考研408复习日志之计算机组成原理

1.存储器层次所在位置

如图1所示：

     图1所示是存储器的层次结构图，我们现在学习的是红框内CPU部分与主存部分的连接，而缓存我们会 在后面着重讲解。

2.CPU与主存的连接方式      CPU和主存之间，主要是通过数据总线，地址总线和控制总线连接，其中数据总线是用来传 输数据，这个数据有可能是要写到存储器里的，也有可能是刚从存储器里面读出来的，而地址 总线上传输的当然是地址啦，CPU发送这个地址有可能是想让存储器去查位于这个地址的数据 ，也有可能是配合数据总线上的数据，将数据总线上的数据写入这个地址，这个就好像快递站 一样，每时每刻都会有快递收进来，每时每刻也有快递寄出去，收进来的快递目的地的地址当 然是这个快递站的地址，而发出去的快递则有不同的地址。      但是，计算机的内存一般都是由不同的内存区域组合在一起的，这些区域的内存大小可能不 一样，作用也不一样，如图2所示：

     所以为了能够管理这些扩展的存储器，我们就需要制定一种扩展方式，规定存储器应该如何 正确地和数据&&地址&&控制总线连接，这就引出了我们的第一节内容。

（2.1）存储器的扩展方式 因为计算机的数据总线和地址总线的根数是固定的，我们假设一个计算机，它的数据总线宽度 是8位，也就是数据总线含有8根数据线，它的地址总线的宽度是16位，也就是地址总线含有16根 地址线， 我们扩展的存储器，要尽量和计算机的指标兼容，但是由于许多存储器的大小是2k*4位 之类不标准的规格，我们就要想办法对这些芯片进行组合，使得它们满足计算机的指标，那如何 扩展，这里就有两种扩展方式：位扩展和字扩展，我们接下来讨论这两种扩展方式。

2.1.1 位扩展       我们先来看一张图片，如图3所示：

      位扩展其实就是为了能够让存储系统能 够适应 计 算机的数据总线的宽度，以免 出现数据总线有 8位 ，而存储器只有4位 ，造成一个字节要分两次 读取 ，麻烦还 低效。       然后我们在用实际的结构来显示计算机 是如何 进行位扩展的，假设计算机的数 据总线是8位，地 址总线是16位，想要设 计一个8k x 8位的存储系统 ，但是手头上 只有8k x 4位的存储系统，问如何设 计？

     首先，为了能够适配计算机的8位数据总线，我们需要实现一个目标：当计算机通过地 址总 线给定一个地址，要读取这个地址的数据，数据法总线上要能够一次性传输8位数据 ，所以 我 们要将两块8k * 4位的存储芯片设计成8k*8位的存储芯片，也就是位扩展，如图4所示：

     因为数据总线有8根数据线， 而一颗8k*4位的存储芯片只有4 根数据线，所以我们将第一颗存 储芯片的4根地址线接在数据总 线的低四位，第二颗存储芯片的 4根地址线接在数据总线的高四 位，并且将它们的片选线和读/写 选择线连接在一起，这样当A13 = 0时，两片芯片就会被一起选 中，一起被进行读/写操作，所以 位扩展是一种存储芯片兼容计算 机数据总线的方法。

#补充内容       1.给定存储器的内存大小，如何计算需要多少根地址线才能保证可以寻找到该存储器的任意一个存储 单元？ 如果给定一个8K * 4位的存储芯片，如何计算它需要多少根地址线？首先假设在有2根地址线的情况 下，2根地址线有4种状态，也就是可以指示4个存储单元，3根地址线，就可以指示8个存储单元，n 根地址线，就可以指示2^n 个存储单元，而8k = 8*1024 = (2 ^ 3) * (2 ^10），也就是需要13根线，才能 指示该存储芯片的所有存储单元，找到这个存储单元后，就对其存储单元进行操作，这里强调一下 ，8k * 4位的存储单元是4bit的，也就是4个存储元。      2.CS和W/R线的原理和作用 CS这个符号其实上面有一个横线，但是这里无法键入这样一个字符，所以就写作CS，CS实际上 是片选线（Chip Select），当CS线为低电平时，表示该芯片被选中，可以进行读写操作，CS为高 点平时，表示该芯片不能被操作。 W/R就是Write/Read，读写控制线，当W/R = 1时，表示写，W/R = 0时，表示读。

2.2.2 字扩展      我们还是先看一张图片，如图5所示：

     如果按照地址总线是16根线，存储单元是 一 个字节的标 准计算的话，该系统可以外接的存 储器的最大容量是：(2 ^16)/1024 = 64KB，但是 很多时候，存储芯片的大小是16KB，8KB或4 KB这样的规格。      所以我们要设计一种方法，使得可以利用这 些芯片凑出64KB，自然也就想到将这些芯片连 接在一起，如何连接？这就是字扩展了。

     首先，数据总线是8位的，地址总线是16位的，给定2个8K*8位的存储芯片，要求设计出 一个 8K * 8位的存储芯片。 数据总线是8位的，而两颗芯片的数据宽度也是8位的，所以不用进行位扩展，而且我们 可以知道的是，因为数据总线是8位的，所以在同一时刻，只会处理8位数据，也就是说在 同一时刻，只会选中一颗存储芯片，即我们要设计出一种机制，让芯片M1被操作的时候， 芯片M2不能被操作，这里CS的作用就体现出来了。

第一阶段总结：      以上介绍了主存与CPU连接部分的基础内容，包括位扩展和字扩展，其实还有一个字位控制，就是字 扩展和位扩展的综合。 第二阶段我们将介绍在给定用户程序区域地址范围和系统程序地址范围时，如何合理选择芯片和扩展 方式，以及需要的芯片数量，地址线的数量，和片选译码的方法。

PS:后续还会定期继续更新内容，直到考研结束！（想继续和我一起讨论的点波关注哦），我主要是想定期督促自己！哈哈！ 》》2021/6/17于赣州

下一期内容：给定用户程序区域地址范围和系统程序地址范围时，如何合理选择芯片和扩展 方式，以及需要的芯片数量，地址线的数量，和片选译码的方法。