4.4 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接
教学目的 】 按实际应用的需要，由不同规格、类型的存储器芯片，通过系统总线的连接，构成存储器系统。
教学重点 】 设计方法和思路
教学难点 】 位扩展和字扩展
教学手段 】 现场教学与提问 【 学时分配 】 2
自学内容 】 课外作业 】
教学内容 】
4.4 存储器芯片的扩展及其与系统总线的连接
微机系统的规模、应用场合不同，对存储器系统的容量、类型的要求也必
不相同，一般情况下，需要用不同类型，不同规格的存储器芯片，通过适当的
硬件连接，来构成所需要的存储器系统，这就是本节所需要讨论的内容。
一、 存储器芯片与 cpu 的连接
1 ．引言
在微型系统中， cpu 对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地
址信号，选择要进行读 / 写操作的存储单元，然后通过控制总线发出相应的读 / 写
控制信号，最后才能在数据总线上进行数据交换。所以，存储器芯片与 cpu 之间的连接，实质上就是其与系统总线的连接，包括：
地址线的连接；
数据线的连接；
控制线的连接；
在连接中要考虑的问题有以下几个方面：
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。
3 ． cpu 的时序和存储器的存取速度之间的配合问题
cpu 在取指和存储器读或写操作时，是有固定时序的，用户要根据这些来确定对存储器存取速度的要求，或在存储器已经确定的情况下，考虑是否需要 t w 周期，以及如何实现。
4 ．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，而 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 ) 和用户区，用户区又要分成数据区和程序区， rom 的分配也类似，所以内存的地址分配是一个重要的问题。另外，目前生产的存储器芯片，单片的容量仍然是有限的，通常总是要由许多片才能组成一个存储器，这里就有一个如何产生片选信号的问题。
5 ．控制信号的连接
cpu 在与存储器交换信息时，通常有以下几个控制信号 ( 对 8088/8086 来说 ) m （ io/ ）以及 wait 信号。这些信号如何与存储器要求的控制信号相连，以实现所需的控制功能。
二、 存储器芯片的扩展
存储器芯片扩展的方法有以下两种：
1 ． 存储器芯片的位扩充
适用场合： 存储器芯片的容量满足存储器系统的要求，但其字长小于存储器系统
的要求。 例 1 用 1k × 4 的 2114 芯片构成 lk × 8 的存储器系统。
分析： 由于每个芯片的容量为 1k ，故满足存储器系统的容量要求。但由于每个芯片只能提供 4 位数据，故需用 2 片这样的芯片，它们分别提供 4 位数据至系统的数据总线，以满足存储器系统的字长要求。
设计要点 ：
将每个芯片的 10 位地址线按引脚名称一一并联，按次序逐根接至系统地址总线的低 10 位。
数据线则按芯片编号连接， 1 号芯片的 4 位数据线依次接至系统数据总线的 d 0 -d 3 ， 2 号芯片的 4 位数据线依次接至系统数据总线的 d 4 -d 7 。
两个芯片的端并在一起后接至系统控制总线的存储器写信号（如 cpu 为 8086/8088 ，也可由和 ／ m 或 io/ 的组合来承担）。
引脚也分别并联后接至地址译码器的输出，而地址译码器的输入则由系统地址总线的高位来承担。
具体连线见图 4-16 。
当存储器工作时，系统根据高位地址的译码同时选中两个芯片，而地址码的低位也同时到达每一个芯片，从而选中它们的同一个单元。在读 / 写信号的作用下，两个芯片的数据同时读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者同时将来自数据总线上的字节数据写入存储器。
图 4-16 用 2114 组成 1k × 8 的存储器连线
根据硬件连线图，我们还可以进一步分析出该存储器的地址分配范围如下：（假设只考虑 16 位地址）
地址码芯片的地址范围
a 15 ..a 12 a 11 a 10 a 9 ..a 0
× 0 0 0 0 0 0 0 0 h
× 0 0 1 1 0 3 f f h
表示可以任选值，在这里我们均选 0 。
这种扩展存储器的方法就称为位扩展，它可以适用于多种芯片，如可以用 8 片 2164a 组成一个 64k × 8 的存储器等。
2 ．存储器芯片的字扩充
适用场合： 存储器芯片的字长符合存储器系统的要求，但其容量太小。
例 2 用 2k × 8 的 2716 ａ存储器芯片组成 8k × 8 的存储器系统。
分析： 由于每个芯片的字长为 8 位，故满足存储器系统的字长要求。但由于每个芯片只能提供 2k 个存储单元，故需用 4 片这样的芯片，以满足存储器系统的容量要求。
设计要点 ： 同位扩充方式相似。
先将每个芯片的 11 位地址线按引脚名称一一并联，然后按次序逐根接至系统地址总线的低 11 位。
将每个芯片的 8 位数据线依次接至系统数据总线的 d 0 -d 7 。
两个芯片的端并在一起后接至系统控制总线的存储器读信号（这样连接的原因同位扩充方式），
它们的引脚分别接至地址译码器的不同输出，地址译码器的输入则由系统地址总线的高位来承担。连线见图 4-17 。
图 4-17 用 2716 组成 8k × 8 的存储器连线
当存储器工作时，根据高位地址的不同，系统通过译码器分别选中不同的芯片，低位地址码则同时到达每一个芯片，选中它们的相应单元。在读信号的作用下，选中芯片的数据被读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出。
同样，根据硬件连线图，我们也可以进一步分析出该存储器的地址分配范围如下表：（假设只考虑 16 位地址）
地址码芯片的地址范围对应芯片编号
a 15 ..a 13 a 12 a 11 a 10 a 9 ..a 0
× 0 0 0 0 0 0 0 0 0 h
× 0 0 1 1 1 0 7 f f h
× 0 1 0 0 0 0 8 0 0 h
× 0 1 1 1 1 0 f f f h
× 1 0 0 0 0 1 0 0 0 h
× 1 0 1 1 1 1 7 f f h
× 1 1 0 0 0 1 8 0 0 h
× 1 1 1 1 1 1 f f f h
表示可以任选值，在这里我们均选 0 。
这种扩展存储器的方法就称为字扩展，它同样可以适用于多种芯片，如可以用 8 片 27128 （ 16k × 8 ）组成一个 128k × 8 的存储器等。
3 ．同时进行位扩充与字扩充
适用场合： 存储器芯片的字长和容量均不符合存储器系统的要求，这时就需要用多片这样的芯片同时进行位扩充和字扩充，以满足系统的要求。
例 3 用 1k × 4 的 2114 芯片组成 2k × 8 的存储器系统。
分析： 由于芯片的字长为 4 位，因此首先需用采用位扩充的方法，用两片芯片组成 1k × 8 的存储器。再采用字扩充的方法来扩充容量，使用两组经过上述位扩充的芯片组来完成。
设计要点 ： 每个芯片的 10 根地址信号引脚宜接接至系统地址总线的低 10 位，每组两个芯片的 4 位数据线分别接至系统数据总线的高 / 低四位。地址码的 a 10 、 a 11 经译码后的输出，分别作为两组芯片的片选信号，每个芯片的控制端直接接到 cpu 的读 / 写控制端上，以实现对存储器的读 / 写控制。
硬件连线如图 4-18
图 4-18 用 2114 组成 2k × 8 的存储器连线
当存储器工作时，根据高位地址的不同，系统通过译码器分别选中不同的芯片组，低位地址码则同时到达每一个芯片组，选中它们的相应单元。在读 / 写信号的作用下，选中芯片组的数据被读出，送上系统数据总线，产生一个字节的输出，或者将来自数据总线上的字节数据写入芯片组。
同样，根据硬件连线图，我们也可以进一步分析出该存储器的地址分配范围如下：（假设只考虑 16 位地址）
地址码芯片组的地址范围对应芯片组编号
a 15 ..a 13 a 12 a 11 a 10 a 9 ..a 0
× 0 0 0 0 0 0 0 0 h
× 0 0 1 1 0 3 f f h
× 0 1 0 0 0 4 0 0 h
× 0 1 1 1 0 7 f f h
表示可以任选值，在这里我们均选 0 。
思考： 从以上地址分析可知，此存储器的地址范围是 0000h-07ffh 。如果系统规定存储器的地址范围从 0800h 开始，并要连续存放，对以上硬件连线图该如何改动呢？
由于低位地址仍从 0 开始，因此低位地址仍直接接至芯片组。于是，要改动的是译码器和高位地址的连接。我们可以将两个芯片组的片选输入端分别接至译码器的 y 2 和 y 3 输出端，即当 a 11 、 a 10 为 10 时，选中 2114-1 ，则该芯片组的地址范围为 0800h-0bffh ，而当 a 11 、 a 10 为 11 时，选中 2114-2 ，则该芯片组的地址范围为 0c00h-0fffh 。
同时，保证高位地址为 0 （即 a 15 -a 12 为 0 ）。这样，此存储器的地址范围就是 0800h-0fffh 了。（具体连线自己考虑）
以上例子所采用的片选控制的译码方式称为全译码方式 ，这种译码电路较复杂，但是，由此选中的每一组的地址是确定且唯一的。有时，为方便起见，也可以直接用高位地址（如 a 10 — a 15 中的任一位）来控制片选端。例如用 a 10 来控制，如图 4-19 所示。
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