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  计算机组成原理之存储扩展及地址译码分解_计算机硬件及网络_IT/计算机_专业资料。4166am备用网址计算机组成原理之存储扩展及地址译码分解

  4、存储系统和结构 ? 存储系统是由几个容量、速度和价格各 不相同的存储器构成的系统。设计一个 容量大、速度快、成本低的存储系统是 计算机发展的一个重要课题。本节重点 数据在主存中的存放方法和主存储器容 量的各种扩展方法。 1 4.1主存储器的组织 ? 主存储器是整个存储系统的核心,它用来 存放计算机运行期间所需要的程序和数据, CPU可直接随机地对它进行访问。 2 4.1.1主存储器的基本结构 ? 主存通常由存储体、地址译码驱动电路、 I/O和读写电路组成。 3 4.1.1主存储器的基本结构(续) ? ? ? 存储体是主存储器的核心,程序和数据都存放在存 储体中。 地址译码驱动电路实际上包含译码器和驱动器两部 分。译码器将地址总线输入的地址码转换成与之对 应的译码输出线上的有效电平,以表示选中了某一 存储单元,然后由驱动器提供驱动电流去驱动相应 的读写电路,完成对被选中存储单元的读写操作。 I/O和读写电路包括读出放大器、写入电路和读写控 制电路,用以完成被选中存储单元中各位的读出和 写入操作。 4 4.1.2主存储器的存储单元 ? 位是二进制数的最基本单位,也是存储器存储信 息的最小单位。一个二进制数由若干位组成,当 这个二进制数作为一个整体存入或取出时,这个 数称为存储字。存放存储字或存储字节的主存空 间称为存储单元或主存单元,大量存储单元的集 合构成一个存储体,为了区别存储体中的各个存 储单元,必须将它们逐一编号。存储单元的编号 称为地址,地址和存储单元之间有一对一的对应 关系。 5 4.1.2主存储器的存储单元(续) ? PDP-11机是字长为16位的计算机,主存按 字节编址,每一个存储字包含2个单独编址 的存储字节,它被称为小端方案,即字地 址等于最低有效字节地址,且字地址总是 等于2的整数倍,正好用地址码的最末1位 来区分同一个字的两个字节。 6 4.1.3主存储器的主要技术指标 ? ? 1.存储容量 对于字节编址的计算机,以字节数来表示 存储容量;对于字编址的计算机,以字数 与其字长的乘积来表示存储容量。如某机 的主存容量为64K×16,表示它有64K个存 储单元,每个存储单元的字长为16位,若 改用字节数表示,则可记为128K字节 (128KB)。 但在表述硬盘的存储容量时,目前习惯上1MB指1000KB。 7 注意:通常情况下,应认为1MB代表1024KB。 ? ? ? 2.存取速度 ⑴ 存取时间Ta 存取时间又称为访问时间或读写时间,它是指从 启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。 例如:读出时间是指从CPU向主存发出有效地址 和读命令开始,直到将被选单元的内容读出为止 所用的时间;写入时间是指从CPU向主存发出有 效地址和写命令开始,直到信息写入被选中单元 为止所用的时间。显然Ta越小,存取速度越快。 8 ? ? ? 2.存取速度(续) ⑵ 存取周期Tm 存取周期又可称作读写周期、访内周期,是指主 存进行一次完整的读写操作所需的全部时间,即 连续两次访问存储器操作之间所需要的最短时间。 显然,一般情况下,Tm>Ta。这是因为对于任何 一种存储器,在读写操作之后,总要有一段恢复 内部状态的复原时间。对于破坏性读出的RAM, 存取周期往往比存取时间要大得多,甚至可以达 到Tm=2Ta,这是因为存储器中的信息读出后需要 马上进行重写(再生)。 9 ? ? ? ? ? ? 2.存取速度(续) ⑶ 主存带宽Bm 主存的带宽又称为数据传输率,表示每秒从主存 进出信息的最大数量,单位为字每秒或字节每秒 或位每秒。目前,主存提供信息的速度还跟不上 CPU处理指令和数据的速度,所以,主存的带宽 是改善计算机系统瓶颈的一个关键因素。为了提 高主存的带宽,可以采取的措施有: 缩短存取周期; 增加存储字长; 增加存储体。 10 ? ? ? ? 3.可靠性 可靠性是指在规定的时间内,存储器无故障读写 的概率。通常,用平均无故障时间MTBF来衡量 可靠性。 4.功耗 功耗是一个不可忽视的问题,它反映了存储器件 耗电的多少,同时也反映了其发热的程度。通常 希望功耗要小,这对存储器件的工作稳定性有好 处。大多数半导体存储器的工作功耗与维持功耗 是不同的,后者大大地小于前者。 11 4.2主存储器的连接与控制 ? 由于存储芯片的容量有限的,主存储器 往往要由一定数量的芯片构成的。而由 若干芯片构成的主存还需要与CPU连接, 才能在CPU的正确控制下完成读写操作。 12 4.2.1主存容量的扩展 ? ? 要组成一个主存,首先要考虑选片的问题, 然后就是如何把芯片连接起来的问题。根 据存储器所要求的容量和选定的存储芯片 的容量,就可以计算出总的芯片数,即总 片数= 将多片组合起来常采用位扩展法、字扩展 法、字和位同时扩展法。 13 ? ? 1.位扩展 位扩展是指只在位数方向扩展(加大字 长),而芯片的字数和存储器的字数是一 致的。位扩展的连接方式是将各存储芯片 的地址线、片选线和读写线相应地并联起 来,而将各芯片的数据线的存 储器,所需芯片数为: 64K×8/64K×1=8片 14 ? ? ? 1.位扩展(续) CPU将提供16根地址线根数据线与存储器相 连;而存储芯片仅有16根地址线根数据线。 具体的连接方法是:8个芯片的地址线 分别连在一起,各芯片的片选信号/CS以及读写 控制信号/WE也都分别连到一起,只有数据线各自独立,每片代表一位。 当CPU访问该存储器时,其发出的地址和控制信 号同时传给8个芯片,选中每个芯片的同一单元, 相应单元的内容被同时读至数据总线的各位,或 将数据总线上的内容分别同时写入相应单元。 15 位扩展连接举例 地 址 A0 总 线 数 据 总 线 . . . . . . . . . . . . . . . . 64K×1 1 2 3 4 5 6 7 8 I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O __ CS ___ WE __ CS 64K×8 芯片组 D7~D0 ___ WE 等效为 A15 ~A0 扩展条件:设目标容量为M字×N位,存储器芯片容量为 m字×n位, M=m ,Nn,则需要的存储器芯片数=N/n。 16 … D0 D7 . . . . . . . . … ? ? ? 2.字扩展 字扩展是指仅在字数方向扩展,而位数不 变。字扩展将芯片的地址线、数据线、读 写线并联,由片选信号来区分各个芯片。 如用16K×8的SRAM组成64K×8的存储器,4166am备用网址 所需芯片数为: D D 0000H 64K×8/16K×8=4片 3FFFH 16K?8 7 0 4000H 7FFFH 16K?8 ...... C000H FFFFH 16K?8 17 2.字扩展(续) ? CPU将提供16根地址线根数据线与存储 器相连;而存储芯片仅有14根地址线、数 据线及读写控制信号/WE都是同名 信号并联在一起;高位地址线经 过一个地址译码器产生四个片选信号/CS, 分别选中四个芯片中的一个。 18 字扩展连接举例 A 13~ A0 A15~A0 CS3 A15~A 14 CS ___ WE D7~D0 。 。 。 。 。 __ Y 3 __ CS2 Y 2 __ CS1 Y 1 __ CS 0 Y0 在同一时间内4个芯片中最多只有一个芯片被选中。 19 译码器 __ CS A13~ A0 16K×8 ___ WE D7~D0 . __ CS A13~ A0 16K×8 ___ WE D7~ D0 . __ CS A13~ A0 16K×8 ___ WE D7~D0 . __ CS A 13~ A0 16K×8 ___ WE D7~D0 2.字扩展(续) 芯片编号 SRAM芯片#0 A15 A14 0 0 A13 A8 … A0 0 0 …0 ? 1 1 --- 1 0 0 …0 ? 1 1 --- 1 0 0 …0 ? 1 1 --- 1 0 0 …0 ? 1 1 --- 1 地址范围 0000H~3FFFH SRAM芯片#1 0 1 4000H~7FFFH SRAM芯片#2 1 0 8000H~BFFFH SRAM芯片#3 1 1 C000H~FFFFH 20 ? ? 3.字和位同时扩展 当构成一个容量较大的存储器时,往往需 要在字数方向和位数方向上同时扩展,这 将是前两种扩展的组合,实现起来也是很 容易的。 D D D D 7 4 3 0 0000H 例:用8K×4芯片组成16K×8存储器 1FFFH 2000H 3FFFH 8K?4 8K?4 8K?4 8K?4 扩展条件:目标容量为M字×N位,存储器芯片容量为 m字×n位,Mm ,Nn,则需要的存储器芯片数=(M/m) ×(N/n) 21 字和位同时扩展连接举例 字和位同时扩展连接举例 22 地址译码介绍 1.存储芯片地址线的连接 ? ? 芯片的地址线通常应全部与系统的 低位地址总线相连 寻址时,这部分地址的译码是在存 储芯片内完成的,我们称为“片内 译码” 23 片内译码 存储芯片 地址线进制表示) 00…00 000H 00…01 001H 00…10 002H … … 11…01 3FDH 11…10 3FEH 11…11 3FFH 25 片内10 位地址译码 10 位地址的变化: 全0~全1 2.存储芯片片选端的译码 ? 存储系统常需要利用多个存储芯片进行容量的扩充,也就是 扩充存储器的地址范围 ? 这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充” ? 进行“地址扩充”时,需要利用存储芯片的片选端来对存储 芯片(芯片组)进行寻址 ? 通过存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现对 存储芯片(芯片组)的寻址,常用的方法有: ? 全译码——全部高位地址线与片选端关联(参与芯片译码) ? 部分译码——部分高位地址线与片选端关联(参与芯片译 码) ? 线选法——某根高位地址线与片选端关联(参与芯片译码) ? 片选端常有效——无高位地址线与片选端关联(不参与芯 片译码) 26 地址扩充(字扩充) 0000000001 A19~A10 高位地址线 低位地址线 -CE 片选端 -CE (1) A 9 ~ A0 D 7 ~ D 0 ( 2) A9 ~ A0 D 7 ~ D 0 A9~A0 D7~D0 27 片选端常有效 A19~A15 A14~A0 片选端常有效 与A19~A15 无关 ? ? ? ? ? 全0~全1 CE 27256 EPROM A14~A0 D7~D0 28 地址重复 ? ? ? ? ? 1个存储单元具有多个存储地址的现象 原因:有些高位地址线没有用、可任意 使用地址:出现地址重复时,常选取其 中既好用、又不冲突的一个“可用地址” 例如:00000H~07FFFH 选取的原则:高位地址全为0的地址 高位地址译码才更好 29 ⑴ 译码和译码器 ? ? 译码:将某个特定的“编码输入”翻译为 唯一一个“有效输出”的过程 译码器件: ? 采用门电路组合逻辑进行译码 ? 采用集成译码器进行译码,常用的器件 有: 2-4 (4 选 1)译码器74LS139 ? 3-8 (8 选 1)译码器74LS138 ? 4-16 (16 选 1)译码器74LS154 ? 30 译码的概念 N 位编码输入 2N 位译码输出 译 码 器 唯一有效的输出 其余均无效 31 译码器74LS138的功能表 34 ⑵ 全译码 ? ? ? ? 所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址 包括低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址 (片内译码),高位地址线对存储芯片的译码寻 址(片选译码) 采用全译码,每个存储单元的地址都是唯一的, 不存在地址重复 译码电路可能比较复杂、连线 全译码示例 IO/-M A19 A18 A17 A15 A14 A13 A12~A0 36 A16 E3 E2 E1 138 2764 Y6 C B A CE 全译码示例——地址分析 A19A18A17A16A15A14 A13 0 0 0 1 1 1 0 A12~A0 全0 地址范围 1C000H 0 0 0 1 1 1 0 全1 1DFFFH 37 ⑶ 部分译码 ? ? ? ? 只有部分(高位)地址线参与对存储芯 片的译码 每个存储单元将对应多个地址(地址重 复),需要选取一个可用地址 可简化译码电路的设计 但系统的部分地址空间将被浪费 38 部分译码示例 A17 A16 IO/-M A14 A13 A12 A11~A0 请看地址分析 39 E3 -E2 -E1 -Y0 -Y1 -Y2 -Y3 -CE -CE -CE -CE C B 138 A 2732 (1) 2732 (2) 2732 (3) 2732 (4) 部分译码示例——地址分析 芯片 A19~ A15 ××10× ××10× ××10× ××10× A14~ A12 000 001 010 011 A11~A0 全0~全1 全0~全1 全0~全1 全0~全1 一个可用地址 20000H~20FFFH 21000H~21FFFH 22000H~22FFFH 23000H~23FFFH 1 2 3 4 40 ⑷ 线选译码 ? ? ? ? ? 只用少数几根高位地址线进行芯片的译 码,且每根负责选中一个芯片(组) 虽构成简单,但地址空间严重浪费 必然会出现地址重复 一个存储地址会对应多个存储单元 多个存储单元共用的存储地址不应使用 41 线 (2) A12~A0 请看地址分析 42 线选译码示例——地址分析 芯 片 A19~ A15 ××××× ××××× A14 A13 1 0 0 1 A12~A0 全0~全1 全0~全1 一个可用地址 04000H~05FFFH 02000H~03FFFH 1 2 切记: A14 A13=“00” 的情况不能出现, 此时 00000H~01FFFH 的地址将不能使用 43 片选端译码小结 ? ? ? 存储芯片的片选控制端可以被看作是一根 最高位地址线 在系统中,主要与地址发生联系:包括地 址空间的选择(接系统的IO/-M信号)和 高位地址的译码选择(与系统的高位地址 线相关联) 对一些存储芯片通过片选无效可关闭内部 的输出驱动机制,起到降低功耗的作用 44

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