计算机组成原理——CPU与存储器连接例题

设CPU共有16根地址线和8根数据线，并用(MREQ) ̅作为访存控制信号（低电平有效），(WR) ̅作为读/写命令信号（高电平读，低电平写）。现有下列存储芯片：1K4位RAM，4K8位RAM，2K*8位ROM，以及74138译码器和各种门电路，如下图所示。画出CPU和存储芯片的连接图。要求

在这里插入图片描述

（1）主存地址空间分配：A000H ~ A7FFH为系统程序区；A800H ~ AFFFH为用户程序区
（2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片
（3）详细画出存储芯片的片选逻辑

题目分析

1. CPU 和控制信号

CPU：
- 16 根地址线 (A0~A15)，寻址范围 0000H~FFFFH（64KB）。
- 8 根数据线 (D0~D7)。
- 控制信号：
  - (MREQ)̅：访存控制信号，低电平有效。
  - (WR)̅：读/写控制信号，高电平为读，低电平为写。

2. 存储芯片

可选芯片：
- 1K×4 位 RAM（1024×4 位）。
- 4K×8 位 RAM（4096×8 位）。
- 2K×8 位 ROM（2048×8 位）。
工具：74138 译码器和各种门电路。

3. 地址空间分配

系统程序区：A000H~A7FFH（2KB）。
用户程序区：A800H~AFFFH（2KB）。

4. 要求

合理选择存储芯片，说明选用几片。
写出每片存储芯片的二进制地址范围。
详细画出片选逻辑。

存储芯片选择与地址范围

1. 地址空间分析

系统程序区 (A000H~A7FFH)：
- A000H = 1010 0000 0000 0000。
- A7FFH = 1010 0111 1111 1111。
- 容量：A7FFH - A000H + 1 = 2KB（2048 字节）。
- A15~A11 = 10100，A10~A0 变化。
用户程序区 (A800H~AFFFH)：
- A800H = 1010 1000 0000 0000。
- AFFFH = 1010 1111 1111 1111。
- 容量：AFFFH - A800H + 1 = 2KB（2048 字节）。
- A15~A11 = 10101，A10~A0 变化。

2. 存储芯片选择

系统程序区 (2KB，ROM)：
- 需要 2K×8 位 ROM，正好匹配。
- 选用 1 片 2K×8 位 ROM。
- 地址线：2K = 2048 = 2^11，需 A0~A10。
用户程序区 (2KB，RAM)：
- 需要 2KB，但没有直接的 2K×8 位 RAM。
- 可选：
  - 1K×4 位 RAM × 4 片，组合成 2K×8 位。
    - 两个 1K×4 位 RAM 组成 1K×8 位，两个 1K×8 位再组成 2K×8 位。
  - 4K×8 位 RAM × 1 片，仅用 2KB。
    - 但浪费 2KB 容量，不够经济。
- 选用 4 片 1K×4 位 RAM，组合成 2K×8 位。
- 地址线：1K = 1024 = 2^10，单个 1K×4 位 RAM 需 A0~A9；两组 1K×8 位共用 A10 区分。

3. 存储芯片数量

1 片 2K×8 位 ROM。
4 片 1K×4 位 RAM。

4. 存储芯片地址范围

2K×8 位 ROM：
- A000H~A7FFH。
- 二进制：1010 0000 0000 0000 ~ 1010 0111 1111 1111。
1K×4 位 RAM × 4（组合成 2K×8 位）：
- A800H~AFFFH。
- 分为两组 1K×8 位：
  - RAM1 和 RAM2 (A10 = 0)：A800H~ABFFH。
    - 二进制：1010 1000 0000 0000 ~ 1010 1011 1111 1111。
  - RAM3 和 RAM4 (A10 = 1)：AC00H~AFFFH。
    - 二进制：1010 1100 0000 0000 ~ 1010 1111 1111 1111。

片选逻辑设计

1. 片选信号需求

ROM：
- 地址范围：A15~A11 = 10100。
- 片选条件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 0。
RAM：
- 地址范围：A15~A11 = 10101。
- 片选条件：A15 = 1, A14 = 0, A13 = 1, A12 = 0, A11 = 1。
- 细分：
  - RAM1 和 RAM2：A10 = 0。
  - RAM3 和 RAM4：A10 = 1。

2. 74138 译码器连接

输入：
- A = A11。
- B = A12。
- C = A13。
使能：
- G1 = A15（高电平有效）。
- G2A = (A14)̅（低电平有效，需反相器）。
- G2B = (MREQ)̅（低电平有效）。
输出：
- Y4 (A13 A12 A11 = 100)：A000H~A7FFH，接 ROM 的 CS̅。
- Y5 (A13 A12 A11 = 101)：A800H~AFFFH，接 RAM 的片选控制。

3. RAM 片选细分

Y5 控制 A800H~AFFFH，需用 A10 进一步区分：
- RAM1 和 RAM2 的 CS̅：Y5 AND (A10)̅。
- RAM3 和 RAM4 的 CS̅：Y5 AND A10。

4. RAM 读写控制

RAM 写使能 (WE)̅：(MREQ)̅ AND (WR)̅（需与门）。
读操作：(WR)̅ = 1 时，RAM 输出数据。

CPU 与存储器连接图设计

1. 地址线连接

ROM：
- A0~A10 接 ROM 的地址引脚。
RAM：
- RAM1_RAM4：A0A9 接地址引脚。
- A10 用于片选区分。

2. 数据线连接

ROM：
- D0~D7 接 ROM 的数据引脚。
RAM：
- RAM1 和 RAM3：D0~D3。
- RAM2 和 RAM4：D4~D7。

3. 片选逻辑

74138 译码器：
- 输入：A = A11, B = A12, C = A13。
- 使能：G1 = A15, G2A = (A14)̅, G2B = (MREQ)̅。
- 输出：Y4 接 ROM CS̅，Y5 接 RAM 片选。
RAM 片选：
- RAM1 和 RAM2：Y5 AND (A10)̅。
- RAM3 和 RAM4：Y5 AND A10。

4. 控制信号

RAM (WE)̅：(MREQ)̅ AND (WR)̅。

连接图描述

作图如下：
在这里插入图片描述

以下是连接图的文字描述：

CPU：
- A0~A15：地址线。
- D0~D7：数据线。
- (MREQ)̅ 和 (WR)̅：控制信号。
2K×8 位 ROM：
- 地址：A0~A10。
- 数据：D0~D7。
- CS̅：接 74138 的 Y4。
1K×4 位 RAM × 4：
- RAM1 和 RAM2（组成 1K×8 位）：
  - 地址：A0~A9。
  - 数据：RAM1 (D0~D3)，RAM2 (D4~D7)。
  - CS̅：Y5 AND (A10)̅。
- RAM3 和 RAM4（组成 1K×8 位）：
  - 地址：A0~A9。
  - 数据：RAM3 (D0~D3)，RAM4 (D4~D7)。
  - CS̅：Y5 AND A10。
- WE̅：(MREQ)̅ AND (WR)̅。
74138 译码器：
- A = A11, B = A12, C = A13。
- G1 = A15, G2A = (A14)̅（加反相器），G2B = (MREQ)̅。
- Y4 接 ROM CS̅。
- Y5 接两个与门：
  - 与门 1：Y5 AND (A10)̅ → RAM1 和 RAM2 的 CS̅。
  - 与门 2：Y5 AND A10 → RAM3 和 RAM4 的 CS̅。
与门（RAM 写控制）：
- 输入：(MREQ)̅ 和 (WR)̅。
- 输出：接 RAM1~RAM4 的 WE̅。

回答总结

存储芯片选择：
- 1 片 2K×8 位 ROM。
- 4 片 1K×4 位 RAM。
二进制地址范围：
- 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)。
片选逻辑：
- 74138 译码器：
  - 输入：A11, A12, A13。
  - 使能：A15, (A14)̅, (MREQ)̅。
  - Y4 控制 ROM。
  - Y5 结合 A10 控制 RAM：
    - Y5 AND (A10)̅ → RAM1 和 RAM2。
    - Y5 AND A10 → RAM3 和 RAM4。

拓展知识：片选原理

什么是片选？

片选（Chip Select, 简称 CS）是存储器系统中用来选择某个存储芯片的控制信号。CPU 通常会连接多个存储芯片（如 ROM 和 RAM），但在某一时刻，CPU 只会与一个存储芯片进行通信（读或写数据）。片选信号的作用就是“激活”某个存储芯片，让它与 CPU 通信，而其他芯片保持“未选中”状态。

片选信号：通常用 CS 或 CE（Chip Enable）表示，低电平有效时（CS̅ = 0），芯片被选中；高电平（CS̅ = 1）时，芯片未被选中。
片选的本质：通过地址线和控制信号，判断当前 CPU 访问的地址属于哪个存储芯片的范围，从而激活对应的芯片。

片选的原理

1. 为什么需要片选？

CPU 有 16 根地址线，可以寻址 64KB 的地址空间（0000H~FFFFH）。
但存储器系统由多个芯片组成，每个芯片只占用一部分地址空间。例如：
- ROM：A000H~A7FFH（2KB）。
- RAM：A800H~AFFFH（2KB）。
当 CPU 访问某个地址时（比如 A500H），需要判断这个地址属于哪个芯片的范围：
- A500H 属于 ROM（A000H~A7FFH），所以选中 ROM。
- 如果访问 AC00H，属于 RAM（A800H~AFFFH），则选中 RAM。
片选信号通过地址线的高位部分来判断地址范围，并生成对应的控制信号。

2. 片选信号如何生成？

地址解码：通过地址线的高位部分，判断当前地址属于哪个芯片的范围。
- 例如，A000H~A7FFH 的高位 A15~A11 = 10100，A800H~AFFFH 的高位 A15~A11 = 10101。
译码器：使用译码器（如 74138）将高位地址解码，生成片选信号。
控制信号：结合 CPU 的控制信号（如 (MREQ)̅），确保只有在访存时才激活片选。

3. 片选的实现

硬件实现：通过译码器（如 74138）和逻辑门（如与门、或门）生成片选信号。
逻辑条件：
- 某个芯片被选中时，其 CS̅ = 0。
- 条件：当前地址在该芯片的范围内，且 CPU 正在访问存储器（(MREQ)̅ = 0）。

结合题目解释片选原理

1. 存储芯片和地址范围

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

2. 片选信号的生成

(1) 判断地址范围

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

(2) 使用 74138 译码器

74138 是一个 3-8 译码器：
- 输入：A, B, C（3 位输入）。
- 输出：Y0~Y7（8 个输出，低电平有效）。
- 使能：G1（高电平有效），G2A 和 G2B（低电平有效）。
连接方式：
- 输入：A = A11, B = A12, C = A13。
- 使能：
  - G1 = A15（A15 = 1 时，地址在 8000H~FFFFH）。
  - G2A = (A14)̅（A14 = 0 时，地址在 8000H~BFFFH）。
  - G2B = (MREQ)̅（访存时有效）。
输出：
- 当 A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)̅ = 0 时，74138 工作。
- Y4 (A13 A12 A11 = 100)：对应 A000H~A7FFH，接 ROM 的 CS̅。
- Y5 (A13 A12 A11 = 101)：对应 A800H~AFFFH，接 RAM 的片选控制。

(3) RAM 的片选细分

Y5 控制整个 A800H~AFFFH（2KB），但 RAM 分为两组（每组 1K×8 位），需要用 A10 进一步区分：
- RAM1 和 RAM2（A800H~ABFFH）：A10 = 0。
  - CS̅ = Y5 AND (A10)̅。
- RAM3 和 RAM4（AC00H~AFFFH）：A10 = 1。
  - CS̅ = Y5 AND A10。
这里需要两个与门：
- 与门 1：输入 Y5 和 (A10)̅，输出接 RAM1 和 RAM2 的 CS̅。
- 与门 2：输入 Y5 和 A10，输出接 RAM3 和 RAM4 的 CS̅。

3. 片选的工作过程

例子 1：CPU 访问地址 A500H：
- A500H = 1010 0101 0000 0000。
- A15~A11 = 10100，符合 ROM 范围。
- 74138：
  - A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)̅ = 0，译码器使能。
  - A13 A12 A11 = 100，Y4 = 0。
- ROM 的 CS̅ = 0，ROM 被选中。
- Y5 = 1，RAM 未选中。
- CPU 通过 A0~A10（0101 0000 0000）访问 ROM 内的具体地址。
例子 2：CPU 访问地址 A900H：
- A900H = 1010 1001 0000 0000。
- A15~A11 = 10101，符合 RAM 范围。
- 74138：
  - A15 = 1, A14 = 0, (MREQ)̅ = 0，译码器使能。
  - A13 A12 A11 = 101，Y5 = 0。
- Y4 = 1，ROM 未选中。
- Y5 = 0：
  - A10 = 0，Y5 AND (A10)̅ = 0，RAM1 和 RAM2 的 CS̅ = 0，被选中。
  - A10 = 0，Y5 AND A10 = 1，RAM3 和 RAM4 未选中。
- CPU 通过 A0~A9（001 0000 0000）访问 RAM1 和 RAM2 内的具体地址。