計算機組成原理之存儲擴展及地址譯碼

1、14、存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)、存儲系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)n存儲系統(tǒng)是由幾個容量、速度和價格各不相同的存儲器構(gòu)成的系統(tǒng)。設(shè)計一個容量大、速度快、成本低的存儲系統(tǒng)是計算機發(fā)展的一個重要課題。本節(jié)重點數(shù)據(jù)在主存中的存放方法和主存儲器容量的各種擴展方法。 24.1主存儲器的組織主存儲器的組織 n主存儲器是整個存儲系統(tǒng)的核心，它用來存放計算機運行期間所需要的程序和數(shù)據(jù)，CPU可直接隨機地對它進行訪問。 34.1.1主存儲器的基本結(jié)構(gòu)主存儲器的基本結(jié)構(gòu) n主存通常由存儲體、地址譯碼驅(qū)動電路、I/O和讀寫電路組成。 44.1.1主存儲器的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)）主存儲器的基本結(jié)構(gòu)（續(xù)） n存儲體是主存儲器的核心，程序和數(shù)據(jù)都存放在存儲體

2、中。 n地址譯碼驅(qū)動電路實際上包含譯碼器和驅(qū)動器兩部分。譯碼器將地址總線輸入的地址碼轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的譯碼輸出線上的有效電平，以表示選中了某一存儲單元，然后由驅(qū)動器提供驅(qū)動電流去驅(qū)動相應(yīng)的讀寫電路，完成對被選中存儲單元的讀寫操作。 nI/O和讀寫電路包括讀出放大器、寫入電路和讀寫控制電路，用以完成被選中存儲單元中各位的讀出和寫入操作。54.1.2主存儲器的存儲單元主存儲器的存儲單元 n位是二進制數(shù)的最基本單位，也是存儲器存儲信息的最小單位。一個二進制數(shù)由若干位組成，當這個二進制數(shù)作為一個整體存入或取出時，這個數(shù)稱為存儲字。存放存儲字或存儲字節(jié)的主存空間稱為存儲單元或主存單元，大量存儲單元的集合構(gòu)

3、成一個存儲體，為了區(qū)別存儲體中的各個存儲單元，必須將它們逐一編號。存儲單元的編號稱為地址，地址和存儲單元之間有一對一的對應(yīng)關(guān)系。64.1.2主存儲器的存儲單元（續(xù)）主存儲器的存儲單元（續(xù)）nPDP-11機是字長為16位的計算機，主存按字節(jié)編址，每一個存儲字包含2個單獨編址的存儲字節(jié)，它被稱為小端方案，即字地址等于最低有效字節(jié)地址，且字地址總是等于2的整數(shù)倍，正好用地址碼的最末1位來區(qū)分同一個字的兩個字節(jié)。 74.1.3主存儲器的主要技術(shù)指標主存儲器的主要技術(shù)指標 n1.存儲容量 n對于字節(jié)編址的計算機，以字節(jié)數(shù)來表示存儲容量；對于字編址的計算機，以字數(shù)與其字長的乘積來表示存儲容量。如某機的主存

4、容量為64K16，表示它有64K個存儲單元，每個存儲單元的字長為16位，若改用字節(jié)數(shù)表示，則可記為128K字節(jié)（128KB）。 注意：注意：通常情況下，應(yīng)認為通常情況下，應(yīng)認為1MB1MB代表代表1024KB1024KB。 但在表述硬盤的存儲容量時，目前習慣上但在表述硬盤的存儲容量時，目前習慣上1MB1MB指指1000KB1000KB。8n2.存取速度存取速度n 存取時間Ta n存取時間又稱為訪問時間或讀寫時間，它是指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。例如：讀出時間是指從CPU向主存發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選單元的內(nèi)容讀出為止所用的時間；寫入時間是指從CPU向主存發(fā)出有效

5、地址和寫命令開始，直到信息寫入被選中單元為止所用的時間。顯然Ta越小，存取速度越快。9n2.存取速度（續(xù)）存取速度（續(xù)） n 存取周期Tm n存取周期又可稱作讀寫周期、訪內(nèi)周期，是指主存進行一次完整的讀寫操作所需的全部時間，即連續(xù)兩次訪問存儲器操作之間所需要的最短時間。顯然，一般情況下，TmTa。這是因為對于任何一種存儲器，在讀寫操作之后，總要有一段恢復內(nèi)部狀態(tài)的復原時間。對于破壞性讀出的RAM，存取周期往往比存取時間要大得多，甚至可以達到Tm=2Ta，這是因為存儲器中的信息讀出后需要馬上進行重寫（再生）。10n2.存取速度（續(xù)）存取速度（續(xù)） n 主存帶寬Bm n主存的帶寬又稱為數(shù)據(jù)傳輸率，

6、表示每秒從主存進出信息的最大數(shù)量，單位為字每秒或字節(jié)每秒或位每秒。目前，主存提供信息的速度還跟不上CPU處理指令和數(shù)據(jù)的速度，所以，主存的帶寬是改善計算機系統(tǒng)瓶頸的一個關(guān)鍵因素。為了提高主存的帶寬，可以采取的措施有： n縮短存取周期； n增加存儲字長； n增加存儲體。 11n3.可靠性可靠性 n可靠性是指在規(guī)定的時間內(nèi)，存儲器無故障讀寫的概率。通常，用平均無故障時間MTBF來衡量可靠性。 n 4.功耗功耗 n功耗是一個不可忽視的問題，它反映了存儲器件耗電的多少，同時也反映了其發(fā)熱的程度。通常希望功耗要小，這對存儲器件的工作穩(wěn)定性有好處。大多數(shù)半導體存儲器的工作功耗與維持功耗是不同的，后者大大地

7、小于前者。 124.2主存儲器的連接與控制主存儲器的連接與控制 n由于存儲芯片的容量有限的，主存儲器往往要由一定數(shù)量的芯片構(gòu)成的。而由若干芯片構(gòu)成的主存還需要與CPU連接，才能在CPU的正確控制下完成讀寫操作。 134.2.1主存容量的擴展主存容量的擴展 n要組成一個主存，首先要考慮選片的問題，然后就是如何把芯片連接起來的問題。根據(jù)存儲器所要求的容量和選定的存儲芯片的容量，就可以計算出總的芯片數(shù)，即總片數(shù) n將多片組合起來常采用位擴展法、字擴展法、字和位同時擴展法。 14n1.位擴展位擴展 n位擴展是指只在位數(shù)方向擴展（加大字長），而芯片的字數(shù)和存儲器的字數(shù)是一致的。位擴展的連接方式是將各存儲

8、芯片的地址線、片選線和讀寫線相應(yīng)地并聯(lián)起來，而將各芯片的數(shù)據(jù)線單獨列出。 如用64K1的SRAM芯片組成64K8的存儲器，所需芯片數(shù)為： 64K8/64K1=8片15n1.位擴展（續(xù)）位擴展（續(xù)） nCPU將提供16根地址線、8根數(shù)據(jù)線與存儲器相連；而存儲芯片僅有16根地址線、1根數(shù)據(jù)線。具體的連接方法是：8個芯片的地址線A15A0分別連在一起，各芯片的片選信號/CS以及讀寫控制信號/WE也都分別連到一起，只有數(shù)據(jù)線D7D0各自獨立，每片代表一位。 n當CPU訪問該存儲器時，其發(fā)出的地址和控制信號同時傳給8個芯片，選中每個芯片的同一單元，相應(yīng)單元的內(nèi)容被同時讀至數(shù)據(jù)總線的各位，或?qū)?shù)據(jù)總線上的

9、內(nèi)容分別同時寫入相應(yīng)單元。 16位擴展連接舉例位擴展連接舉例 64K8芯片組A15A0A0A15D7D0D0D7_CS_CS_WE_WE等效為64K112345678I/OI/OI/OI/OI/OI/OI/OI/O. .地址總線數(shù)據(jù)總線擴展條件：擴展條件：設(shè)目標容量為設(shè)目標容量為M字字N位，存儲器芯片容量為位，存儲器芯片容量為 m字字n位，位， Mm ，Nn，則需要的存儲器芯片數(shù)，則需要的存儲器芯片數(shù)N/n。 17n2.字擴展字擴展 n字擴展是指僅在字數(shù)方向擴展，而位數(shù)不變。字擴展將芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫線并聯(lián)，由片選信號來區(qū)分各個芯片。 如用16K8的SRAM組成64K8的存儲器，所需芯

10、片數(shù)為： n64K8/16K8=4片16K 80000H0000H3FFFH3FFFH16K 84000H4000H7FFFH7FFFH16K 8C000HC000HFFFFHFFFFH.D D7 7 D D0 0182.字擴展（續(xù)）字擴展（續(xù)） nCPU將提供16根地址線、8根數(shù)據(jù)線與存儲器相連；而存儲芯片僅有14根地址線、8根數(shù)據(jù)線。四個芯片的地址線A13A0、數(shù)據(jù)線D7D0及讀寫控制信號/WE都是同名信號并聯(lián)在一起；高位地址線A15、A14經(jīng)過一個地址譯碼器產(chǎn)生四個片選信號/CS，分別選中四個芯片中的一個。 19字擴展連接舉例字擴展連接舉例 16K816K816K816K8_WECSD7

11、D0A15A0A13A0A15A14_WE_WE_WE_WED7D0D7D0D7D0D7D0A13A0A13A0_CS_CS_CS_CSA13A0A13A0譯碼器_Y3_Y2_Y1_Y0.。 。 。 。 。 CS3CS2CS1CS0在同一時間內(nèi)在同一時間內(nèi)4個芯片中最多只有一個芯片被選中。個芯片中最多只有一個芯片被選中。 202.字擴展（續(xù)）字擴展（續(xù)） 芯片編號芯片編號A15 A14 A13 A8 A0地址范圍地址范圍SRAM芯片芯片00 0 0 0 0 1 1 - 10000H3FFFHSRAM芯片芯片1 0 10 0 0 1 1 - 14000H7FFFHSRAM芯片芯片2 1 00 0

12、 0 1 1 - 18000HBFFFHSRAM芯片芯片31 1 0 0 0 1 1 - 1C000HFFFFH21n3.字和位同時擴展字和位同時擴展n當構(gòu)成一個容量較大的存儲器時，往往需要在字數(shù)方向和位數(shù)方向上同時擴展，這將是前兩種擴展的組合，實現(xiàn)起來也是很容易的。 D D7 7 D D4 4 D D3 3 D D0 08K 40000H0000H1FFFH1FFFH8K 48K 42000H2000H3FFFH3FFFH8K 4例：用例：用8K8K4 4芯片組成芯片組成16K16K8 8存儲器存儲器 擴展條件：擴展條件：目標容量為目標容量為M字字N位，存儲器芯片容量為位，存儲器芯片容量為m

13、字字n位，位，Mm ，Nn，則需要的存儲器芯片數(shù)，則需要的存儲器芯片數(shù)（M/m）（N/n）22字和位同時擴展連接舉例字和位同時擴展連接舉例 字和位同時擴展連接舉例23地址譯碼介紹n芯片的地址線通常應(yīng)全部與系統(tǒng)的低位地址總線相連n尋址時，這部分地址的譯碼是在存儲芯片內(nèi)完成的，我們稱為“片內(nèi)譯碼”1.存儲芯片地址線的連接存儲芯片地址線的連接24片內(nèi)譯碼地址線地址線 A9A0存儲芯片存儲芯片存儲單元存儲單元25片內(nèi)譯碼000H001H002H3FDH3FEH3FFH000000010010110111101111（16進制表示）進制表示）A9A0片內(nèi)10 位地址譯碼10 位地址的變化：全0全1262

14、.存儲芯片片選端的譯碼存儲芯片片選端的譯碼n存儲系統(tǒng)常需要利用多個存儲芯片進行容量的擴充，也就是擴充存儲器的地址范圍n這種擴充簡稱為“地址擴充”或“字擴充”n進行“地址擴充”時，需要利用存儲芯片的片選端來對存儲芯片（芯片組）進行尋址n通過存儲芯片的片選端與系統(tǒng)的高位地址線相關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)對存儲芯片（芯片組）的尋址，常用的方法有：n全譯碼全部高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）n部分譯碼部分高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）n線選法某根高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（參與芯片譯碼）n片選端常有效無高位地址線與片選端關(guān)聯(lián)（不參與芯片譯碼）27地址擴充（字擴充）片選端片選端D7D0A19A10A9A0（2

15、）A9A0D7D0-CE（1）A9A0D7D0-CE譯碼器00000000010000000000低位地址線低位地址線高位地址線高位地址線28片選端常有效A19A15 A14A0 全全0全全1D7D027256EPROMA14A0CE片選端常有效片選端常有效與與A19A15 無關(guān)無關(guān)29地址重復n1個存儲單元具有多個存儲地址的現(xiàn)象n原因：有些高位地址線沒有用、可任意n使用地址：出現(xiàn)地址重復時，常選取其中既好用、又不沖突的一個“可用地址”n例如：00000H07FFFHn選取的原則：高位地址全為0的地址高位地址譯碼才更好高位地址譯碼才更好30 譯碼和譯碼器n譯碼：將某個特定的“編碼輸入”翻譯為唯

16、一一個“有效輸出”的過程n譯碼器件：n采用門電路組合邏輯進行譯碼n采用集成譯碼器進行譯碼，常用的器件有：n2-4 （4 選 1）譯碼器74LS139n3-8 （8 選 1）譯碼器74LS138n4-16 （16 選 1）譯碼器74LS15431譯碼的概念N 位編碼輸入位編碼輸入2N 位譯碼輸出位譯碼輸出唯一有效的輸出唯一有效的輸出其余均無效其余均無效譯譯碼碼器器32門電路譯碼A1 A0Y0 Y1 Y2 Y3A19A18A17A16A15（b）（a）A0Y0Y1Y低電平有效低電平有效高電平有效高電平有效（c）33譯碼器74LS13812345678910111213141516ABCE1E2E3

17、Y7GNDY6Y5Y4Y3Y2Y1Y0Vcc74LS138引腳圖引腳圖Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7E3E2E1CBA74LS138原理圖原理圖34譯碼器74LS138的功能表35 全譯碼n所有的系統(tǒng)地址線均參與對存儲單元的譯碼尋址n包括低位地址線對芯片內(nèi)各存儲單元的譯碼尋址（片內(nèi)譯碼），高位地址線對存儲芯片的譯碼尋址（片選譯碼）n采用全譯碼，每個存儲單元的地址都是唯一的，不存在地址重復n譯碼電路可能比較復雜、連線也較多36全譯碼示例A19A18A17A15 A14A13A16CBAE3138 A12A0CEY6E2E1IO/-M2764371C000H1DFFFH全全0全全10 0 0 1

18、 1 1 00 0 0 1 1 1 0地址范圍地址范圍A12A0A19A18A17A16A15A14 A13全譯碼示例地址分析38 部分譯碼n只有部分（高位）地址線參與對存儲芯片的譯碼n每個存儲單元將對應(yīng)多個地址（地址重復），需要選取一個可用地址n可簡化譯碼電路的設(shè)計n但系統(tǒng)的部分地址空間將被浪費39部分譯碼示例138A17 A16A11A0A14 A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3-E2-E1IO/-M-CE-CE-CE-CE-Y0-Y1-Y2-Y3請看地址分析請看地址分析40部分譯碼示例地址分析1234芯片10101010A19 A1520000H20FFFH21000H21FFFH22000H22FFFH23000H23FFFH全0全1全0全1全0全1全0全1000001010011一個可用地址A11A0A14 A1241 線選譯碼n只用少數(shù)幾根高位地址線進行芯片的譯碼，且每根負責選中一個芯片（組）n雖構(gòu)成簡單，但地址空間嚴重浪費n必然會出現(xiàn)地址重復n一個存儲地址會對應(yīng)多個存儲單元n多個存儲單元共用的存儲地址不應(yīng)使用42線選譯碼示例A14A12A0A13(1)2764(2)2764 CECE請看地址分析請看地址分析43線選譯