计算机存储器的容量与扩展方式

一、实验目的1. 理解存储器扩展的基本原理和方法。

2. 掌握位扩展和字扩展的技巧。

3. 利用仿真软件实现存储器扩展，并验证其功能。

二、实验环境1. 仿真软件：Logisim2. 硬件设备：电脑三、实验原理1. 存储器扩展的基本原理存储器扩展是指将多个存储器芯片组合在一起，以实现更大的存储容量或更高的数据位宽。

存储器扩展主要有两种方式：位扩展和字扩展。

（1）位扩展：当存储芯片的数据位小于CPU对数据位的要求时，可以通过位扩展方式解决。

位扩展时，将所有存储芯片的地址线、读写控制线并联后与CPU的地址线和读写控制线连接，各存储芯片的数据总线汇聚成更高位宽的数据总线与CPU的数据总线相连。

（2）字扩展：当存储芯片的存储容量不能满足CPU对存储容量的要求时，可以通过字扩展方式来扩展存储器。

字扩展时，将所有存储芯片的数据总线、读写控制线各自并联后与CPU数据总线、读写控制线相连，各存储芯片的片选信号由CPU高位多余的地址线译码产生。

2. 存储器扩展的方法（1）位扩展：选择合适的存储芯片，将多个存储芯片的数据总线并联，连接到CPU的数据总线上。

（2）字扩展：选择合适的存储芯片，将多个存储芯片的数据总线、读写控制线分别并联，连接到CPU的数据总线和读写控制线上。

同时，使用译码器产生片选信号，连接到各个存储芯片的片选端。

四、实验步骤1. 创建一个新的Logisim项目。

2. 在项目中添加以下模块：（1）存储芯片模块：选择合适的存储芯片，如RAM或ROM。

（2）译码器模块：根据存储芯片的数量和地址线的位数，选择合适的译码器。

（3）数据总线模块：根据位扩展或字扩展的要求，设置数据总线的位数。

（4）地址线模块：根据存储芯片的数量和地址线的位数，设置地址线的位数。

3. 连接各个模块：（1）将存储芯片的数据总线连接到数据总线模块。

（2）将存储芯片的地址线连接到地址线模块。

（3）将译码器的输出连接到各个存储芯片的片选端。

（4）将存储芯片的读写控制线连接到CPU的读写控制线上。

了解计算机存储器的分类与特点计算机存储器是计算机系统中非常重要的组成部分，它用于存储和读取数据和程序。

根据其特点和功能，计算机存储器可以被分为主存储器和辅助存储器两类。

本文将详细介绍这两类存储器的分类和特点。

一、主存储器主存储器又称为内存（Memory），是计算机中用于存放当前正在运行的程序和数据的地方。

它具有以下特点：1. 随机访问性（Random Accessibility）：主存储器中的数据可以被随机访问，即可以直接读取或写入任意单元的数据。

这使得计算机可以非常快速地对数据进行操作。

2. 容量有限：主存储器的容量相对较小，通常以字节（Byte）为单位进行计量。

对于个人计算机而言，主存储器的容量通常在几十GB到几百GB之间。

3. 临时性：主存储器中的数据是临时存放的，当计算机断电或者重新启动后，主存储器中的数据将会被清空。

因此，我们需要将重要的数据及时保存到辅助存储器中，以防数据的丢失。

二、辅助存储器辅助存储器又称为外存储器（External Storage），主要用于长期存储数据、程序和文件等。

辅助存储器具有以下特点：1. 非随机访问性：与主存储器不同，辅助存储器的数据访问不是随机的，而是按照存储的物理位置进行顺序访问。

这也导致了辅助存储器的访问速度相对较慢。

2. 容量较大：相对于主存储器来说，辅助存储器的容量要大得多。

常见的辅助存储器设备有硬盘、固态硬盘（SSD）、光盘、蓝光盘、磁带等。

3. 永久性：辅助存储器中的数据是永久存储的，即使计算机断电或者重新启动，数据也不会丢失。

这使得我们可以长期保存应用程序、文件以及操作系统等数据。

总结：计算机存储器根据其功能和特点被分为主存储器和辅助存储器两类。

主存储器具有随机访问性、容量有限和临时性等特点；而辅助存储器则具有非随机访问性、容量较大和永久性等特点。

这两类存储器在计算机系统中互相配合，共同完成计算机的存储功能。

主存储器容量扩展的方法主存储器容量是计算机系统中重要的组成部分，它直接影响着计算机的运行速度和能力。

在现代计算机系统中，随着计算机应用场景的不断扩展，对主存储器容量的需求也越来越大。

为了满足这一需求，人们提出了各种方法来扩展主存储器容量。

本文将系统地介绍主存储器容量扩展的方法。

主存储器容量扩展的方法可以分为物理方法和逻辑方法两大类。

物理方法主要包括增设内存条、使用高密度存储器件和分布式存储系统等；逻辑方法则主要包括虚拟存储和页面置换等。

一、增设内存条增设内存条是增加主存储器容量的最简单也是最直接的方法之一。

通过增加内存条的数量，就可以扩展主存储器的容量。

这种方法的优点是简单、成本低，但也存在一定的限制，因为主板的插槽数量和支持的内存条容量有限。

二、使用高密度存储器件随着半导体技术的发展，高密度存储器件如DRAM（动态随机存储器）和NAND 闪存逐渐成为了一种常见的主存储器扩展方法。

DRAM是一种非常快速的主存储器，但它的存储密度有限；而NAND闪存具有非常高的存储密度和可擦写性，但速度相对较慢。

使用高密度存储器件扩展主存储器容量的方法有多种。

一种常见的方法是通过内存芯片的堆叠来增加DRAM芯片的存储密度。

例如，3D XPoint技术可以将多个DRAM芯片堆叠在一起，从而实现更高的存储密度。

另一种常见的方法是采用闪存作为主存储器。

闪存具有非常高的存储密度和较低的功耗，因此它在嵌入式系统和移动设备中得到了广泛的应用。

在这种方案中，计算机系统将数据从主存储器复制到闪存中，在需要时再将数据从闪存中读取到主存储器中。

这种方法的优点是可以显著提高主存储器的容量，但其缺点是速度相对较慢，并且需要额外的控制逻辑。

三、分布式存储系统分布式存储系统是一种通过网络将多个计算机的存储资源组合起来形成一个虚拟的存储系统，从而扩展主存储器容量的方法。

在分布式存储系统中，多个计算机通过网络连接在一起，彼此共享各自的存储资源。

存储器的扩展实验总结：
一、实验目的
本次实验旨在通过实际操作，深入了解存储器的扩展原理和方法，掌握存储器扩展的基本技能，提高对计算机存储系统的认识和理解。

二、实验原理
存储器扩展主要涉及地址线的扩展和数据线的扩展。

通过增加地址线和数据线的数量，可以增加存储器的容量。

此外，还可以采用位扩展、字扩展和字位同时扩展的方法来扩展存储器。

三、实验步骤
1.准备实验材料：包括存储器芯片、地址线、数据线等。

2.搭建实验电路：将存储器芯片与地址线和数据线连接，形成完整的存储器扩展电路。

3.初始化存储器：对存储器进行初始化操作，设置初始地址和数据。

4.读取和写入数据：通过地址线和数据线，对存储器进行读取和写入操作。

5.验证结果：比较写入的数据与读取的数据，确保数据的正确性。

四、实验结果
通过实验，我们成功实现了存储器的扩展，并验证了数据的正确性。

实验结果表明，通过增加地址线和数据线的数量，可以有效地扩展存储器的容量。

五、实验总结
通过本次实验，我们深入了解了存储器的扩展原理和方法，掌握了存储器扩展的基本技能。

同时，我们也认识到在实际应用中，需要根据具体需求选择合适的扩展方法，以确保存储器的容量和性能满足要求。

此外，我们还应注意数据的正确性和稳定性，确保存储器的可靠性和稳定性。

第三章存储器1、SRAM读写时序●读过程●写过程2、DRAM读写时序●读过程●写过程3、DRAM刷新方式●原因：DRAM存储位元是基于电容器上的电荷量存储。

整个刷新间隔内，前一段时间用于正常的读/写操作。

而在后一段时间停止读/写操作，逐行进行刷新。

一个存储周期的时间分为两段，前一段时间tM用于正常的读/写操作，后一段时间tR用于刷新操作上述两种方式结合起来构成异步刷新。

●CPU在取指周期后的译码时间内，插入刷新操作。

●有单独的刷新控制器，刷新由单独的时钟、行计数与译码独立完成。

4、存储器容量扩充的方式①位扩展：用几片位数少的存储器芯片，构成具有给定字长的存储器；②字扩展：字扩展是容量的扩充，位数不变。

5、多模交叉存储器一个由若干模块组成的主存储器是线性编址的。

这些地址在各个模块中有两种安排方式:①顺序方式：特点：（优点）某个模块进行存取时，其它模块不工作，某一模块出现故障时，其它模块可以照常工作，通过增添模块来扩充存储器容量比较方便，（缺点）但各模块串行工作，存储器的带宽受到了限制。

②交叉方式：特点：地址码的低位字段经过译码（片选，非门）选择不同的模块，而高位字段指向相应模块内的存储字。

连续地址分布在相邻的不同模块内，同一模块内的地址是不连续的；（优点）对连续字的成块传送可实现多模块并行存取，提高了存储器的带宽。

6、存储器系统的层次结构存储系统的层次结构就是把各种不同容量和不同存取速度的存储器按一定的结构有机地组织在一起；7、缓存的基本工作原理数据交换：♦Cache原理图中，cache的容量为16字，分为4行，每行4个字。

♦拷贝到cache的块的地址存放在一个相联存储器中地址映射以及和主存数据交换机构全由硬件实现，并对程序员透明。

补充：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性。

根据程序的局部性原理，可以在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用。

一、实验目的1. 了解存储器的结构及其与CPU的连接方式。

2. 掌握存储器的位扩展、字扩展和字位扩展方法。

3. 通过实际操作，加深对存储器扩展原理的理解，提高动手实践能力。

二、实验原理存储器扩展是计算机硬件设计中常见的技术，目的是为了满足系统对存储容量的需求。

存储器扩展主要分为位扩展、字扩展和字位扩展三种方式。

1. 位扩展：当存储芯片的数据位小于CPU对数据位的要求时，可以通过位扩展来解决。

位扩展是将多个存储芯片的数据总线并联，形成一个更高位宽的数据总线，与CPU的数据总线相连。

2. 字扩展：当存储芯片的存储容量不能满足CPU对存储容量的要求时，可以通过字扩展来解决。

字扩展是将多个存储芯片的数据总线、读写控制线并联，形成一个更大容量的存储器，与CPU的数据总线、读写控制线相连。

3. 字位扩展：字位扩展是位扩展和字扩展的结合，既能扩展存储容量，又能扩展数据位宽。

三、实验设备1. 实验箱2. 逻辑分析仪3. 逻辑门电路4. 实验指导书四、实验步骤1. 搭建存储器扩展电路（1）根据实验要求，选择合适的存储芯片，如SRAM、ROM等。

（2）根据存储芯片的规格，确定存储器的容量、数据位宽和地址线位数。

（3）根据存储器的容量和位宽，计算所需的存储芯片数量。

（4）搭建存储器扩展电路，包括存储芯片、地址译码器、数据线、读写控制线等。

2. 仿真实验（1）使用逻辑分析仪观察存储器扩展电路的信号波形。

（2）通过实验指导书提供的测试程序，对存储器进行读写操作。

（3）观察逻辑分析仪的信号波形，分析存储器扩展电路的工作情况。

3. 分析实验结果（1）根据实验结果，验证存储器扩展电路是否满足实验要求。

（2）分析存储器扩展电路的优缺点，提出改进措施。

五、实验结果与分析1. 实验结果通过实验，搭建了存储器扩展电路，实现了存储器的位扩展、字扩展和字位扩展。

逻辑分析仪的信号波形显示，存储器扩展电路工作正常，满足实验要求。

2. 实验分析（1）位扩展：通过位扩展，实现了存储器数据位宽的增加，满足了CPU对数据位宽的要求。