微型計算機原理

1、第第 3 3 章章 存儲器及其組成設(shè)計存儲器及其組成設(shè)計3.1 概述概述3.2 微型計算機系統(tǒng)中的存儲器組織微型計算機系統(tǒng)中的存儲器組織 在現(xiàn)代計算機中在現(xiàn)代計算機中,存儲器處于全機中心地位存儲器處于全機中心地位3.1 概述概述存儲器存儲器運算器運算器控制器控制器輸入輸入輸出輸出1.1. 存儲容量存儲容量（Memory Capacity ） H 存儲器由若干存儲器由若干“存儲單元存儲單元”組成，每一單元存放一個組成，每一單元存放一個“字字節(jié)節(jié)”的信息的信息1 1字節(jié)（字節(jié)（Byte)Byte)即為即為8 8位二進制數(shù)位二進制數(shù) 2 2字節(jié)即為字節(jié)即為1 1個個“字字”(word)(word)4

2、 4字節(jié)即為字節(jié)即為1 1個個“雙字雙字”(Dword)(Dword)H1K1K容量為容量為10241024個單元個單元 1M=1024K=10241M=1024K=1024* *10241024單元單元 1G=1024M1G=1024M 1T=1024G 1T=1024G 10000101一一.計算機系統(tǒng)存儲器的主要性能指標(biāo)計算機系統(tǒng)存儲器的主要性能指標(biāo) 二二. .存儲器分類存儲器分類: :1. 按存儲介質(zhì)分按存儲介質(zhì)分 半導(dǎo)體存儲器半導(dǎo)體存儲器：用半導(dǎo)體器件組成的存儲器。：用半導(dǎo)體器件組成的存儲器。磁表面存儲器：磁表面存儲器：用磁性材料做成的存儲器。用磁性材料做成的存儲器。2. 按存儲器的

3、讀寫功能分按存儲器的讀寫功能分 只讀存儲器只讀存儲器(ROM)：存儲的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而：存儲的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而 不能寫入的半導(dǎo)體存儲器。不能寫入的半導(dǎo)體存儲器。隨機讀寫存儲器隨機讀寫存儲器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲器。：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲器。 3. 按在計算機系統(tǒng)中的作用分按在計算機系統(tǒng)中的作用分 根據(jù)存儲器在計算機系統(tǒng)中所起的作用，可分為根據(jù)存儲器在計算機系統(tǒng)中所起的作用，可分為: 主存儲器主存儲器、輔助存儲器輔助存儲器、高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器、 控制存儲器控制存儲器等。等。 將基本的存儲電路有規(guī)則地組織起來，就是存儲體。將基本的存儲電路

4、有規(guī)則地組織起來，就是存儲體。 存儲體又有不同的組織形式存儲體又有不同的組織形式： 將各個字的將各個字的同一位同一位組織在一個芯片中，如：組織在一個芯片中，如：8118 16K8118 16K* *1 1（DRAMDRAM） 將各個字的將各個字的 4 4位位 組織在一個芯片中，組織在一個芯片中， 如：如：2114 1K2114 1K* *4 4 （SRAMSRAM） 將各個字的將各個字的 8 8位位 組織在一個芯片中，組織在一個芯片中， 如：如：6116 2K6116 2K* *8 8 （SRAMSRAM）。）。 為了區(qū)別不同的存儲單元，就給他們各起一個號為了區(qū)別不同的存儲單元，就給他們各起一

5、個號給于不同的地給于不同的地 址，以地址號來選擇不同的存儲單元。址，以地址號來選擇不同的存儲單元。 于是電路中要有于是電路中要有 地址譯碼器地址譯碼器、I/O電路電路、片選控制端片選控制端CS、輸出緩沖輸出緩沖 器器 等等三三. 存儲器（芯片）結(jié)構(gòu)與存儲原理存儲器（芯片）結(jié)構(gòu)與存儲原理(1) 地址譯碼地址譯碼 單譯碼方式單譯碼方式適用于小容量存儲器中，只有一個譯碼器。適用于小容量存儲器中，只有一個譯碼器。雙譯碼方式雙譯碼方式地址譯碼器分成兩個，可地址譯碼器分成兩個，可減少減少選擇線的數(shù)目。選擇線的數(shù)目。例：例：1024 * 1 的存儲器的存儲器(2) 驅(qū)動器驅(qū)動器 雙譯碼結(jié)構(gòu)中，在譯碼器輸出后

6、加驅(qū)動器，驅(qū)動掛在各條雙譯碼結(jié)構(gòu)中，在譯碼器輸出后加驅(qū)動器，驅(qū)動掛在各條X方向選擇方向選擇線上的所有存儲元電路。線上的所有存儲元電路。(3) I/O電路電路 處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間，處于數(shù)據(jù)總線和被選用的單元之間， 控制被選中的單元讀出或?qū)懭?，放控制被選中的單元讀出或?qū)懭?，放大信息。大信息?4) 片選片選 在地址選擇時，首先要選片在地址選擇時，首先要選片,只有當(dāng)片選信號有效時，此片所連的地址只有當(dāng)片選信號有效時，此片所連的地址線才有效。線才有效。(5) 輸出驅(qū)動電路輸出驅(qū)動電路 為了擴展存儲器的容量，常需要將幾個芯片的數(shù)據(jù)線并聯(lián)使用；另外為了擴展存儲器的容量，常需要將幾個芯片的數(shù)據(jù)線

7、并聯(lián)使用；另外存儲器的讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)都放在雙向的數(shù)據(jù)總線上。這就用到三態(tài)輸存儲器的讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)都放在雙向的數(shù)據(jù)總線上。這就用到三態(tài)輸出緩沖器。出緩沖器。3. 一個實際的靜態(tài)一個實際的靜態(tài)RAM的例子的例子Intel 2114 存儲器芯片存儲器芯片1024 * 4 的存儲器的存儲器4096 個基本存儲元，一個個基本存儲元，一個字字為為 4 位位, 有有 1024 個字個字, 排成排成 64 * 64 的矩陣，的矩陣， 需需 10 根地址線尋址根地址線尋址, 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 4 根根 。 寫允許寫允許片選片選1,1- - - - - - - - - - - - -A3A4A5A6A7A8A

8、0 A1 A2 A91,21,31,41,611,621,631,6464,164,264,364,464,6164,6264,6364,64X 譯碼器輸出譯碼器輸出 64 根選擇線，分別選擇根選擇線，分別選擇 1-64 行，行，Y 譯碼器輸出譯碼器輸出 16 根選擇線，分別選擇根選擇線，分別選擇 1-16 列控制各列的位線控制門。列控制各列的位線控制門。H1M1M容量的存儲器容量的存儲器地址范圍：地址范圍：00000H00000HFFFFFH FFFFFH 由由2020根地址線提供地址碼。根地址線提供地址碼。四四. .存儲器的讀寫操作存儲器的讀寫操作: : 系統(tǒng)為每一存儲單元編排一個地址，地

9、址碼為二進制系統(tǒng)為每一存儲單元編排一個地址，地址碼為二進制數(shù)，習(xí)慣上寫成數(shù)，習(xí)慣上寫成1616進制。由進制。由CPUCPU通過地址總線送存儲器的通過地址總線送存儲器的地址譯碼器的輸入。地址譯碼器的輸入。1. 1. 存儲器容量由地址線存儲器容量由地址線“寬度寬度”決定：決定：H4G4G容量的存儲器容量的存儲器 地址范圍：地址范圍：0000,0000H0000,0000HFFFF,FFFFHFFFF,FFFFH 由由3232根地址線提供地址碼。根地址線提供地址碼。例例：容量為：容量為8KB8KB（2 21313B B）的存儲器地址范圍：）的存儲器地址范圍：0000H0000H1FFFH1FFFH，

10、由由1313根地址線提供地址。根地址線提供地址。A11A11A12A12A0A00000H0000H0001H0001H1FFFH1FFFH地地址址譯譯碼碼器器讀寫控制電路讀寫控制電路存儲體存儲體存儲器讀寫命令存儲器讀寫命令 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線D0-D8D0-D8地址線地址線2.2.存儲器讀寫示意存儲器讀寫示意: : 讀讀存儲器過程存儲器過程某一存儲單元的內(nèi)容某一存儲單元的內(nèi)容送往送往CPUCPU數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線。CPUCPU通過地址線發(fā)出地址；通過地址線發(fā)出地址；由地址譯碼器對地址進行由地址譯碼器對地址進行“翻譯翻譯”, , 選中某一存儲單元；選中某一存儲單元；CPUCPU發(fā)出存儲器讀命令發(fā)出存儲器

11、讀命令, ,0000H0000H存儲器存儲器C CP PU U地地址址線線 A12A12A0A01FFFH1FFFH 地地址址譯譯碼碼器器讀寫控制電路讀寫控制電路 CPUCPU控制線控制線 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線C CP PU U數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線 A11A110001H0001H89H存儲器讀命令存儲器讀命令10010001101001234H1234H89H89H寫寫存儲器過程存儲器過程0000H0000H存儲器存儲器C CP PU U地地址址線線 A12A12A0A01FFFH1FFFH 地地址址譯譯碼碼器器讀寫控制電路讀寫控制電路 CPUCPU控制線控制線 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線C CP PU U數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)線線

12、A11A110001H0001HCPUCPU通過地址線發(fā)出地址，并把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上；通過地址線發(fā)出地址，并把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上；110100011010136HCPUCPU發(fā)出存儲器寫命令；發(fā)出存儲器寫命令；存儲器寫命令存儲器寫命令由地址譯碼電路對地址線進行由地址譯碼電路對地址線進行“翻譯翻譯”, ,“選中選中”某一單元；某一單元；1A35H1A35H89H89H把數(shù)據(jù)線信息送入把數(shù)據(jù)線信息送入選中的選中的存儲單元。存儲單元。 36H3.2 微型計算機系統(tǒng)中的存儲器組織微型計算機系統(tǒng)中的存儲器組織 現(xiàn)代計算機中的存儲器處于全機中心地位現(xiàn)代計算機中的存儲器處于全機中心地位 容量大，速度快，成本低

13、容量大，速度快，成本低 為解決三者之間的矛盾，目前通常采用為解決三者之間的矛盾，目前通常采用多級存儲器體系結(jié)構(gòu)多級存儲器體系結(jié)構(gòu)，即使用即使用高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器高速緩沖存儲器、主存儲器和外存儲器。 對存儲器的要求是：對存儲器的要求是： 寄存器寄存器Cache主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器 名稱名稱 高速緩沖高速緩沖 存儲器存儲器 主存儲器主存儲器 外存儲器外存儲器 簡稱簡稱 Cache 主存主存 外存外存用途用途 高速存取指令和數(shù)據(jù)高速存取指令和數(shù)據(jù) 存放計算機運行期間的存放計算機運行期間的大量程序和數(shù)據(jù)大量程序和數(shù)據(jù) 存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)存放系統(tǒng)程序和大型數(shù)據(jù)文件及數(shù)

14、據(jù)庫文件及數(shù)據(jù)庫特點特點 存取速度快，但存存取速度快，但存儲容量小儲容量小存取速度較快，存取速度較快， 存存儲容量不大儲容量不大存儲容量大，位成存儲容量大，位成本低，速度慢本低，速度慢存儲器的用途和特點存儲器的用途和特點1.1.存儲器的基本組織存儲器的基本組織(1) 與與CPU的連接的連接 主要是主要是 地址線、控制線、數(shù)據(jù)線地址線、控制線、數(shù)據(jù)線 的連接。的連接。(2) 多個芯片連接多個芯片連接 設(shè)計的設(shè)計的存儲器容量與實際提供的存儲器多有不符。實際存儲器容量與實際提供的存儲器多有不符。實際使用時，需進行使用時，需進行字和位擴展字和位擴展(多個芯片連接），組成所需要的多個芯片連接），組成所需

15、要的實際的存儲器實際的存儲器片容量總?cè)萘靠偲瑪?shù)/例如：存儲器容量為例如：存儲器容量為8K8，若選用，若選用2114芯片芯片(1K 4)，則需要：則需要：片16284188KK由多個存儲器芯片組成一個實際存儲器，并與由多個存儲器芯片組成一個實際存儲器，并與CPU連接。連接。A0A12D0D7位擴展法位擴展法 只加大字長，而存儲器的字數(shù)與存儲器芯片字數(shù)一致只加大字長，而存儲器的字數(shù)與存儲器芯片字數(shù)一致, 對對片子片子沒有選片沒有選片要求。要求。地址線地址線需需 13 根根 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 8 根根 控制線控制線 WR接存儲器的接存儲器的WE 字擴展法字擴展法用用16K 8位的芯片組成位的芯片組成64

16、 K K 8位的存儲器需位的存儲器需4個芯片個芯片 地址線地址線 共需共需16根根 片內(nèi)：片內(nèi)：(214 = 16384) 14根，選片：根，選片：2根根 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 8根根 控制線控制線 WE 最低地址最高地址C000FFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111111114最低地址最高地址8000BFFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111110103最低地址最高地址40007FFF00,0000,0000,000011,1111,1111,111101012最低地址最高地址00003FFF00,0000,0000,000011,

17、1111,1111,111100001說明總地址片內(nèi)A13 A12 .A1 A0選片A15 A14地址片號地址空間分配表地址空間分配表2:416K 816K 816K 816K 8 字位同時擴展法字位同時擴展法兩組存儲器的地址分配： 第一組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0000 h 0 0 0 0, 0 0 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 03FF h 第二組 A15 A14 A10 A9 A8 A7 A0 0 0 0 0, 0 1 0 0, 0 0 0 0, 0 0 0 0 0400 h 0

18、 0 0 0, 0 1 1 1, 1 1 1 1, 1 1 1 1 07FF h 這種選片的譯碼方式稱為，譯出的每一組地址是確定的、唯一的。 也可采用方式：只用A15-A10中的任意位來控制片選端。 如用A10，而 A15-A11可位任意值； 也可用A11，而A15-A12，A10 可位任意值；等不同組合。例例 設(shè)有若干片設(shè)有若干片256K8位的位的SRAM芯片，問：芯片，問：(1) 采用字擴展方法構(gòu)成采用字擴展方法構(gòu)成2048KB的存儲器需要多少片的存儲器需要多少片SRAM芯芯片？片？(2) 該存儲器需要多少字節(jié)地址位？該存儲器需要多少字節(jié)地址位？(3) 畫出該存儲器與畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號有的接口信號有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和和R/W#。解：解：(1) (1) 該存儲器需要該存儲器需要2048K/256K = 82048K/256K = 8片片SRAMSRAM芯片；芯片； (2) (2) 需要需要2121條地址線，因為條地址線，因為2 22121=2048K=2048K，其中高，其中高3 3位用于芯片選擇，低位用于芯片選擇，低1818位作為每個存儲器芯片的地址輸入。位作為每個存儲器芯片的地址輸入。 (3) (3