存储器与CPU的连接
微型计算机系统原理及应用 第4章 半导体存储器
17
4．3 半导体只读存储器（ROM）
4.3.1 掩膜式只读存储器ROM ROM制造厂家按用户提供的数据，在芯片制造时
写定。用户无法修改。
18
4.3.2 可编程的只读存储器PROM 只能写入一次。
19
4.3.3 可编程、可擦除的只读存储器EPROM
1. 紫外线擦除的EPROM 进行照射10～20min，擦除原存信息，成为全1状态。
8
2．静态RAM的结构 将多个存储单元按一定方式排列起来，就组成了一个静 态RAM存储器。
9
典型的SRAM 6116：2KB，A0~A10，D0~D7形成 128*16*8（每8列组成看作一个整体操作）的阵列
片选CS# 输出允许 OE#
读写控制 WE#
10
典型的SRAM芯片6264 (8KB)
29
存储器芯片的选用
RAM、ROM区别：
–ROM：ROM用来存放程序，为调试方便，多采用EPROM
–RAM：存储器容量不大，功耗较小时，可采用静态RAM；
系统较大，存储器容量很大，功能和价格成为主要矛盾， 要选择动态RAM，这时要考虑刷新问题。
组成存储器模块时，需要考虑的因素主要有：容
量、速度、负载等：
14
2. 双端口RAM举例
CY7C130/131/140/141 1K*8bit高速双端口SRAM A0~A9：地址线 I/O0~I/O7：数据线 CE#：片选 OE#：输出允许线 R/W#：读写控制 BUSY#： INT#：
15
存储器的基本组成 半导体存储器的内部结构为例
译码电路： 重合译码方式 存储体：核心。一个 基本存储电路可存入 一个二进制数码
A12 A7 A6 A5 A4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 Vcc WE CS 2 A8 A9 A 11 OE A 10 CS 1 D7 D6 D5 D4 D3
探讨CPU与存储器的关系
探讨CPU与存储器的关系目前世界上主要CPU设计公司都在更新CPU，电脑应用和手机通信促进了CPU的进步，CPU发展道路在2000年前后靠提高工作频率，2010年之后直到现在靠提高核数，增加缓存，集成更多电路来提高性能，工艺上进展到5纳米左右了，但是CPU和存储器的结构基本没有发生太大的变化，从CPU向外依次是各核心独享的一级数据和一级指令缓存，独享的二级缓存，目前最大每核约2M容量，三级缓存是多核心共用，目前最大约32M容量，接下来是内存，目前最大约8G容量，再就是固态硬盘，目前手机上最大差不多用512G容量，台式机还可以用机械硬盘约2T，再往外数还有U盘和光驱等等，所以CPU很大部分功能和性能是靠存储器来提高的，一级数据和一级指令缓存看起来只有32K容量，他和CPU联系最紧密，工作频率可认为和CPU频率相当，实际上是最不能少的存储器。
硬盘和U盘主要是掉电后还要保存数据，功能稍有不同。
英特尔发布的CPU新品Intel Core i9-13900K 有8个性能核 P-Core，与16个能效核 E-CoreRaptor ，共计24 核 32 线程，P-Core采取RaptorCove 微架构，而能效核虽然还是 Gracemont 架构，每集群 L2 缓存提升至了4MB。
睿频5.8GHz，基础功耗 125W，最大睿频功耗 253W;i，K系列处理器依旧使用了 32EU 的 UHD770，与上代保持一致。
DDR5内存的默认支持频率则升至 5600MT/s，同时依旧支持 DDR4 内存。
i9-13900K具有 8颗性能核以及16颗能效核，如图所示，性能核一级数据Data缓存8*48K字节，12线程，一级指令缓存Inst有 8*32K字节，8线程，二级缓存8*2M字节，16线程，三级缓存36M字节，12线程，三级和二级的缓存总容量提升到了68MB，其中L3级缓存为36MB，相比12代酷睿还是提升了不少。
16颗能效核一级数据Data缓存16*32K字节一级指令缓存Inst有16*64K字节，二级缓存4*4M字节,三级缓存共用。
上海大学《计算机组成原理》笔记概要总结
计算机组成原理第一章—计算机系统概论1.1计算机系统的简介1. 计算机系统由硬件与软件两大部分组成2. 将高级程序语言翻译成机器语言的程序称为翻译程序，翻译程序有两种，一种是编译程序，一种是解释程序，编译与解释的区别在于，编译程序是将高级语言程序一次性翻译为机器语言程序，而解释程序是翻译一句，执行一句。
3. 高级语言经过编译程序翻译为汇编语言，汇编语言经汇编程序，翻译为机器语言程序1.2计算机的基本组成1.1945年冯诺依曼提出了"存储程序"的概念，冯诺依曼机特点：1. 计算机由存储器，运算器，控制器，输入设备与输出设备组成2. 指令与数据以同等地位存放在存储器内，按地址寻访3. 指令与数据均按二进制数表示4. 指令由操作码与地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置5. 指令在存储器内按顺序存放6. 计算机以运算器为中心，输入设备与输出设备的数据传送通过运算器来完成2.冯诺依曼机是由运算器为中心的，现代计算机是以存储器为中心的3.计算机的工作过程（必考）涉及的元器件：MAR(地址寄存器)，MDR(指令寄存器)，ALU(算数逻辑单元)，ACC(累加器)，MQ(乘商寄存器)，PC(程序计数器)，IR(指令寄存器)（掌握执行指令的全过程）4.机器字长：机器字长是指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关5.存储容量：存储容量存储单元个数存储字长6.运算速度(可能出计算)：Vm = 1 / Tm 单位MIPS(百万指令每秒)CPI （执行每条指令所需要的时钟周期）= 1 / IPC(CPU每一周期执行指令的条数，一旦CPU设计完成，IPC的值不会变)第三章—系统总线3.1总线的基本概念总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的介质（总线的每条传输线可以传输1位二进制代码）3.2总线的分类总线按照数据传送方式可分为两类：1. 并行传输总线2. 串行传输总线按连接部件的不同可以分为三类（掌握加粗部分）：1. 片内总线(指芯片内部的总线)2. 系统总线3. 通信总线3.2.1片内总线概念：片内总线是指芯片内部的总线3.2.2系统总线系统总线是指CPU,I/O设备，主存各大部件的信息传输线按照系统总线的传输信息不同，可分为三类：1. 数据总线2. 地址总线3. 控制总线1.数据总线：双向传输总线，与机器字长与存储字长有关2.地址总线：单向传输总线，由CPU发出，主存的地址线位数与存储单元的个数有关3.控制总线：从单个来说传输是单向的，从总体来说传输的双向的3.2.3通信总线（了解即可）这类总线用于计算机系统之间或计算机系统与其他操作系统之间的通信3.3总线特征与性能指标3.3.2总线性能指标1.总线宽度：总线宽度可以数据总线的宽度，用位来表示，例如8位，16位，32位2.总线带宽（要求会计算，且掌握提高总线速率的方式）：总线带宽可以理解为总线的传输速率，即单位时间上的传输数据的位数，通常用每秒传输的字节数来衡量，单位Mbps(兆字节每秒)例子：总线的频率为33Hz，总线宽度为32位，求总线带宽？33*（32/8）=132MBps3.总线复用：一条信号线上传输两种线号，例如，一条总线上即可传输地址信号，又可传输数据信号，此称之为总线复用3.3.3总线标准（掌握PCI,USB）1.PCI总线：为了提升总线性能，由Intel首先提出，PCI中文名称为外围部件互连，其最出名的特性为即插即用，即任何扩展卡插入系统便可直接工作，现在已推出了PCI-ExpressB总线：通用串行总线，真正的即插即用，这里的串行指的是串行通信，即使用一条数据线，将数据1位1位的进行传输，不可同时传输2位数据3.5总线控制1.为何使用总线控制？由于总线上连接着多个部件，什么时候由哪个部件发送信息，如何给信息传送定时，如何防止信息丢失，如何避免多个部件同时发送，如何规定接受信息的部件等一系列问题，都需要由总线控制器统一管理。
CPU与存储器的连接
全译码法
除去与存储芯片直接相连的低位地址总线之外，将剩余的地址总线全部
送入“片外地址译码器”中进行译码的方法就称为全译码法。 其特点是物理地址与实际存储单元一一对应，但译码电路复杂。
A0~A12
8KB (1) CS 8KB (2) CS 8KB (8) CS
A13~A15
3-8 译码器
Y0 Y1
Y7
字扩展(扩大地址) A14 译 码 器 CS 1
A15
A0
2 CS
3
CS
CS
…
…
…
A13
WE D0 D1 D2 D3
D0 ~ D 3
WE
WE
D0 ~ D3
WE
…
16K×4
16K×4
16K×4
16K×4
D0 ~ D3
WE
D0 ~ D 3
2. CPU总线的负载能力 在设计CPU芯片时，一般考虑其输出线的直流负载能力为带一个TTL 负载。现在的存储器一般都为MOS电路，直流负载很小，主要的 负载是电容负载，故在小型系统中，CPU是可以直接与存储器相 连的，而较大的系统中，若CPU的负载能力不能满足要求，可以 （就要考虑CPU能否带得动，需要时就要加上缓冲器，）由缓冲 器的输出再带负载。
1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0
地 址范围 ×7FFFH ×B800H ×BFFFH ×C800H ×CFFFH ×E800H ×EFFFH ×F000H ×F7FFH ×7800H
ROM的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。
存储器及其与CPU的接口课件
•存储器及其与CPU的接口
•17
• 2764工作方式：
• 读方式：这是EPROM的主要工作方式。此时， VCC=VPP，CE=0，OE=0。数据线为输出。
• 维持方式（未选中）：此时，CE=1，VCC=VPP，OE任 意，EPROM数据线为高阻态。
• 编程方式（写入方式）：VPP加规定电压，CE=OE=1， EPROM数据线为输入。
• 由于存储单元的熔丝一旦被烧断就不能恢复，因此 PROM存储的信息只能写入一次，不能擦除和改写。
•存储器及其与CPU的接口
•4
• ③ EPROM
• EPROM是一种紫外线可擦除可编程ROM。
• 写入信息是在专用编程器上实现的，具有能多次改写的 功能。
• EPROM芯片的上方有一个石英玻璃窗口，当需要改写时， 将它放在紫外线灯光下照射约15～20分钟便可擦除信息， 使所有的擦除单元恢复到初始状态“1”，又可以编程写 入新的内容。
• 其特点是集成度高，功耗低，价格便宜，但由于电容存 在漏电现象，电容电荷会因为漏电而逐渐丢失，因此必 须定时对DRAM进行充电（称为刷新）。
•存储器及其与CPU的接口
•9
• ③ NVRAM
• NVRAM是一种非易失性随机存储器。
• 它的存储电路由SRAM和EEPROM共同构成，在正常运 行时和SRAM的功能相同，既可以随时写入，又可以随 时读出。但在掉电或电源发生故障的瞬间，它可以立即 把SRAM中的信息保存到EEPROM中，使信息得到自动 保护。
A2
A2
A2
A2 8
A1
A1
A1
A1
A1 9
A0
A0
A0
A0
A0 10
D0
计算机组成原理参考答案
计算机组成原理模拟题（答案在后面）一、选择题：1. 信息只用一条传输线，且采用脉冲传输的方式称为______。
A.串行传输B.并行传输C.并串行传输D.分时传输2. 常用的虚拟存储系统由______两级存储器组成。
A．主存—辅存 B．快存—主存 C．快存—辅存 D．通用寄存器—主存3. 相联存储器是按______ 进行寻址的存储器。
A．地址指定方式 B．堆栈存取方式C．内容指定方式 D．地址指定与堆栈存取方式结合4 计算机问世至今，新型机器不断推陈出新，不管怎样更新，依然保有“存储程序”的概念，最早提出这种概念的是______。
A.巴贝奇B.冯. 诺依曼C.帕斯卡D.贝尔5. ______表示法主要用于表示浮点数中的阶码。
A. 原码B. 补码C. 反码D. 移码6. 下列有关运算器的描述中，______是正确的。
A.只做算术运算，不做逻辑运算B. 只做加法C.能暂时存放运算结果D. 既做算术运算，又做逻辑运算7. 设［X］补=1.x1x2x3x4,当满足______时，X > -1/2成立。
Ａ．x1必须为1，x2x3x4至少有一个为1 Ｂ．x1必须为1，x2x3x4任意Ｃ．x1必须为0，x2x3x4至少有一个为1 Ｄ．x1必须为0，x2x3x4任意8. 没有外存储器的计算机监控程序可以放在______ 。
A．RAM B．ROM C．RAM和ROM D．CPU9. 在机器数______ 中，零的表示形式是唯一的。
A．原码B．补码C．移码D．反码10.在主存和CPU之间增加cache存储器的目的是______。
A. 增加内存容量B. 提高内存可靠性C. 解决CPU和主存之间的速度匹配问题D. 增加内存容量，同时加快存取速度11.双端口存储器在______情况下会发生读/写冲突。
A. 左端口与右端口的地址码不同B. 左端口与右端口的地址码相同C. 左端口与右端口的数据码不同D. 左端口与右端口的数据码相同12.在CPU中，跟踪后继指令地指的寄存器是______。
存储器扩展实验报告
一、实验目的1. 了解存储器的结构及其与CPU的连接方式。
2. 掌握存储器的位扩展、字扩展和字位扩展方法。
3. 通过实际操作，加深对存储器扩展原理的理解，提高动手实践能力。
二、实验原理存储器扩展是计算机硬件设计中常见的技术，目的是为了满足系统对存储容量的需求。
存储器扩展主要分为位扩展、字扩展和字位扩展三种方式。
1. 位扩展：当存储芯片的数据位小于CPU对数据位的要求时，可以通过位扩展来解决。
位扩展是将多个存储芯片的数据总线并联，形成一个更高位宽的数据总线，与CPU的数据总线相连。
2. 字扩展：当存储芯片的存储容量不能满足CPU对存储容量的要求时，可以通过字扩展来解决。
字扩展是将多个存储芯片的数据总线、读写控制线并联，形成一个更大容量的存储器，与CPU的数据总线、读写控制线相连。
3. 字位扩展：字位扩展是位扩展和字扩展的结合，既能扩展存储容量，又能扩展数据位宽。
三、实验设备1. 实验箱2. 逻辑分析仪3. 逻辑门电路4. 实验指导书四、实验步骤1. 搭建存储器扩展电路（1）根据实验要求，选择合适的存储芯片，如SRAM、ROM等。
（2）根据存储芯片的规格，确定存储器的容量、数据位宽和地址线位数。
（3）根据存储器的容量和位宽，计算所需的存储芯片数量。
（4）搭建存储器扩展电路，包括存储芯片、地址译码器、数据线、读写控制线等。
2. 仿真实验（1）使用逻辑分析仪观察存储器扩展电路的信号波形。
（2）通过实验指导书提供的测试程序，对存储器进行读写操作。
（3）观察逻辑分析仪的信号波形，分析存储器扩展电路的工作情况。
3. 分析实验结果（1）根据实验结果，验证存储器扩展电路是否满足实验要求。
（2）分析存储器扩展电路的优缺点，提出改进措施。
五、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，搭建了存储器扩展电路，实现了存储器的位扩展、字扩展和字位扩展。
逻辑分析仪的信号波形显示，存储器扩展电路工作正常，满足实验要求。
2. 实验分析（1）位扩展：通过位扩展，实现了存储器数据位宽的增加，满足了CPU对数据位宽的要求。
“存储器与CPU的连接”教学设计分析
（ 岛科技大学 ，山东青岛 ２ ６４ ） 青 ６ ０ ２
摘 要：“ 存储器与 Ｃ Ｕ 的连接”是存储 系统的教学重点。针对学生的实际情况设计出教师引导、学生参与的 “ Ｐ 互动
式 ”教 学过程 ， 有助 于解 决教 学 中的 一些 难点 ，如存 储容 量的扩 展 以及存储 器与 Ｃ Ｕ 之 间 的地 址线 、数 据线 、控 制线 的 这 Ｐ 连接 等 。
（ ）Ｃ Ｕ的 负载 能 力 一 Ｐ
Ｃ Ｕ总线 的负载 能力是 有 限制 的 ， Ｐ 一般 情况 下 ， Ｐ Ｃ Ｕ总线 的直 流 负载 能力可 带动一 个标准 的 Ｔ Ｌ门。 当采用 Ｍ Ｓ存储 器时 ， 由 Ｔ Ｏ 于 直流 负载很 小 ， 要的 负载是 电容 负载 ，故在小 型 系统 中， Ｐ 主 ＣＵ 可 以直接 与存储 器相 连 但 对于 较大 的系统 ， 当 Ｃ Ｕ的总线 不能 Ｐ 直接 带动 是有存 储器 芯片 时 ，需要加 上缓 冲器或 驱 动器 ， 以提 高 总线 的 负载能 力 。一 般做 法是 ，对 单 向传送 的地 址 和控 制总线 ， 可 采用三 态锁存 器和 三态 单 向驱 动器 等来 加 以锁 存 和驱 动：对 双 向传送 的数据 总线 ，可采 用三态 双 向驱 动器 来加 以驱动 。 （ ）ＣＵ的 时序 与存 储器 的存取 速度 之 间的配 合 二 Ｐ Ｃ Ｕ 与存 储器之 间 的时序 配合 问题 是整个 计算 机系 统可靠 、 Ｐ 高 效地 工作 的关键 。ＣＵ 访 问存储 器是 有固 定时序 的 ，由此确 定 Ｐ 了对存储 器存 取速度 的要 求 。Ｃ Ｕ 在取 指令和 进行 读 出操作 时 ， Ｐ 都 是在相 应 的时序控 制下 进行 的 ，如 读 周期和 写周 期 ， 已根据 时 钟 频率和 机器运 算速 度确 定好 范 围。在选 用存储 器时 ，它的最 大 存 取时 间要 小于 Ｃ Ｕ安排 的 读写 周期 。否则 ，要使 Ｃ Ｕ插入 等待 Ｐ Ｐ 周 期 ，才 能保 证读 写数据 的可 靠传送 。 （ ）存 储器 芯片 的选片 问题 三 １ 芯片类 型 的选 用 。通常 在微型 机 的主存通 常 由 Ｒ Ｍ和 Ｒ Ｍ ． Ａ ０ 两 类构成 。其 中 ，对 ＲＭ芯片类 型的选 择又 与容 量要求 有关 ， 当 Ａ 容 量要求 不太 大 时用 静态 ＲＭ组成较 好 ， Ａ 因为静态 ＲＭ 态 稳定 ， Ａ状 不 需要动 态刷 新 ，接 口简 单 。相 反， 当容量要 求很 大 时适用 于动 态 ＲＭ组成 ，因 为，动态 ＲＭ比静 态 ＲＭ集 成度 高、功 耗小 、价 Ａ Ａ Ａ 的较 多。 ２ 芯片 型号 的选 用 。芯 片类 型确定 之后 ，在进 行具 体芯 片型 ． 号 选择 时 ，一 般考 虑存取 速度 、存 储容 量 、结构和 价格 等 因素 。 般在满 足存 储 系统总 容量 的前提 下 ，应尽 可能选 用集 成度 高 、 存 储容量 大 的芯 片。总线 上 芯片接 的很 多时 ，不但 系统 中要 加接 更 多 的总线驱 动器 ，而且 可 能 出丁负载 电容 变得很 大而 使信 号产 生 畸变 。 三 、常用 的译码 电路
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
南京信息工程大学实验（实习）报告实验（实习）名称存储器与CPU的连接实验（实习）日期 1.3 指导教师
一、实验目的
理解存储芯片的片选逻辑；掌握存储器与CPU连接的方法，并能够画出相应的连接图；
二、实验内容
设CPU有16根地址线，8根数据线，并用MREQ#作访存控制信号（低电平有效），用R/W#作读/写控制信号（高电平为读，低电平为写）。
现有如下存贮器芯片：
a)ROM： 2K×8位，4K×8位，8K×8位
b)RAM（静态）： 1K×4位，4K×8位，8K×8位
c)及3：8译码器和各种门电路。
要求：主存的地址空间满足下述条件：最小8K地址为系统程序区（ROM区），与其相邻的16K 地址为用户程序区（RAM区），最后（最大地址） 4K地址空间为系统程序区（RAM区）。
请画出存储芯片的片选逻辑，存储芯片的种类、片数
画出CPU与存储器的连接图。
三、实验步骤
（1）首先根据题目写出目的地址的范围
A15 A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1（2）选择芯片
最小8K系统程序区←8K*8位ROM，1片
16K用户程序区←8K*8位SRAM， 2片；
4K系统程序工作区←4K*8位SRAM， 1片。
（3）分配CPU地址线
CPU的低13位地址线A12~A0与1片8K*8位ROM和两片8K*8位SRAM芯片提供的地址线相连；
将CPU的低12位地址线A11~A0与1片4K*8位SRAM芯片提供的地址线相连。
（4）译码产生片选信号
四、实验心得
通过本次的实验，我理解了存储芯片的片选逻辑；掌握存储器与CPU连接的方法，并能够画出相应的连接图。