計算機組成原理——CPU與存儲器連接例題

設CPU共有16根地址線和8根數據線，并用(MREQ) ?作為訪存控制信號（低電平有效），(WR) ?作為讀/寫命令信號（高電平讀，低電平寫）。現有下列存儲芯片：1K4位RAM，4K8位RAM，2K*8位ROM，以及74138譯碼器和各種門電路，如下圖所示。畫出CPU和存儲芯片的連接圖。要求

在這里插入圖片描述

（1）主存地址空間分配：A000H ~ A7FFH為系統程序區；A800H ~ AFFFH為用戶程序區
（2）合理選用上述存儲芯片，說明各選幾片
（3）詳細畫出存儲芯片的片選邏輯

題目分析

1. CPU 和控制信號

CPU：
- 16 根地址線 (A0~A15)，尋址范圍 0000H~FFFFH（64KB）。
- 8 根數據線 (D0~D7)。
- 控制信號：
  - (MREQ)?：訪存控制信號，低電平有效。
  - (WR)?：讀/寫控制信號，高電平為讀，低電平為寫。

2. 存儲芯片

可選芯片：
- 1K×4 位 RAM（1024×4 位）。
- 4K×8 位 RAM（4096×8 位）。
- 2K×8 位 ROM（2048×8 位）。
工具：74138 譯碼器和各種門電路。

3. 地址空間分配

系統程序區：A000H~A7FFH（2KB）。
用戶程序區：A800H~AFFFH（2KB）。

4. 要求

合理選擇存儲芯片，說明選用幾片。
寫出每片存儲芯片的二進制地址范圍。
詳細畫出片選邏輯。

存儲芯片選擇與地址范圍

1. 地址空間分析

系統程序區 (A000H~A7FFH)：
- A000H = 1010 0000 0000 0000。
- A7FFH = 1010 0111 1111 1111。
- 容量：A7FFH - A000H + 1 = 2KB（2048 字節）。
- A15~A11 = 10100，A10~A0 變化。
用戶程序區 (A800H~AFFFH)：
- A800H = 1010 1000 0000 0000。
- AFFFH = 1010 1111 1111 1111。
- 容量：AFFFH - A800H + 1 = 2KB（2048 字節）。
- A15~A11 = 10101，A10~A0 變化。

2. 存儲芯片選擇

系統程序區 (2KB，ROM)：
- 需要 2K×8 位 ROM，正好匹配。
- 選用 1 片 2K×8 位 ROM。
- 地址線：2K = 2048 = 2^11，需 A0~A10。
用戶程序區 (2KB，RAM)：
- 需要 2KB，但沒有直接的 2K×8 位 RAM。
- 可選：
  - 1K×4 位 RAM × 4 片，組合成 2K×8 位。
    - 兩個 1K×4 位 RAM 組成 1K×8 位，兩個 1K×8 位再組成 2K×8 位。
  - 4K×8 位 RAM × 1 片，僅用 2KB。
    - 但浪費 2KB 容量，不夠經濟。
- 選用 4 片 1K×4 位 RAM，組合成 2K×8 位。
- 地址線：1K = 1024 = 2^10，單個 1K×4 位 RAM 需 A0~A9；兩組 1K×8 位共用 A10 區分。

3. 存儲芯片數量

1 片 2K×8 位 ROM。
4 片 1K×4 位 RAM。

4. 存儲芯片地址范圍

2K×8 位 ROM：
- A000H~A7FFH。
- 二進制：1010 0000 0000 0000 ~ 1010 0111 1111 1111。
1K×4 位 RAM × 4（組合成 2K×8 位）：
- A800H~AFFFH。
- 分為兩組 1K×8 位：
  - RAM1 和 RAM2 (A10 = 0)：A800H~ABFFH。
    - 二進制：1010 1000 0000 0000 ~ 1010 1011 1111 1111。
  - RAM3 和 RAM4 (A10 = 1)：AC00H~AFFFH。
    - 二進制：1010 1100 0000 0000 ~ 1010 1111 1111 1111。

片選邏輯設計

1. 片選信號需求

ROM：
- 地址范圍：A15~A11 = 10100。
- 片選條件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 0。
RAM：
- 地址范圍：A15~A11 = 10101。
- 片選條件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 1。
- 細分：
  - RAM1 和 RAM2：A10 = 0。
  - RAM3 和 RAM4：A10 = 1。

2. 74138 譯碼器連接

輸入：
- A = A11。
- B = A12。
- C = A13。
使能：
- G1 = A15（高電平有效）。
- G2A = (A14)?（低電平有效，需反相器）。
- G2B = (MREQ)?（低電平有效）。
輸出：
- Y4 (A13 A12 A11 = 100)：A000H~A7FFH，接 ROM 的 CS?。
- Y5 (A13 A12 A11 = 101)：A800H~AFFFH，接 RAM 的片選控制。

3. RAM 片選細分

Y5 控制 A800H~AFFFH，需用 A10 進一步區分：
- RAM1 和 RAM2 的 CS?：Y5 AND (A10)?。
- RAM3 和 RAM4 的 CS?：Y5 AND A10。

4. RAM 讀寫控制

RAM 寫使能 (WE)?：(MREQ)? AND (WR)?（需與門）。
讀操作：(WR)? = 1 時，RAM 輸出數據。

CPU 與存儲器連接圖設計

1. 地址線連接

ROM：
- A0~A10 接 ROM 的地址引腳。
RAM：
- RAM1_RAM4：A0A9 接地址引腳。
- A10 用于片選區分。

2. 數據線連接

ROM：
- D0~D7 接 ROM 的數據引腳。
RAM：
- RAM1 和 RAM3：D0~D3。
- RAM2 和 RAM4：D4~D7。

3. 片選邏輯

74138 譯碼器：
- 輸入：A = A11, B = A12, C = A13。
- 使能：G1 = A15, G2A = (A14)?, G2B = (MREQ)?。
- 輸出：Y4 接 ROM CS?，Y5 接 RAM 片選。
RAM 片選：
- RAM1 和 RAM2：Y5 AND (A10)?。
- RAM3 和 RAM4：Y5 AND A10。

4. 控制信號

RAM (WE)?：(MREQ)? AND (WR)?。

連接圖描述

作圖如下：
在這里插入圖片描述

以下是連接圖的文字描述：

CPU：
- A0~A15：地址線。
- D0~D7：數據線。
- (MREQ)? 和 (WR)?：控制信號。
2K×8 位 ROM：
- 地址：A0~A10。
- 數據：D0~D7。
- CS?：接 74138 的 Y4。
1K×4 位 RAM × 4：
- RAM1 和 RAM2（組成 1K×8 位）：
  - 地址：A0~A9。
  - 數據：RAM1 (D0~D3)，RAM2 (D4~D7)。
  - CS?：Y5 AND (A10)?。
- RAM3 和 RAM4（組成 1K×8 位）：
  - 地址：A0~A9。
  - 數據：RAM3 (D0~D3)，RAM4 (D4~D7)。
  - CS?：Y5 AND A10。
- WE?：(MREQ)? AND (WR)?。
74138 譯碼器：
- A = A11, B = A12, C = A13。
- G1 = A15, G2A = (A14)?（加反相器），G2B = (MREQ)?。
- Y4 接 ROM CS?。
- Y5 接兩個與門：
  - 與門 1：Y5 AND (A10)? → RAM1 和 RAM2 的 CS?。
  - 與門 2：Y5 AND A10 → RAM3 和 RAM4 的 CS?。
與門（RAM 寫控制）：
- 輸入：(MREQ)? 和 (WR)?。
- 輸出：接 RAM1~RAM4 的 WE?。

回答總結

存儲芯片選擇：
- 1 片 2K×8 位 ROM。
- 4 片 1K×4 位 RAM。
二進制地址范圍：
- ROM：1010 0000 0000 0000 ~ 1010 0111 1111 1111 (A000H~A7FFH)。
- RAM1 和 RAM2：1010 1000 0000 0000 ~ 1010 1011 1111 1111 (A800H~ABFFH)。
- RAM3 和 RAM4：1010 1100 0000 0000 ~ 1010 1111 1111 1111 (AC00H~AFFFH)。
片選邏輯：
- 74138 譯碼器：
  - 輸入：A11, A12, A13。
  - 使能：A15, (A14)?, (MREQ)?。
  - Y4 控制 ROM。
  - Y5 結合 A10 控制 RAM：
    - Y5 AND (A10)? → RAM1 和 RAM2。
    - Y5 AND A10 → RAM3 和 RAM4。

拓展知識：片選原理

什么是片選？

片選（Chip Select, 簡稱 CS）是存儲器系統中用來選擇某個存儲芯片的控制信號。CPU 通常會連接多個存儲芯片（如 ROM 和 RAM），但在某一時刻，CPU 只會與一個存儲芯片進行通信（讀或寫數據）。片選信號的作用就是“激活”某個存儲芯片，讓它與 CPU 通信，而其他芯片保持“未選中”狀態。

片選信號：通常用 CS 或 CE（Chip Enable）表示，低電平有效時（CS? = 0），芯片被選中；高電平（CS? = 1）時，芯片未被選中。
片選的本質：通過地址線和控制信號，判斷當前 CPU 訪問的地址屬于哪個存儲芯片的范圍，從而激活對應的芯片。

片選的原理

1. 為什么需要片選？

CPU 有 16 根地址線，可以尋址 64KB 的地址空間（0000H~FFFFH）。
但存儲器系統由多個芯片組成，每個芯片只占用一部分地址空間。例如：
- ROM：A000H~A7FFH（2KB）。
- RAM：A800H~AFFFH（2KB）。
當 CPU 訪問某個地址時（比如 A500H），需要判斷這個地址屬于哪個芯片的范圍：
- A500H 屬于 ROM（A000H~A7FFH），所以選中 ROM。
- 如果訪問 AC00H，屬于 RAM（A800H~AFFFH），則選中 RAM。
片選信號通過地址線的高位部分來判斷地址范圍，并生成對應的控制信號。

2. 片選信號如何生成？

地址解碼：通過地址線的高位部分，判斷當前地址屬于哪個芯片的范圍。
- 例如，A000H~A7FFH 的高位 A15~A11 = 10100，A800H~AFFFH 的高位 A15~A11 = 10101。
譯碼器：使用譯碼器（如 74138）將高位地址解碼，生成片選信號。
控制信號：結合 CPU 的控制信號（如 (MREQ)?），確保只有在訪存時才激活片選。

3. 片選的實現

硬件實現：通過譯碼器（如 74138）和邏輯門（如與門、或門）生成片選信號。
邏輯條件：
- 某個芯片被選中時，其 CS? = 0。
- 條件：當前地址在該芯片的范圍內，且 CPU 正在訪問存儲器（(MREQ)? = 0）。

結合題目解釋片選原理

1. 存儲芯片和地址范圍

ROM：2K×8 位，A000H~A7FFH。
- 2KB = 2048 字節，地址線 A0~A10（2^11 = 2048）。
- 高位：A15~A11 = 10100。
RAM：4 片 1K×4 位 RAM，組合成 2K×8 位，A800H~AFFFH。
- 2KB，地址線 A0~A10。
- 高位：A15~A11 = 10101。
- 細分：
  - RAM1 和 RAM2（1K×8 位）：A800H~ABFFH，A10 = 0。
  - RAM3 和 RAM4（1K×8 位）：AC00H~AFFFH，A10 = 1。

2. 片選信號的生成

(1) 判斷地址范圍

ROM：
- A15~A11 = 10100。
- 條件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 0。
RAM：
- A15~A11 = 10101。
- 條件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 1。
- 細分：
  - RAM1 和 RAM2：A10 = 0。
  - RAM3 和 RAM4：A10 = 1。

(2) 使用 74138 譯碼器

74138 是一個 3-8 譯碼器：
- 輸入：A, B, C（3 位輸入）。
- 輸出：Y0~Y7（8 個輸出，低電平有效）。
- 使能：G1（高電平有效），G2A 和 G2B（低電平有效）。
連接方式：
- 輸入：A = A11, B = A12, C = A13。
- 使能：
  - G1 = A15（A15 = 1 時，地址在 8000H~FFFFH）。
  - G2A = (A14)?（A14 = 0 時，地址在 8000H~BFFFH）。
  - G2B = (MREQ)?（訪存時有效）。
輸出：
- 當 A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)? = 0 時，74138 工作。
- Y4 (A13 A12 A11 = 100)：對應 A000H~A7FFH，接 ROM 的 CS?。
- Y5 (A13 A12 A11 = 101)：對應 A800H~AFFFH，接 RAM 的片選控制。

(3) RAM 的片選細分

Y5 控制整個 A800H~AFFFH（2KB），但 RAM 分為兩組（每組 1K×8 位），需要用 A10 進一步區分：
- RAM1 和 RAM2（A800H~ABFFH）：A10 = 0。
  - CS? = Y5 AND (A10)?。
- RAM3 和 RAM4（AC00H~AFFFH）：A10 = 1。
  - CS? = Y5 AND A10。
這里需要兩個與門：
- 與門 1：輸入 Y5 和 (A10)?，輸出接 RAM1 和 RAM2 的 CS?。
- 與門 2：輸入 Y5 和 A10，輸出接 RAM3 和 RAM4 的 CS?。

3. 片選的工作過程

例子 1：CPU 訪問地址 A500H：
- A500H = 1010 0101 0000 0000。
- A15~A11 = 10100，符合 ROM 范圍。
- 74138：
  - A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)? = 0，譯碼器使能。
  - A13 A12 A11 = 100，Y4 = 0。
- ROM 的 CS? = 0，ROM 被選中。
- Y5 = 1，RAM 未選中。
- CPU 通過 A0~A10（0101 0000 0000）訪問 ROM 內的具體地址。
例子 2：CPU 訪問地址 A900H：
- A900H = 1010 1001 0000 0000。
- A15~A11 = 10101，符合 RAM 范圍。
- 74138：
  - A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)? = 0，譯碼器使能。
  - A13 A12 A11 = 101，Y5 = 0。
- Y4 = 1，ROM 未選中。
- Y5 = 0：
  - A10 = 0，Y5 AND (A10)? = 0，RAM1 和 RAM2 的 CS? = 0，被選中。
  - A10 = 0，Y5 AND A10 = 1，RAM3 和 RAM4 未選中。
- CPU 通過 A0~A9（001 0000 0000）訪問 RAM1 和 RAM2 內的具體地址。