第六章存储器与处理器的连接
对微控制器中连接处理器、储存器和外设的总线的描述
对微控制器中连接处理器、储存器和外设的总线的描述微控制器是一种具有处理器、储存器、外设等组成的单芯片微型计算机系统。
在微控制器中，处理器、储存器和外设之间需要互相通信和交换数据，这就需要一种连接处理器、储存器和外设的总线。
总线是一种共享型数据传输结构，它可以将处理器、储存器和外设连接在一起，使它们可以相互传送数据和控制信息。
在微控制器中，总线系统通常由三个主要部分组成：地址总线、数据总线和控制总线。
地址总线用于传输处理器发出的地址信息，以便指示储存器和外设的位置。
数据总线用于传输二进制数据，包括程序和数据，以便处理器能够读取或写入储存器和通信外设。
控制总线使用特定的控制信号来协调不同设备的操作，例如开始或结束一个数据传输。
总线的实现方式有许多种，其中最常见的是并行总线和串行总线。
并行总线可以同时传输多个比特或字节，速度较快，但有时需要复杂的硬件实现。
串行总线只能传输一个比特或字节，速度较慢，但可以通过软件实现，具有更好的可编程性。
在微控制器中，总线连接的设备包括处理器、存储器、输入/输出（I/O）接口、时钟、定时器和其他外设模块。
处理器和存储器通常使用高速接口，而I/O接口和其他外设模块通常使用低速接口。
时钟和定时器的接口通常与处理器和其他模块相同。
总的来说，总线是微控制器中重要的组成部分，是连接处理器、储存器和外设的传输结构。
它可以协调不同设备在微控制器中的操作，如数据传输、地址确认和控制信息的传递。
通过总线，不同的设备可以协同工作，实现系统的整体功能，因此总线的设计和实现是微控制器设计中非常重要的工作。
知识点归纳 计算机架构中的处理器与存储器层次结构
知识点归纳计算机架构中的处理器与存储器层次结构计算机架构中的处理器与存储器层次结构计算机架构是指计算机系统中使用的各种硬件和软件资源的组织方式和连接方式。
处理器和存储器是计算机架构中最核心的两个组成部分。
在计算机系统中，处理器负责执行指令和处理数据，而存储器则用于存储程序和数据。
在处理器与存储器之间，存在着层次结构，其中各个层次的存储器具有不同的特点和访问速度。
一、计算机架构中的处理器层次结构在计算机架构中，处理器的多层次结构的设计是为了提高计算机的运行效率和性能。
常见的处理器层次结构包括以下几个层次：1. 控制器层：控制器层是处理器层次结构中的最顶层，它负责接收和解析指令，并向其他层次传递指令和控制信号。
控制器层通常由控制单元和时钟电路组成。
2. 算术逻辑单元(ALU)：ALU是处理器层次结构中的核心部件，它负责执行算术和逻辑运算。
ALU可以执行加法、减法、乘法、除法等算术运算，同时也可以执行逻辑运算，如与、或、非等运算。
3. 寄存器层：寄存器层是处理器层次结构中与ALU紧密结合的部分，它用于存储指令和数据。
寄存器层的存储容量较小，但访问速度非常快，可以直接与ALU进行数据交换，提高计算效率。
4. 缓存层：缓存层是处理器层次结构中位于主存和寄存器之间的一层，用于缓存最常用的指令和数据。
由于缓存的读写速度比主存快得多，可以减少对主存的访问次数，从而提高计算效率。
5. 总线层：总线层是处理器层次结构中用于传输数据和控制信号的通道。
它负责将指令、数据和控制信号从寄存器、缓存等部件传输到其他组件，如主存、外部设备等。
二、计算机架构中的存储器层次结构存储器层次结构是指计算机系统中各层次存储器的组织方式和访问特点。
常见的存储器层次结构包括以下几个层次：1. 寄存器层：寄存器层是存储器层次结构中最接近处理器的一层，它用于存储指令和数据。
寄存器层的存储容量非常有限，但读写速度非常快，通常用于存储当前执行的指令和相关数据。
系统结构 第六章 互联网络
法使直径减小的改进网络。只是，加弦的规律
是：从任一结点出发与距该结点距离为2的整数 幂结点相连 15 0 1
14
2
13
3
12
4
11 10 9
5
6 7 8
网络直径为2
6.2 静态互连网络
树形与胖树形
二叉树结构网络
二叉胖树结构网络
6.2 静态互连网络
网格形和环形网格
( a ) 网格形
( b ) Illiac网
在符号框内，上一个元素与下一个元素分别对应 输入与输出的连接关系。
6.1 互连网络的基本概念
3）图形表示法
图形表示法是直接用连线将输入与输
出的关系连接在一起，非常直观。其 缺点是不容易从中看出规律性的东西， 即函数关系不能一目了然。
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第六章 互连网络
6.1 互连网络的基本概念 6.2 静态互连网络 6.3 动态互连网络
6.1 互连网络的基本概念
一. 互连网络的功能
1．什么是互连网络?
从广义上讲，凡是用以实现部件、设备或系统 之间连接用的部件都可以称为互连网络。
狭义上讲，互连网络是一种由开关元件按一定 的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现 计算机系统内部多处理机或多功能部件之间的 相互连接。
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6.1 互连网络的基本概念
存储器接口 (2)
地把双端口RAM看作是本地RAM一样进行访问，不 仅方便了软件设计,还大大地提高了系统的工作 效率。
二、半导体存储器的主要性能指标 主要从一下几方面考察： 1、存储容量 2、速度 3、功耗 4、集成度 5、可靠性
三、存储芯片的组成
1、地址译码器：接收来自CPU的N位地址信息， 经译码后产生2的N次方个地址选择信号对片内 寻址。
/CS=0,/OE=0时为读; /CS=0,/WE=0时为写。 /WE和/OE分别接CPU的/WR和/RD信号。
2、存储器与CPU数据总线的连接 根据存储器结构选择连接CPU的数据总线。
6.3 主存储器接口
主存储器的类型不同，则接口不同。以 EPROM、SRAM、DRAM为例分别介绍。
一、EPROM与CPU的接口 目前广泛使用的典型EPROM芯片有Intel公
（1）Tc=总容量/N×8/M＝128K/8K×8/8 ＝16片
（2）Tc＝128K/8K×16/8＝32片
6.2存储器接口技术
一、存储器接口中应考虑的问题
1、存储器与CPU的时序配合
几个问题： （1）什么是总线周期？（2）什么 是时钟周期？（3）什么是T状态？（4）如何实 现二者之间的时序配合？（5）设计产生等待信 号电路应注意那些问题？（见图6－3）
2、如何完成寻址功能？
要完成寻址功能必须具备两种选择：
（1）片选：即首先要从众多存储器中，选中要 进行数据传输的某一存储器芯片，称为片选。一 般由接口电路中的端口译码产生。
（2）字选：然后从该芯片内选择出某一存储单 元，称为字选。由存储器内部的译码电路完成。
3、片选控制的译码方法
常用方法有：线选法、全译码法、部分译码法、 混合译码法等。
或列出地址分配表； ③根据地址分配图或分配表确定译码方法并画出
第6章系统总线
6.1.1 总线的基本概念
式或底板式总线，主板式总线是一种板级总线， 主要连接主机系统印刷电路板中的CPU和主存等 部件，因此也被称为处理器－主存总线，有的系 统把它称为局部总线或处理器总线。底板式总线 通常用于连接系统中的各个功能模块，实现系统 中的各个电路板的连接。典型的有PCI总线、 VME总线等。 I/O总线：这类总线用于主机和I/O设备之间或计 算机系统之间的通信。由于这类连接涉及到许多 方面，包括：距离远近、速度快慢、工作方式等， 差异很大，所以I/O总线的种类很多。
6.1.1 总线的基本概念
6.1.1 总线的基本概念
3.系统总线的组成 一个系统总线通常由一组控制线、一组数据线和一 组地址线构成。也有些总线没有单独的地址线，地 址信息通过数据线来传送，这种情况称为数据线和 地址线复用。 数据线用来承载在源部件和目的部件之问传输的 信息，这个信息可能是数据、命令、或地址（如 果数据线和地址线复用的话）。 地址线用来给出源数据或目的数据所在的主存单 元或I/O端口的地址。 控制线用来控制对数据线和地址线的访问和使用。
教学过程
6.1
系统总线的结构 6.2 总线的控制、数据传输和接口 6.3 常用总线
6.1系统总线的结构
计算机系统中存储器、CPU等功能部件之间必须互 联，才能组成计算机系统。 部件之间的互联方式: 分散连接：各部件之间通过单独的连线互联 总线连接：将各个部件连接到一组公共信息传输 线上。总线结构的两个主要优点是 灵活：体现在新加部件可以很容易地加到总线 上并且部件可以在使用相同总线的计算机系统 之间互换 低成本。 现代计算机普遍使用的是总线互联结构。
总线的信号线类型有专用和复用两种。
专用信号线就是指这种信号线专门用来传送某一
存储器与CPU的连接
5.4.2 存储器容量的扩充
当一片存储器芯片的容量不能满足系统要求时， 当一片存储器芯片的容量不能满足系统要求时， 需多片组合以扩充位数或单元数。 需多片组合以扩充位数或单元数。这就是所谓的存 储器容量扩充。 储器容量扩充。 字扩充：扩充存储器的存储单元，如果把存储器视 字扩充：扩充存储器的存储单元， 为一个矩阵， 为一个矩阵，这字扩充就是行扩充 位扩充：扩充存储器的一个单元的位数，也就是矩 位扩充：扩充存储器的一个单元的位数， 阵的列扩充。 阵的列扩充。
3．存储器的地址分配和片选问题 内存通常分为RAM 和 ROM两大部分 内存通常分为 RAM和 ROM 两大部分 ， 而 RAM 又分 两大部分， RAM又分 为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域) 为系统区(即机器的监控程序或操作系统占用的区域) 地址分配是一个重要的问题 和用户区， 所以内存的地址分配 是一个重要的问题。 和用户区 ， 所以内存的 地址分配 是一个重要的问题 。 存储器芯片单片的容量有限， 存储器芯片单片的容量有限 ， 由多片存储器芯片组 成一个存储器系统，要求正确解决片选问题 片选问题。 成一个存储器系统，要求正确解决片选问题。
138译码器 138译码器
G1 G2A G2B 138 C B A
Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
G G2 A G2 B 使能输入端
C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0
≠1 0 =1 0
0 0
××× 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 … 1 1 1 0 1 1
除了数据线外， 除了数据线外，对应 相连
2．字（串联）扩充 串联） 8K× 位芯片6264构成 构成32K× 位的存储芯片组： 用4片8K×8位芯片6264构成32K×8位的存储芯片组：
存储器的分类和主要性能指标(微机原理)
西南大学电子信息工程学院
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第6章 半导体存储器及接口 §6.3 SRAM、ROM与CPU的连接方法 ⒈要解决的技术问题 ⑴ SRAM、ROM的速度要满足CPU的读/写要求； ⑵ SRAM、ROM的字数和字长要与系统要求一致； ⑶ 所构成的系统存储器要满足CPU自启动和正常运行条件。 ⒉存储器扩展技术 当单个存储器芯片不能满足系统字长或存储单元个数 的要求时，用多个存储芯片的组合来满足系统存储容量的 需求。这种组合就称为存储器的扩展。 存储器扩展的几种方式： ⑴位扩展 当单个存储芯片的字长（位数）不能满足要求时，就 需要进行位扩展。
按工作方式分按制造工艺分按存储机理分双极型ram随机存取存储器静态读写存储器sramram金属氧化物型mosram动态读写存储器dramromprom只读存储器epromr0m半导体存储器及接口西南大学电子信息工程学院22内存储器的主要性能指标内存储器的主要性能指标内存储容量内存储容量表示一个计算机系统内存储器存储数据多少的指标
西南大学电子信息工程学院
5
第6章 半导体存储器及接口 ③芯片容量
是指一片存储器芯片所具有的存储容量。
例如： SRAM芯片6264的容量为8K×8bit，即它有8K个 单元，每个单元存储8位（一个字节）二进制数据。 DRAM芯片NMC4l256的容量为256K×lbit，即它 有256K个单元，每个单元存储1位二进制数据。 ⑵最大存取时间 内存储器从接收寻找存储单元的地址码开始， 到它取出或存入数码为止所需要的最长时间。
西南大学电子信息工程学院 30
第6章 半导体存储器及接口 ②地址分配 要考虑CPU自启动条件，在8088系统中存储器操作时IO/M=0， ROM要包含0FFFF0H单元，正常运行时要用到中断向量区 0000:0000-0000:003FFH，所以RAM要包含这个区域。
微机原理__课后答案
第1章概述一、填空题1．电子计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五部分组成。
2．运算器和控制器集成在一块芯片上，被称作CPU。
3．总线按其功能可分数据总线、地址总线和控制总线三种不同类型的总线。
4．计算机系统与外部设备之间相互连接的总线称为系统总线（或通信总线）；用于连接微型机系统内各插件板的总线称为系统内总线（板级总线）；CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线称为内部总线。
5．迄今为止电子计算机所共同遵循的工作原理是程序存储和程序控制的工作原理。
这种原理又称为冯·诺依曼型原理。
二、简答题1．简述微处理器、微计算机及微计算机系统三个术语的内涵。
答：微处理器是微计算机系统的核心硬件部件，它本身具有运算能力和控制功能，对系统的性能起决定性的影响。
微处理器一般也称为CPU；微计算机是由微处理器、存储器、I/O接口电路及系统总线组成的裸机系统。
微计算机系统是在微计算机的基础上配上相应的外部设备和各种软件，形成一个完整的、独立的信息处理系统。
三者之间是有很大不同的，微处理器是微型计算机的组成部分，而微型计算机又是微型计算机系统的组成部分。
2．什么叫总线？为什么各种微型计算机系统中普遍采用总线结构？答：总线是模块与模块之间传送信息的一组公用信号线。
总线标准的建立使得各种符合标准的模块可以很方便地挂在总线上，使系统扩展和升级变得高效、简单、易行。
因此微型计算机系统中普遍采用总线结构。
3．微型计算机系统总线从功能上分为哪三类？它们各自的功能是什么？答：微型计算机系统总线从功能上分为地址总线、数据总线和控制总线三类。
地址总线用于指出数据的来源或去向，单向；数据总线提供了模块间数据传输的路径，双向；控制总线用来传送各种控制信号或状态信息以便更好协调各功能部件的工作。
第3章微处理器及其结构一、填空题1．8086/8088 CPU执行指令中所需操作数地址由EU计算出16 位偏移量部分送BIU ，由BIU 最后形成一个20 位的内存单元物理地址。
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Y0
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
G1 G2A G2B
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0
0
C B A
Vcc
GND
C B A 输出 0 0 0 Y0=0其余为1 0 0 1 Y1=0其余为1 0 1 0 . 0 1 1 . 1 0 0 . 1 0 1 . 1 1 0 . 1 1 1 .
用74LS 138进行部分译码举例
A0 ~ A15 R/W CS D0 …
D
一、存储器芯片的扩展
1. 位扩展法
RD WR
CPU与存储器的连接
例：把两片6264扩展成8K×16的存储器
译码器
A12~A0
A12 ~A0 OE WE 6264 8k 8 CE1 CE2 I/O0 ~I/O7
D15~D0 D15~D8
A12 ~A0 OE WE 6264 8k 8 CE1 CE2 I/O0 ~I/O7
CPU与存储器的连接
这是本章的重点内容 SRAM、EPROM与CPU的连接 译码方法同样适合I/O端口
存储芯片的数据线 存储芯片的地址线 存储芯片的片选端 存储芯片的读写控制线
CPU与存储器的连接要通过三大总线实现。
将一个存储器芯片与 CPU 相接时，除了片选信 号需要高位地址译码之外，其余的如存储器芯片的 数据信号、读写控制信号及地址信号都直接接到系 统总线上。
线性选择方式的缺点
1、出现地址重叠。例子中假设CPU地址线为 16根，则每个芯片有4组地址。如为20根地 址线，则重叠更多 2、地址不连续。如果用A14或A15连接芯片 的片选则两个芯片的地址空间不连续 3、不方便扩充。想要增加系统容量时必须重 新连接地址线。
二、存储器的地址选择
2. 全地址译码方式
对于组合得到的存储器系统，必须给每个芯片分配 地址，也就是要保证存储器芯片在整个内存中占据的 地址范围能够满足用户的要求。 这就需要掌握存储器地址译码的方法（字扩展） CPU与存储器连接时，将CPU的低位地址线连到存储器所 有芯片的地址线上，实现片内寻址；将高位地址线经过 译码输出给存储器芯片的片选引脚，实现片间寻址。 存储器的地址译码方式有线性选择、全译码、部分译码
CPU与存储器的连接
二、存储器的地址选择
1. 线性地址译码方式 如果在一个微机系统中，所要求的存储器容量较 小，而且以后也不会扩充系统的存储容量，可直接将 芯片使用的地址线以外的一位或两位高位地址线作为 片选信号，这种方法称为线性地址译码方式 。 例： 用两片 SRAM Intel6264（8K8 位）存储器芯片 组成一个16K8 位的存储系统。可以用A13与芯片的 片选信号连接。
在存储器扩展时，74LS138 的连接
输出：138的输出接到芯片的片选上
输入： 1）ABC的连接：依次把高位地址线的最低三 位地址连接到ABC上。比如，芯片地址线用 了Ａ12~A0，则A-A13，B-A14，C-A15
2）三个控制端的连接：把M/IO和剩下的地址 线进行逻辑门电路运算后分别送给三个控 制端。
74LS138 M/ IO A15 A14
G1 G2A G2B
Y0
Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7
0000~07FFH
0800~0FFFH 1000~17FFH
1800~1FFFH
2000~27FFH 2800~0FFFH 3000~37FFH 3800~3FFFH
A13 A12 A11
C B A
CPU与存储器的连接
存储器系统容量的需求并不总是达到最大容量， 为了减少译码电路的复杂性并留有一定的可扩展空间， 常采用将芯片使用以外的部分高地址进行译码，产生 片选信号的方法。
这种方法通常使用74LS138 三八译码器芯片。 该芯片管脚图、输出真值表见下页图。
74LS138 三八译码器芯片
G1 G2A G2B
但是一个存储器系统往往需要由多个芯片组合 得到系统所需的存储空间。这就需要用到下面的方 法：位扩展法、字扩展法、组合扩展法。
存储系统设计的 步骤
1、确定芯片个数=目的系统容量/提供芯片规格
2、确定扩展方法（字、位、字位）
3、芯片地址线、数据线、读写控制线的连接
4、芯片片选的连接
一、存储器芯片的扩展
例： 用2K*8的RAM芯片设计一个 8K*8的存储器系 统，用74LS138进行地址译码。
M/ IO A15 A14 G1 G2A G2B Y0
1# 芯片片选
2# 芯片片选 3# 芯片片选 4# 芯片片选
Y1
Y2 Y3 Y4 Y5
A13 A12 A11
C B A
Y6 Y7
结论：74LS138 输入确定后，每个输出引脚 所连接芯片的地址空间也就确定了，比如：
D7~D0
一、存储器芯片的扩展
2. 字扩展法
CPU与存储器的连接
当存储器芯片的存储单元数量不能满足存 储系统需要时，可将多片存储器芯片的数据线 并连起来，用它们的地址线扩展存储单元的数 量。这种扩展方法称为字扩展法。
字扩展法将低位地址线接到所有芯片，实现片 内寻址；将高位地址线通过译码或变换后 输出给各芯片的片选信号，实现片间寻址
A13～A0
WE
扩展方法的总结
位扩展：各芯片的地址线、片选信号连接相同，
各芯片的数据线接不同的系统数据线
字扩展：各芯片的地址线、数据线连接相同，片
选信号不同（由高位地址线经过译码得到，使得
同一时刻只选中一个芯片）。
字位扩展：先进行位扩展，再把位扩展后得到的
芯片组进行字扩展
二、存储器的地址选择（字扩展时高位地址线的 连接）
2. 全地址译码方式
127 译 码 器 ⋮ 4 3 2 1 0
A19 A13 M/ IO A0 A12
CPU
00000H~01FFFH 02000H~03FFFH 04000H~05FFFH 06000H~07FFFH
AB A12 A0 CS
OE
A12 A0 CS
A12 A0 CS
A12 A0 CS
D7~D0
A12 ~A0 OE WE 6264 CS1 8k 8 CS2 I/O0 ~I/O7 D7~D0
一、存储器芯片的扩展
2. 字扩展法
CPU与存储器的连接
练习： 用16K×8的SRAM扩展成64K×8的存储器系统
字扩展
WE
二、存储器芯片的扩展
3. 组合扩展法
CPU与存储器的连接
当存储器芯片的数据位数和存储单元数量都不 能满足存储系统需要时，可先进行字扩展，再进行 位扩展，也可把顺序反过来。这种扩展方法称为组 合扩展法。
例：用两片 SRAM Intel6264（8K8 位）存储器芯片 组成一个16K8 位的存储系统。
二、存储器芯片的扩展 例： 高 地址
位 地 址 RD WR A12~A0 译码器
2. 字扩展法
CPU与存储器的连接
A12 ~A0 OE WE 6264 CS1 8k 8 CS2 I/O0 ~I/O7 D7~D0
CPU与存储器的连接
1. 位扩展法 当存储器芯片的数据位数不能满足存储系统需要 时，可将多个存储器芯片的地址线并连起来（即接相 同的输入），用它们的数据线扩展各个存储单元的数 据位。这种扩展方法称为位扩展法。 用64K×1bit的芯片扩展实现64K ×8bit存储器
⑦ 64K*1 ⑥ 64K*1 I/O ⑤ 64K*1 I/O ④ 64K*1 I/O ③ 64K*1 I/O ② 64K*1 I/O ① 64K*1 I/O 64K*1 I/O I/O ⑧
2.
3.
连接时注意地址是否重叠、地址是否连续
要学会按照要求设置芯片的地址空间。
部分译码方式的优缺点
部分译码方式的译码简单，但地址扩展 能力有限，并且可能出现地址重叠（如 果有一些地址线没有用到）。使用不同 信号连接片选信号时，芯片的地址空间 也不同。 这种方式常常用在较小的微型计算机系统 中。
三种地址译码方式的总结
1.
CPU与存储器芯片连接时，低位地址线连 到所有芯片的地址线上，实现片内寻址； 高位地址线经过线选法或译码器译码输出 到芯片的片选，实现片间寻址。
练习：用 16K4 位的存储器芯片组成一个 64K8位的 存储系统。
字和位同时扩展
D7～D4
D3～D0
16K×4bit
16K×4bit
A15
Y3
译 码 器
CS3 CS 2
16K×4bit
16K×4bit
Y2 Y1
CS1
CS 0
16K×4bit
16K×4bit
A14
Y0
16K×4bit
16K×4bit
WE D7D0
OE
WE D7D0
OE
WE D7D0
OE
WE D7D0
D7 D0
WR
RD
DB
思考：
全译码方式有地址重叠、地址不连续的情况吗？
1、地址是唯一的，没有重叠 2、地址是连续的，便于扩充。 全译码的缺点：译码电路复杂，特别是高位地址线较多 的时候。
三、存储器的地址选择
3. 部分地址译码方式
CPU与存储器的连接
所谓全地址译码，就是构成存储器时要使用全部 地址总线信号，即 CPU 的低位地址信号接存储芯片的 地址输入线，余下的 所有高位地址信号 用来作为译码 器的输入，从而使得存储器芯片上的每一个单元在整 个内存空间中具有唯一的一个地址。
例：一个微机系统 20 根地址线， RAM 容量为 32K 字节， 采用8K8位的RAM芯片，安排在内存空间的最低位置， 则A12~A0作为片内寻址，A19~A13译码后作为芯片寻址