地址如下：

  1 号芯片，最低地址：0000000000000000；最高地址：0011111111111111
  2 号芯片，最低地址：0100000000000000；最高地址：0111111111111111
  3 号芯片，最低地址：1000000000000000；最高地址：1011111111111111
  4 号芯片，最低地址：1100000000000000；最高地址：1111111111111111
  

• 注意：仅采用字扩展时，各个芯片连接地址线方式相同，连接数据线的方式也相同，但在某一时刻只需选中部分芯片，所以通过片选信号或采用译码器设计连接到相应的芯片。

1.3、字位同时扩展

• 正如其名，字位同时扩展就是既增加存储字的数量，又增加存储字长。
  
• 如上图是将 8 片 16K4 位 RAM 芯片组成 64K8 位存储器，每两片构成一组 16K8 位存储器，在将这样的四组构成 64K8 位存储器。地址线 A15A14 经译码器得到 4 个片选信号，A15A14=00 时，输出端 0 有效，选中第一组芯片；A15A14=01 时，输出端 1 有效，选中第二组芯片，以此类推。
• 注意：采用字位同时扩展时，各个芯片连接地址线的方式相同，但连接数据线的方式不同，而且需要通过片选信号或采用译码器设计连接到相应的芯片。

3、存储芯片的地址分配与片选

• 片选是 CPU 访问存储单元的首要工作，然后为选中的芯片依地址码选择相应的存储单元，以进行数据的存取，也就是字选操作。字选通常由 CPU 送出的 N 条低位地址线完成，地址线直接连接到所有存储芯片的地址输入端，N 取决于存储容量 2^N；片选信号的产生有线选法和译码片选法。

3.1、线选法

• 用除片内寻址外的高位地址线直接（或经反相器）分别连接到各个存储芯片片选端，当某些地址线信息为“0”时，就选中与之对应的存储芯片。值得注意的是，片选地址线每次寻址只能有一位有效，不允许同时多位有效，从而保证一次选中一个芯片或芯片组。
• 例子：
• 将 4 片 2K8 位存储芯片用线选法构成 8K8 位存储器，则地址分配可如下表：
  
• 其中 A10~A0 作为字选线，用于片内寻址。
  线选法的优点是不需要地址译码器，线路简单；但是缺点是地址空间不连续，选片的地址线必须分时为低电平，不能充分利用系统存储空间。

3.2、译码片选法

• 用除片内寻址外的高位地址线通过地址译码器产生片选信号。
• 例子：
• 8 片 8K8 位存储芯片组成 64K8 位存储器，地址线16 位，数据线 8 位；需要 8 个片选信号，用一片 74LS138 作为地址译码器，则 A15A14A13=000 时选中第一片，A15A14A13=001 时选中第二片，以此类推。

4、搭建主存系统

• 搭建一个主存系统的步骤大致可以分为五步，分别是存储芯片的选取、地址线连接方式的选择、数据线连接方式的选择、控制命令线的连接方式和片选线的连接方式。

4.1、选取存储芯片

• 这是搭建主存系统的第一步，在这一步要决定主存所使用的存储芯片是 RAM、ROM还是两者兼用，以及每种芯片的数量；通常根据 ROM 不易失的特性，将系统程序、标准子程序和各种常数放在 ROM 中，RAM 则用于用户编程；而芯片的数量的选择上，应该尽量使主存系统的连线简单、方便。

4.2、地址线连接方式

• 通常 CPU 的地址线是要比存储芯片的地址线数多的，因此通常将 CPU 地址线的低位与存储芯片的地址线相连，以选择芯片的某一单元（字选），此部分的译码由芯片的片内逻辑完成；CPU 地址线的高位则在扩充芯片（位扩展法、字扩展法或字位同时扩展法）是使用，这部分的译码由外接译码器逻辑完成。
• 例子：
• CPU 地址线为 16 位，编号为 A15~A0，1K*4 位存储芯片只有 10 根地址线，根据低位地址线直接连接的原则，则可以将 CPU 编号为 A9~A0 的地址线与芯片地址线相连接。

4.3、数据线连接方式

• 通常，存储芯片的数据线也是比 CPU 地址线少的，通常采取存储芯片扩位，达到数据位数和 CPU 的数据线数相等；万一存储芯片的数据位数和 CPU 数据线数相等，那么就很简单了，直接相连即可。

4.4、控制命令线连接方式

• 控制命令，也就是读/写命令，CPU 读/写命令一般可以直接和存储芯片的读/写控制端连接，高电平为读，低电平为写。若是 CPU 采用读/写命令线分开的，则此时 CPU 读命令线与存储芯片允许读控制端连接，写命令线与存储芯片允许写控制端连接。

4.5、片选线连接方式

• 片选线的连接时 CPU 与存储芯片连接的关键。存储器通常由许多存储芯片叠加一起组成，哪一片选中取决于存储芯片片选控制端是否接收到 CPU 的片选有效信号。片选信号与 CPU 访存控制信号有关，因为只有当 CPU 要求访存时，才要求选中存储芯片；若 CPU 访问 I/O，则不需要存储器工作。

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