存储器扩展技术：从位扩展到字扩展

"本资源是关于计算机组成原理的讲解，主要关注主存储器和存储系统的扩展，包括字扩展和位扩展，以及存储器与CPU之间的连接方式。" 计算机组成原理中，主存储器是计算机系统的重要组成部分，它负责临时存储CPU执行指令和处理的数据。在实际应用中，我们需要通过扩展来增大存储器的容量，以便满足系统的需求。常见的扩展方法有两种：字扩展和位扩展。 字扩展是指增加存储字的容量，即每个存储单元能存储的位数。例如，通过将若干个1K×4位的存储芯片组合起来，可以构成一个1K×8位的存储器。这种扩展方式下，地址线的数量保持不变，但数据线的数量翻倍。例如，用2片1K×4位的存储芯片可以组成1K×8位的存储器，其中每片芯片负责存储数据的一半位宽。 位扩展则是指不改变存储字的大小，而是增加存储单元的数量。这可以通过并联多个相同大小的存储芯片实现，比如将多个16K×1位的存储芯片并联，可以构建一个16K×8位的存储器。在这个过程中，数据线的数量保持不变，而地址线的数量根据芯片数量增加。 在实现存储器扩展时，需要考虑地址分配和片选逻辑。例如，使用Intel2114（1K×4位）芯片组成4K×8位的存储器时，低位地址分配给各个芯片，高位地址则用于产生片选信号。通过比较地址线的高低位，可以决定哪个芯片被选中进行数据存取。通常，片选信号（如CS0, CS1, CS2, CS3）由高位地址线决定，使得不同地址范围对应不同的片选状态。 连接存储器与CPU时，需注意以下几点： 1. 地址线的连接：CPU的地址线需要正确连接到各个存储芯片的地址线上，确保地址空间的覆盖。 2. 数据线的连接：数据线从CPU连接到存储器，根据位扩展情况，可能需要将数据线与多个芯片并联。 3. 读/写命令线的连接：CPU的读写控制信号（如R/W）应连接到所有存储芯片，以控制数据的读取或写入。 4. 片选线的连接：片选信号线根据地址线的高低位划分，与CPU的访存控制信号（如MREQ）结合，生成各个芯片的片选信号。 5. 合理选择存储芯片：根据系统需求，选择适合容量和位宽的存储芯片。 6. 时序和负载：除了物理连接，还需要考虑存储器的访问时序和负载特性，确保整个存储系统能正常工作。 在设计实例中，我们看到如何根据地址范围和功能选择存储芯片，分配地址线，以及确定片选信号。例如，一个系统中可能会包含不同容量和位宽的ROM和RAM，通过地址线的不同分配，可以实现不同区域的存储需求，并通过片选逻辑确保每个存储芯片只在指定的地址范围内响应。 在实际的计算机运行过程中，主存储器不仅与CPU紧密交互，还与其他外部设备如I/O接口、DMA控制器等进行数据交换，确保整个系统的高效运行。因此，理解存储器的扩展和连接方式对于构建和优化计算机系统至关重要。