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计算机组成原理 · 存储器层次结构

主存与CPU连接

重要度 ⭐⭐⭐⭐存储器层次结构主存CPU连接总线存储器扩展存储器
速查
CPU 通过三类总线连接主存:地址总线(CPU→存储器,指定单元)、数据总线(双向,传输数据)、控制总线(R/W̅、MREQ̅、READY)。单个芯片容量不够时,用位扩展(加宽字长)、字扩展(加深容量)或字位同时扩展组合成所需存储器。

速查

项目
连接方式通过总线(地址总线 + 数据总线 + 控制总线)
地址线CPU 地址线 → 存储器地址输入
数据线CPU 数据线 ↔ 存储器数据 I/O
控制线R/W̅、MREQ̅ 等控制信号
存储器扩展位扩展(加宽)/ 字扩展(加深)/ 字位扩展

核心概念

CPU 与主存的连接信号

信号方向说明
地址总线CPU → 存储器指定访问的存储单元
数据总线双向传输读写的数据
R/W̅CPU → 存储器读 / 写控制
MREQ̅CPU → 存储器存储器请求(低有效)
READY存储器 → CPU存储器就绪信号

存储器扩展技术

位扩展(数据宽度扩展)

  • 目的:增加数据字长(如 8 位 → 32 位)
  • 方法:多个芯片的地址线和控制线并联,数据线各自独立
  • :4 片 $8K\times8$ 位芯片 → $8K\times32$ 位
  • 地址空间不变,数据宽度增加

字扩展(容量扩展)

  • 目的:增加存储单元数量
  • 方法:各芯片数据线并联,用高位地址译码选片
  • :4 片 $8K\times8$ 位芯片 → $32K\times8$ 位
  • 数据宽度不变,地址空间增加

字位同时扩展

  • 目的:同时增加容量和数据宽度
  • 方法:先位扩展成组,再字扩展选组
  • :8 片 $8K\times8$ 位 → $32K\times16$ 位(2 片位扩展成 16 位,4 组字扩展)

地址分配与片选

字扩展时,用高位地址产生片选信号

例:4 片 8K×8 位组成 32K×8 位
地址范围:0x0000 ~ 0x7FFF
├── 芯片0:0x0000 ~ 0x1FFF(A15A14 = 00)
├── 芯片1:0x2000 ~ 0x3FFF(A15A14 = 01)
├── 芯片2:0x4000 ~ 0x5FFF(A15A14 = 10)
└── 芯片3:0x6000 ~ 0x7FFF(A15A14 = 11)

关键性质

扩展方式地址线数据线效果
位扩展并联独立字长增加
字扩展译码选片并联容量增加
字位扩展译码选组组内并联两者都增加
判据数据不够宽 → 位扩展;容量不够 → 字扩展;两者都不够 → 字位同时扩展

常见考法

考法解题套路
设计存储器连接方案确定需要的芯片数 = 目标容量 / 单片容量
计算地址范围根据片选信号的译码方式推导
画连接图地址线 / 数据线 / 控制线的连接方式
位扩展 vs 字扩展数据不够宽 → 位扩展,容量不够 → 字扩展
片选逻辑设计高位地址 → 译码器 → CS̅

易错点

必记
  • ⚠️ 位扩展时地址线并联(所有芯片同一地址),数据线独立
  • ⚠️ 字扩展时数据线并联,高位地址做片选
  • ⚠️ 地址线数量 = $\log_2($容量$)$,数据线数量 = 字长
  • ⚠️ 片选信号通常是低有效(CS̅)
  • ⚠️ 存储器扩展不改变芯片本身的存取速度

核心结论

  1. CPU 通过总线(地址 + 数据 + 控制)连接主存
  2. 位扩展增加数据宽度,字扩展增加容量
  3. 字扩展时高位地址通过译码器产生片选信号
  4. 地址分配由片选逻辑决定
  5. 实际系统中常同时使用位扩展和字扩展

记忆卡片

位扩展和字扩展的区别?
位扩展加宽数据线,字扩展加深地址空间。
字扩展中如何选片?
高位地址通过译码器产生片选信号 CS̅。
位扩展时地址线怎么接?
并联(所有芯片共享同一地址)。
如何计算地址线数量?
地址线数 = $\log_2($存储单元数$)$。
片选信号通常是什么有效?
低有效(CS̅)。

交互动画 · 位扩展 vs 字扩展

CPU地址/数据/控制 芯片0 (8K×8) 芯片1 (8K×8) 芯片2 (8K×8) 芯片3 (8K×8) 地址 A 并联 数据 D0~D3 各占 1 位
点击「位扩展」或「字扩展」,查看 CPU 与多芯片的连线差异
橙色流动虚线代表当前激活的总线:位扩展中地址线并联、数据分位;字扩展中数据线并联、低位地址并联、高位地址经译码器产生片选。

相关知识点

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