1、1 5.1 存儲器的分類與組成 5.2 隨機存取存儲器(RAM) 5.3 只讀存儲器(ROM) 5.4 存儲器的連接 5.5 幾種新型的半導(dǎo)體存儲器 5.6 磁表面存儲器 5.7 光盤存儲器2存儲器分類、組成及功能。著重理解行選和列選對1位信息的讀出。重點掌握位數(shù)擴充與地址擴充技術(shù)。熟練掌握存儲器與CPU連接時應(yīng)注意問題。了解新型存儲器的技術(shù)發(fā)展動向與趨勢。理解幾種新型的硬盤保護技術(shù)。了解光盤分類及其特點。3存儲器是微型計算機系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的基本單元或設(shè)備。存儲器容量愈大，能存放的信息就愈多，計算機的能力就愈強。存儲器作為計算機系統(tǒng)重要組成部分，隨著更好的存儲載體材料的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)工藝

2、的不斷改進，爭取更大的存儲容量、獲得更快的存取速度、減小存儲器載體的體積以及降低單位存儲容量性價比等方面都獲得快速的發(fā)展。4按與 CPU的連接方式不同分為：內(nèi)存儲器和外存儲器。通過 CPU的外部總線直接與CPU相連的存儲器稱為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）。CPU要通過I/O接口電路才能訪問的存儲器稱為外存儲器（簡稱外存或二級存儲器）。按存儲器信息的器件和媒體不同分為：半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、磁泡存儲器和磁芯存儲器以及 光盤存儲器等。56在一般計算機中主要有兩種存儲系統(tǒng)：7Cache存儲系統(tǒng)主存儲器高速緩沖存儲器虛擬存儲系統(tǒng)主存儲器磁盤存儲器對程序員是透明的目標：提高存儲速度8Cache主存儲

3、器主存儲器對應(yīng)用程序員是透明的。目標：擴大存儲容量9主存儲器主存儲器磁盤存儲器磁盤存儲器半導(dǎo)體存儲器的性能指標：存儲容量 存儲容量 = NM N 半導(dǎo)體存儲器芯片有多少個存儲單元，單元尋址與地址線有關(guān)。 M 每個存儲單元中能存放多少個二進制位，二進制數(shù)位的傳送與數(shù)據(jù)線有關(guān)。10 存儲容量的表示bit 用二進制位定義存儲容量Byte 用二進制字節(jié)定義存儲容量 存儲容量的常用單位字節(jié)B （Byte）千字節(jié)KB （Kilo Byte）兆字節(jié)MB （Mega Byte）吉字節(jié)GB （Giga Byte） 常用單位的換算1KB = 1024B 1MB = 1024KB 1GB = 1024MB 11半導(dǎo)

4、體存儲器的性能指標：存取時間存取時間的定義（讀寫周期表示）向存儲器單元寫數(shù)據(jù)所需時間從存儲器單元讀數(shù)據(jù)所需時間存取時間的單位ns （納秒）存取時間的特點存儲器存取時間短僅用基本周期存儲器存取時間長插入等待周期12半導(dǎo)體存儲器的性能指標：功耗功耗的定義存儲器單元的功耗存儲器芯片的功耗功耗的單位存儲器單元的功耗 W/單元存儲器芯片的功耗 mW/芯片功耗的應(yīng)用臺式機可用高功耗的存儲器便攜機必用低 功耗的存儲器該指標不僅涉及消耗功率的大小，也關(guān)系到芯片集成度 以及在機器中的組裝和散熱問題。 13存儲器的性能指標：工作電源與存儲器芯片類型有關(guān)TTL器件，工作電源為+5VMOS器件，工作電源為+1.5V

5、18V與應(yīng)用系統(tǒng)有關(guān)一般應(yīng)用系統(tǒng)+5V特殊應(yīng)用系統(tǒng)+3.3V，1.5V14存儲器的性能指標：價格價格公式（CE）/S 元/位C 存儲器芯片價格E 所需外圍電路價格S 存儲器芯片字節(jié)容性價比單片容量大的存儲器芯片相對成本較低存取時間短的存儲器芯片相對成本較低無外圍電路的存儲器芯片相對成本較低1516 通用寄存器組及通用寄存器組及 指令、數(shù)據(jù)緩沖棧指令、數(shù)據(jù)緩沖棧高速緩存高速緩存主存儲器主存儲器聯(lián)機外存儲器聯(lián)機外存儲器脫機外存儲器脫機外存儲器片內(nèi)存儲部件片內(nèi)存儲部件內(nèi)存儲部件內(nèi)存儲部件外存儲部件外存儲部件按使用的功能分兩類： 隨機存取存儲器 RAM (Random Access memory)RA

6、M (Random Access memory) 只讀存儲器 ROM (Read Only Memory)ROM (Read Only Memory)。17RAM在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內(nèi)容根據(jù)程序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故稱讀/寫存儲器。主要用來存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果，也用來與外存交換信息和用作堆棧等。RAM所存儲的信息在斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。18RAM 按工藝可分為：雙極型RAM和MOS RAM兩類。雙極型RAM特點：速度快，集成度低，功耗大，成本高，一般用于大型計算機或高速微機中。 常用：TTL 邏輯、ECL 邏輯、I2L 邏輯MOS RA

7、M特點：制造工藝簡單，集成度高，功耗小，價格便宜，在半導(dǎo)體存儲器中占有重要地位； 常用：靜態(tài)SRAM，動態(tài)DRAM19靜態(tài) RAM：集成度高于雙極型RAM，低于動態(tài)RAM，功耗低于雙極型RAM，不需要刷新電路。 特點：速度較快，集成度較低，一般用于對速度要求高、而容量不大的場合。動態(tài) RAM：比靜態(tài)RAM具有更高的集成度，但是它靠電路中柵極電容來儲存信息，由于電容器上的電會泄露，因此它需要定時進行刷新。 特點：集成度較高，存取速度較低，一般用于需要較大容量場合。20只讀存儲器 ROM按工藝可分為雙極型和MOS型，但一般根據(jù)信息寫入的方式不同，而分為： 掩膜 ROM 一次性可編程 PROM 紫外

8、線可擦除 EPROM 電可擦除 E2PROM 可編程只讀存儲器 FLASH211.固定ROM (掩模ROM)：廠家把數(shù)據(jù)“固化”在存儲器中，用戶無法進行任何修改。使用時，只能讀出，不能寫入。常用于大批量定型產(chǎn)品。2. 一次性可編程ROM (PROM)：出廠時，存儲內(nèi)容全為1（或全為0），用戶可根據(jù)自己的需要進行編程，但只能編程一次。常用于小批量產(chǎn)品。3. 紫外線擦除可編程ROM (EPROM)：采用浮柵技術(shù)，可通過紫外線照射而被擦除，可重復(fù)擦除上萬次。常用于產(chǎn)品開發(fā)。224. 電可擦除可編程ROM (E2PROM)：采用浮柵技術(shù)，用電擦除，可重復(fù)擦寫100次，并且擦除的速度要快的多。 電擦除過

9、程就是改寫過程，它具有ROM的非易失性，又具備類似RAM的功能，可隨時改寫。5. 快閃存儲器(Flash Memory)：采用浮柵型MOS管，存儲器中數(shù)據(jù)的擦除和寫入是分開進行的，數(shù)據(jù)寫入方式與EPROM相同，一般一只芯片可以擦除/寫入100萬次以上。23由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。 241. 存儲體存儲體是存儲1或0信息的電路實體，它由許多存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址單元號。每個存儲單元由若干相同位組成，每個位需要一個存儲元件。存儲器的地址用一組二進制數(shù)表示，其地址線的位數(shù) n與存儲單元的數(shù)量N之間的關(guān)系為： 2n=N252. 地址選擇電路（譯碼電

10、路）根據(jù)輸入的地址編碼，選中芯片內(nèi)某個特定的存儲單元，包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。地址譯碼方式有兩種： 單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）它的全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對應(yīng)地址碼的存儲單元。 N條地址線，地址譯碼后，輸出 2n種不同編號的字線。該方式需要的選擇線數(shù)較多，只適合容量較小的存儲器。2627 雙譯碼方式（或稱重合譯碼） 將地址碼分為X和Y兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。向譯碼又稱行譯碼 ，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元。 向譯碼又稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元。 只有X向和 Y向的選擇線同時選中的那一位存儲單元，才能進行

11、讀或?qū)懖僮?。該方式需要的選擇線數(shù)目較少，簡化了存儲器結(jié)構(gòu)，適合 于大容量的存儲器。 28293. 讀/寫電路與控制電路包括讀/寫放大器、數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等，是數(shù)據(jù)信息輸入和輸出的通道。外界對存儲器的控制信號有讀信號（RD）、寫信號（WR）和片選信號（CS）等，通過控制電路以控制存儲器的讀或?qū)懖僮饕约捌x。只有片選信號處于有效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。 30靜態(tài)隨機存取存儲器1. 靜態(tài)RAM的基本存儲電路 由6個MOS管組成的RS觸發(fā)器，信息暫存于T1，T2柵極上。31T1、T2、T3、T4 組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，T3、T4 是T1、T2 的負載。若T1截止, 則A=1, 使T2導(dǎo)

12、通, 于是B=0。而B=0保證了T1截止，處于穩(wěn)定狀態(tài)。反之，T1導(dǎo)通, T2截止, 為另一種穩(wěn)定狀態(tài)。T5、T6 行向選通門, T7、T8列向選通門, 分別受行/列選線上電平的控制。2. 靜態(tài)RAM組成(4K1位)通常， 1個RAM芯片的存儲容量是有限的，需要用若干個才能構(gòu)成1個實用存儲器。每塊芯片都有一個片選信號。323. 靜態(tài)RAM的讀/寫過程讀出過程a) 地址碼A0-A11加到RAM芯片的地址輸入端，經(jīng)X與Y地址譯碼器譯碼，產(chǎn)生行選與列選信號，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，經(jīng)一定時間，出現(xiàn)在I/O電路的輸入端。 I/O 電路對讀出的信號進行放大、整形，送至輸出緩沖寄存器。 緩沖

13、寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒有開門信號，所存數(shù)據(jù)還不能送到DB上。b) 在送上地址碼的同時，還要送上讀/寫控制信號和片選信號。 讀出時，使R/W=1，CS=0，這時，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存信息送至DB上。于是，存儲單元中的信息被讀出。33靜態(tài)RAM讀出操作時序圖：34寫入過程a) 地址碼加在RAM芯片的地址輸入端，選中相應(yīng)的存儲單元，使其可以進行寫操作。b) 將要寫入的數(shù)據(jù)放在DB上。c) 加上片選信號CS=0及寫入信號R/W=0。這兩個有效控制信號打開三態(tài)門使DB上的數(shù)據(jù)進入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。35靜態(tài)RAM寫入操作時序圖：364. 靜態(tài)RAM

14、芯片舉例 靜態(tài) RAM芯片有2114、6116、6264等。例如：常用的Intel 6116是CMOS靜態(tài)RAM芯片，雙列直插式、21引腳封裝。它的存儲容量為2K8位，其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示： 3738Intel 2114引腳：39Intel 6264引腳：4041D0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMR譯碼譯碼電路電路高位地高位地址信號址信號D0D7SRAM 62648086總線總線+5V全地址譯碼部分地址譯碼42用全部的高位地址信號作為譯碼信號，使得存儲器芯片的每一個單元都占據(jù)一個唯一的內(nèi)存地址。43A19A18A17A16A15A14A13& 1C

15、S11SRAM 6264CS2+5V01111000該6264芯片的地址范圍 = F0000HF1FFFH44片首地址片首地址A19A12A0A19A12A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 1 1 1 0 0 01 1 1 1 0 0 01 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1片尾地址片尾地址若已知某SRAM 6264芯片在內(nèi)存中的地址為： 3E000H3FFFFH試畫出將該芯片連接到系統(tǒng)的譯碼電路。45設(shè)計步驟：寫出地址范圍的二進制表示；確定各高位地址狀態(tài)；設(shè)計譯碼器。46片首地址片首地址A19A12A0A19A12A00 0 0 0 0 0 0 0 0 0

16、0 0 00 0 1 1 1 1 10 0 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1片尾地址片尾地址47A19A18A17A16A15A14A13& 1CS1高位地址：高位地址：0011111SRAM 6264CS2+5V00111110用部分高位地址信號（而不是全部）作為譯碼信號，使得被選中存儲器芯片占有幾組不同的地址范圍。48兩組地址：F0000H F1FFFH B0000H B1FFFHA19A17A16A15A14A13&16264CS1111000高位地址：高位地址： 1110001011000，1111000將SRAM 6264芯片與系統(tǒng)

17、連接，使其地址范圍為：38000H39FFFH。使用74LS138譯碼器構(gòu)成譯碼電路。49由題知地址范圍： 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 150高位地址高位地址A19A12A051D0D7A0A12WEOECS1CS2A0A12MEMWMEMRD0D7A19G1G2AG2BCBA&A18A14A13A17A16A15VCCY0動態(tài)RAM芯片是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管組成，以三管和單管較為常用。由于它所需要的管子較少，故可擴大每片存儲器芯片的容 量，并且其功耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數(shù)采用動

18、態(tài)RAM芯片。521. 動態(tài)基本存儲電路 三管動態(tài)基本存儲電路 由3個管子和 2條字選擇線，2條數(shù)據(jù)線組成。53讀操作時， 在T4管柵極加上預(yù)充電脈沖，使T4管導(dǎo)通，讀數(shù)據(jù)線因有寄生電容CD而預(yù)充到1。使讀選擇線為高電平，T3管導(dǎo)通。 若T2管柵極電容Cg上已存有“1”信息，則T2管導(dǎo)通。這時，讀數(shù)據(jù)線上的預(yù)充電荷將通過T3、T2而泄放，于是，讀數(shù)據(jù)線上為0。 若T2管柵極電容上所存為“0”信息，則T2管不導(dǎo)通，則讀數(shù)據(jù)線上為1。經(jīng)過讀操作，在讀數(shù)據(jù)線上可讀出與原存儲相反的信息 。若再經(jīng)過讀出放大器反相后，就可得到原存儲信息了。54寫操作時，寫選擇線上為高電平，T1導(dǎo)通。待寫入的信息由寫數(shù)據(jù)線

19、通過 T1加到T2管的柵極上，對柵極電容Cg充電。 若寫入 1，則 Cg上充有電荷； 若寫入 0，則 Cg上無電荷。寫操作結(jié)束后， T1截止，信息被保存在電容Cg上。55對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉電， Cg電荷也會在幾毫秒之內(nèi)逐漸泄漏掉，而丟失原存1信息。為此，必須每隔 1ms3ms定時對Cg充電，以保持原存信息不變，即動態(tài)存儲器的刷新（或叫再生）。注意：需要有刷新電路。 周期性地讀出信息，但不往外輸出（由讀信號 RD為高電平來保證），經(jīng)三態(tài)門（刷新信號RFSH為低電平時使其導(dǎo)通）反相，再寫入Cg，就可實現(xiàn)刷新。56單管動態(tài)基本存儲電路 由T1管和寄生電容CS組成。57寫入時，使字

20、選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，待寫入的信息由位線D（數(shù)據(jù)線）存入CS。讀出時， 同樣使字選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，則存儲在CS上的信息通過T1管送到D線上，再通過放大，即可得到存儲信息。為節(jié)省面積， 電容 CS不可能做得很大，一般使CSCD。這樣，讀出“1”和“0”時電平差別不大，故需鑒別能力高的讀出放大器。CS上信息被讀出后，其電壓由0.2V下降為0.1V，是破壞性讀出。要保持原存信息，讀出后必須重寫。使用單管電路，其外圍電路比較復(fù)雜。但因使用管子最少， 4K以上容量較大的RAM，大多采用單管電路。582. 動態(tài)RAM芯片舉例 Intel 2116單管動態(tài)RAM芯片的引腳和邏輯符號如圖。59

21、Intel 2116 芯片存儲容量為16K1位，需要14條地址輸入線，但2116只有16條引腳。由于受封裝引線的限制，只用了A0到A6 7條地址輸入線，數(shù)據(jù)線只有1條(1位)，而且數(shù)據(jù)輸入，(DIN)和輸出(DOUT)端是分開的，有各自的鎖存器。寫允許信號WE為低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。需要3種電源。類似芯片：2164，3764，4164等DRAM芯片。6061214=161024=2727128x128=16K1動態(tài)基本存儲電路所需管子數(shù)目比靜態(tài)要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。 由于要刷新，需增加刷新電路，外圍控制電路比較復(fù)雜。 靜態(tài) RAM盡管集成度低些，但靜態(tài)

22、基本存儲電路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較簡單。究竟選用哪種 RAM，要綜合比較各方面的因素決定。62用多片存儲芯片構(gòu)成一個需要的內(nèi)存空間；各存儲器芯片在整個內(nèi)存中占據(jù)不同的地址范圍；任一時刻僅有一片（或一組）被選中。存儲器芯片的存儲容量等于： 單元數(shù)單元數(shù)每單元的位數(shù)每單元的位數(shù)63字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字長字長擴展擴展單元單元擴展擴展字長字長位擴展字擴展字位擴展64擴展字長擴展單元數(shù)既擴展字長也擴展單元數(shù)構(gòu)成內(nèi)存的存儲器芯片的字長小于內(nèi)存單元的字長時需進行位擴展。位擴展：每單元字長的擴展。65用8片2164A芯片構(gòu)成64KB存儲器。66LS158A0A7A8A152164A2164A

23、2164ADBABD0D1D70000HFFFFH.將每片的地址線、控制線并聯(lián)，數(shù)據(jù)線分別引出。位擴展特點：存儲器的單元數(shù)不變，位數(shù)增加。67地址空間的擴展芯片每個單元中的字長滿足，但單元數(shù)不滿足。擴展原則：每個芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、控制線并聯(lián)。片選端分別引出，以使每個芯片有不同的地址范圍。6869A0A10DBABD0D7A0A10R/WCS2K8D0D7A0A102K8D0D7D0D7A0A10CS譯譯碼碼器器Y0Y1高位地址R/W用兩片64K8位的SRAM芯片構(gòu)成容量為128KB的存儲器兩芯片的地址范圍分別為：20000H2FFFFH30000H3FFFFH 7071G1G2AG2BCB

24、AY2Y3&MEMRMEMWA19A18A17A1674LS138高位地址：高位地址：n 芯片芯片1： 0 0 1 0n 芯片芯片2： 0 0 1 1A19A18A17A16芯片芯片1芯片芯片2設(shè)計過程：根據(jù)內(nèi)存容量及芯片容量確定所需存儲芯片數(shù)；進行位擴展以滿足字長要求；進行字擴展以滿足容量要求。若已有存儲芯片的容量為LK，要構(gòu)成容量為MN的存儲器，需要的芯片數(shù)為： （M / L） （N / K）72ROM存儲信息的原理ROM存儲元件可看作是一個單向?qū)ǖ拈_關(guān)電路。當字線上加有選中信號時： 如果電子開關(guān)S是斷開的，位線D上將輸出信息1； 如果S是接通的，則位線D經(jīng)T1接地，將輸出信息0

25、。73與RAM相似，由地址譯碼電路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。16 個存儲單元，字長為1位的ROM示意圖。采用復(fù)合譯碼方式，行地址譯碼和列地址譯碼各占 2位地址碼。74對某一固定地址單元而言，僅有 一根行選線和一根列選線有效， 相交單元即為選中單元，根據(jù)被選中單元的開關(guān)狀態(tài) ，數(shù)據(jù)線上將讀出 0或1信息。例如， 若地址 A3A0為0110，行選線X2及列選線Y1有效，圖中有*號的單元被選中，其開關(guān)S是接通的，故讀出的信息為0。片選信號有效時， 打開三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數(shù)據(jù)總線上。圖中所示是 16個存儲單元的1位，8個這樣陣列，才能組成一個168位的ROM存儲器

26、。751. 不可編程掩膜式MOS只讀存儲器不可編程掩模式 MOS ROM又稱為固定存儲器。由器件制造廠家根據(jù)用戶事先編好的機器碼程序，把0、1信息存儲在掩模圖形中而制成的ROM芯片。這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中每個MOS管所存儲的信息0、1被固定下來，不能再改變，而只能讀出。如果要修改其內(nèi)容，只有重新制作。 只適用于大批量生產(chǎn)，不適用于科學(xué)研究。 762. 可編程存儲器為克服掩模式 MOS ROM芯片不能修改內(nèi)容的缺點，設(shè)計了可編程只讀存儲器PROM (Programmable ROM)?？删幊讨蛔x存儲器 出廠時 各單元內(nèi)容全為 0，用戶可用專門的PROM寫入器將信息寫入，這種寫入是破壞性

27、的，即某個存儲位一旦寫入1，就不能再變?yōu)?，因此對這種存儲器只能進行一次編程。根據(jù)寫入原理 PROM可分為兩類：結(jié)破壞型和熔絲型。773. 可擦除、可再編程的只讀存儲器PROM 芯片雖然可供用戶進行一次修改程序，但有其局限性。為便于研究工作，試驗各種ROM程序方案，研制了可擦除、可再編程的ROM，即EPROM（Erasable PROM）。EPROM 芯片出廠時，是未編程的。EPROM 中寫入的信息有錯或不需要時，可用兩種方法擦除原存的信息。78利用專用紫外線燈對準芯片上的石英窗口照射10-20分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復(fù)出廠的狀態(tài)，經(jīng)過照射后的EPROM，就可再寫入信息。寫好信息的EP

28、ROM為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口上。這種方法只能把存儲的信息全部擦除后再重新寫入，它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時間也較長。79 采用金屬 -氮-氧化物-硅（MNOS）工藝生產(chǎn)的MNOS型PROM，是利用電來改寫的可編程只讀存儲器，即EEPROM，能解決上述問題。EEPROM存取速度慢，完成改寫程序需要較復(fù)雜的設(shè)備，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的EEPROM技術(shù)。801. Intel 2716引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)2716 EPROM芯片容量為2K8位，采用NMOS工藝和雙列直插式封裝，24條引腳。11條地址線，27(行) 24(列)=128x16=2K812. Inte

29、l 2716的工作方式類似 EPROM芯片：2732(4K8)，2764(8K8)，27128(16K8)，27256(32K8)等。82了解：Cache的基本概念基本工作原理命中率Cache的分級體系結(jié)構(gòu)83設(shè)置Cache的理由：CPU與主存之間在執(zhí)行速度上存在較大差異；高速存儲器芯片的價格較高；設(shè)置Cache的條件：程序的局部性原理時間局部性：最近的訪問項可能在不久的將來再次被訪問空間局部性：一個進程所訪問的各項，其地址彼此很接近8485CPUCache主主 存存DBDBDB命中命中存在存在不命中不命中訪問內(nèi)存時，CPU首先訪問Cache，找到則 “命中”，否則為“不命中”。命中率影響系統(tǒng)

30、的平均存取速度。Cache存儲器系統(tǒng)的平均存取速度= Cache存取速度命中率+RAM存取速度不命中率Cache與內(nèi)存的空間比一般為：11288687讀操作寫操作貫穿讀出式旁路讀出式寫穿式回寫式88CPUCache主主 存存CPU 對主存的所有數(shù)據(jù)請求都首先送到 Cache，在Cache中查找。若命中，切斷CPU對主存的請求，并將數(shù)據(jù)送出；若不命中，則將數(shù)據(jù)請求傳給主存。CPU向Cache和主存同時發(fā)出數(shù)據(jù)請求。若命中，則Cache將數(shù)據(jù)回送給CPU，并同時中斷CPU對主存的請求；若不命中，則Cache不做任何動作，由CPU直接訪問主存。89CPUCache主主 存存從CPU發(fā)出的寫信號送Ca

31、che的同時也寫入主存。90CPUCache主主 存存數(shù)據(jù)一般只寫到Cache，當Cache中的數(shù)據(jù)被再次更新時，將原更新的數(shù)據(jù)寫入主存相應(yīng)單元，并接受新的數(shù)據(jù)。91CPUCache主主 存存更新更新寫入寫入一級Cache：容量一般為8KB-64KB一級Cache集成在CPU片內(nèi)。L1 Cache分為指令Cache和數(shù)據(jù)Cache。使指令和數(shù)據(jù)的訪問互不影響。指令Cache用于存放預(yù)取的指令。數(shù)據(jù)Cache中存放指令的操作數(shù)。 二級Cache：容量一般為128KB-2MB在Pentium之后的微處理器芯片上都配置了二級Cache，其工作頻率與CPU內(nèi)核的頻率相同。 92系統(tǒng)中的二級Cache

32、93CPU L1CacheL2Cache速度和存儲容量速度和存儲容量兼?zhèn)浼鎮(zhèn)涮岣叽嫒∷俣忍岣叽嫒∷俣戎髦?存存提供存儲容量提供存儲容量9400000H9FFFFHBFFFFHFFFFFHRAM區(qū)區(qū) 640KB保留區(qū)保留區(qū) 128KBROM區(qū)區(qū) 256KB兩個重要問題：如何用容量較小 、字長較短的芯片，組成微機系統(tǒng)所需的存儲器； 地址線根數(shù)取決于芯片容量。存儲器與 CPU的連接方法及應(yīng)注意問題。951. 位數(shù)的擴充用1位或 4位的存儲器芯片構(gòu)成8位的存儲器，可采用位并聯(lián)的方法。用8片2K1位的芯片組成容量為2K8位的存儲器，各芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的各位，而地址線的相應(yīng)位及各控制線，則并聯(lián)

33、在一起。96用2片1K4 位的芯片，組成1K8 位的存儲器。一片芯片的數(shù)據(jù)線接數(shù)據(jù)總線的低4位，另一片芯片的數(shù)據(jù)線則接數(shù)據(jù)總線的高4位。兩片芯片的地址線及控制線則分別并聯(lián)在一起。972. 地址的擴充當擴充存儲容量時，采用地址串聯(lián)的方法。 要用到地址譯碼電路，以其輸入的地址碼來區(qū)分高位地址，而以其輸出端的控制線來對具有相同低位地址的幾片存儲器芯片進行片選。 地址譯碼電路是一種可以將地址碼翻譯成相應(yīng)控制信號的電路。有 2-4譯碼器，3-8譯碼器等。9899例：用4片16K8位的存儲器芯片組成64K8位存儲器。芯片16K8地址為14位，芯片64K8地址碼應(yīng)有16位。連接時，各芯片的14位地址線可直接

34、接地址總線的A0A13，而地址總線的A15，A14則接到2-4譯碼器的輸入端，其輸出端4根選擇線分別接到4片芯片的片選CS端。100任一地址碼時， 僅有一片芯片處于被選中的工作狀態(tài)， 各芯片的取值范圍如表所示。 1011. 只讀存儲器與8086 CPU的連接ROM 、PROM或EPROM芯片都可與8086系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)程序存儲器。例如，EPROM芯片2716、2732、2764和27128，屬于以1字節(jié)寬度輸出組織的，因此，在連接到8086系統(tǒng)時，為了存儲16位指令字，要使用兩片這類芯片并聯(lián)組成一組。102兩片2732 EPROM與8086系統(tǒng)總線的連接示意圖。2732是4K8位存儲器芯片

35、。1032. 靜態(tài)RAM與8086 CPU芯片的連接微機系統(tǒng)的存儲器容量少于16K字時，宜采用靜態(tài)RAM芯片。因為大多數(shù)動態(tài) RAM芯片都是以16K1位或 64K1位來組織的，并且，動態(tài)RAM芯片還要求動態(tài)刷新電路，這種附加的支持電路會增加存儲器的成本。8086 CPU無論是在最小方式或最大方式下，都可以尋址1MB的存儲單元，存儲器均按字節(jié)編址。1042片靜態(tài)RAM 6116(2K8位)組成2K字數(shù)據(jù)存儲器。1053. EPROM、靜態(tài)RAM與8086 CPU連接的實例下圖給出了8086 CPU組成的單處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。8086接成最小工作方式。當機器復(fù)位時，8086將執(zhí)行FFFF0H單元

36、的指令。系統(tǒng)具有32K字節(jié)的EPROM區(qū)，使用了8片2732 (4K8) EPROM芯片，兩片一組。系統(tǒng)還具有16K字節(jié)的RAM區(qū)，使用了8片6116 (2K8) 靜態(tài)RAM芯片，兩片一組。1061071. CPU外部總線的負載能力CPU 外部總線的負載能力，即能帶一個標準的TTL負載。對于MOS存儲器來說，它的直流負載很小，主要是電容負載，故在小系統(tǒng)中，CPU可與存儲器直接相連。在較大的存儲系統(tǒng)中，連接的存儲器芯片片數(shù)較多，就會造成總線過載，故應(yīng)增加總線的驅(qū)動能力。通常采用加緩沖器或總線驅(qū)動器等方法來實現(xiàn)。1082. 各種信號線的配合與連接由于 CPU的各種信號要求與存儲器的各種信號要求有所

37、不同，往往要配合以必要的輔助電路。 數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)傳送一般是雙向的。存儲器芯片的數(shù)據(jù)線有輸入輸出共用的和分開的數(shù)據(jù)線的連接兩種結(jié)構(gòu)。對于共用的數(shù)據(jù)線，由于芯內(nèi)部有三態(tài)驅(qū)動器，故它可直接與 CPU數(shù)據(jù)總線連接。輸入線與輸出線分開的芯片，則要外加三態(tài)門，才能與 CPU數(shù)據(jù)總線相連。109地址線：一般可直接接到CPU的地址總線。 大容量的動態(tài) RAM，為減少引線數(shù)目，往往采用分時輸入的方式，需在CPU與存儲器芯片之間加上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。控制線： CPU通過控制線送出命令，以控制存儲器的讀寫操作，以及送出片選信號、定時信號等。1103. CPU時序與存儲器存儲速度之間的匹配CPU在取指和存儲器讀、寫操作時

38、，其時序是固定的，由此來選擇存儲器的存取速度。對速度較慢的存儲器，需要增加等待周期Tw，以滿足快速CPU的要求。1114. 存儲器地址分配及片選信號的產(chǎn)生內(nèi)存包括 RAM和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)（即監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的內(nèi)存區(qū)域）和用戶區(qū)，因而，要合理地分配內(nèi)存地址空間。目前生產(chǎn)的存儲器芯片，其單片的存儲容量有限，需要若干片存儲器芯片才能組成一個存儲器，故要求正確解決芯片的片選信號 。1121. 帶高速緩存動態(tài)隨機存儲器CDRAM (Cached DRAM)日本三菱電氣公司開發(fā)的專有技術(shù)，通過在DRAM芯片上集成一定數(shù)量的高速SRAM作為高速緩沖存儲器Cache和同步控制接口，

39、來提高存儲器的性能。1132. Direct Rambus接口動態(tài)隨機存儲器DRDRAM (Direct Rambus DRAM)1996 年開始，Rambus公司在Intel公司支持下制定出新一代RDRAM標準，這就是DRDRAM。與傳統(tǒng)DRAM區(qū)別在于引腳定義會隨命令而變，其引腳數(shù)僅為正常DRAM的1/3。當需要擴展芯片容量時，只需要改變命令，不需要增加芯片引腳。這種芯片可支持400MHz外頻，再利用上升沿和下降沿兩次傳輸數(shù)據(jù)，可使數(shù)據(jù)傳輸率達到800MHz。同時通過把單個內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)輸出通道從8位擴展成16位，這樣在100MHz時就可使最大數(shù)據(jù)輸出率達1.6GB/S。1143. 雙數(shù)據(jù)

40、傳輸率同步動態(tài)隨機存儲器DDR DRAM（Double Data Rate DRAM）在同步動態(tài)讀寫存儲器 SDRAM基礎(chǔ)上，采用延時鎖定環(huán)技術(shù)提供數(shù)據(jù)選通信號對數(shù)據(jù)進行精確定位，在時鐘脈沖的上升沿和下降沿都可傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍。DDR DRAM需要新的高速時鐘同步電路和符合JEDEC標準的存儲器模塊，所以主板和芯片組的成本較高，一般只能用于高檔服務(wù)器和工作站上。1154. 虛擬通道存儲器VCM（Virtual Channel Memory）目前大多數(shù)最新的 主板芯片組 都支持的一種內(nèi)存標準。是 NEC公司開發(fā)的“緩沖DRAM”，將在大容量SDRAM中采用。集成了所謂的 “通道緩沖”

41、，由高速寄存器進行配置和控制。在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，VCM還維持著與傳統(tǒng)SDRAM的高度兼容性，所以通常也把VCM內(nèi)存稱為VCM SDRAM。在設(shè)計上，系統(tǒng)不需作大的改動，便能提供對 VCM的支持。VCM后臺處理與前臺處理可同時進行。由于專為這種“并行處理”創(chuàng)建了一個支撐架構(gòu)，所以VCM能保持一個非常高的平均數(shù)據(jù)傳輸速度，同時不用對傳統(tǒng)內(nèi)存架構(gòu)進行大的更改。1165. 快速循環(huán)動態(tài)存儲器FCRAM（Fast Cycle RAM）FCRAM由富士通和東芝聯(lián)合開發(fā)，數(shù)據(jù)吞吐速度可達普通DRAM/SDRAM的4倍。FCRAM將目標定位在需要極高內(nèi)存帶寬的應(yīng)用中，比如業(yè)務(wù)繁忙的服務(wù)器以及3D圖形及

42、多媒體處理等。FCRAM最主要的特點便是行、列地址同時訪問，而不像普通DRAM那樣，以順序方式進行（先訪問行數(shù)據(jù)，再訪問列數(shù)據(jù)）。117微機系統(tǒng)除需要存取速度快，可靠性高的內(nèi)存儲器外，還需要配備容量大的外存儲器。外存儲器主要用來存放大量當前暫時還不運行的程序和尚待處理的數(shù)據(jù)。 外存儲器有磁表面存儲器和光盤存儲器 。1181. 磁性材料的物理特性計算機中，作為存儲信息的磁性材料，具有矩形磁滯回線特性。1192. 磁表面存儲信息的讀寫原理磁表面存儲器寫入和讀出信息，都是由磁頭來實現(xiàn)的。120寫操作當線圈1某瞬間通過方向由a至b的電流時，在磁頭鐵芯里將產(chǎn)生一順時針方向的磁通，于是，磁頭兩端空隙處形成

43、一個如小箭頭所示的定向磁場。當載磁體在這個磁場作用下作相對運動時，在磁層表面就被磁化成相應(yīng)極性的磁化單元，若假定該磁化單元的極性表示為二進制信息0，則其相反的極性就表示為1。121讀操作讀出記錄在磁表面上的信息，是通過磁頭與載磁體間的相對運動來實現(xiàn)的。當磁頭與被磁化了的磁層表面作相對運動時，磁頭芯中的磁力線發(fā)生變化，在磁頭線圈回路中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢。由于磁化單元中剩余磁感應(yīng)的方向不同，因而磁頭圈回路中的感應(yīng)電勢方向也不同，從而可以讀出在磁表面上的信息是1或是0。1223. 磁表面存儲器的記錄方式即磁表面存儲器記錄二進制信息的方式。為提高磁表面存儲器的記錄密度和增強記錄的可靠性，采用了多種記錄方式

44、。磁表面存儲器常用的記錄方式為：調(diào)頻制FM(frequency modulation) 方式改進型調(diào)頻制MFM(modified frequency modulation)方式。采用何種方式取決于數(shù)據(jù)信號和時鐘信號的編碼方式。123硬盤是計算機最重要的外部存儲設(shè)備，包括操作系統(tǒng)在內(nèi)的各種軟件、程序、數(shù)據(jù)都需要保存在硬盤上。隨著PC機快速騰飛，硬盤也進入了一個飛速發(fā)展的階段，接口、容量、轉(zhuǎn)速、磁頭等等都經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代。硬盤容量已經(jīng)達到了TB級別。1241. 硬盤的磁頭硬盤存取數(shù)據(jù)依靠磁頭進行，磁頭是硬盤讀寫的 “筆尖”，通過全封閉式的磁阻感應(yīng)讀寫，將信息記錄在硬盤內(nèi)部特殊介質(zhì)上。硬盤磁頭先后

45、經(jīng)歷了 “亞鐵鹽類磁頭Monolithic Head)”、“MIG(Metal In GAP)磁頭”和“薄膜磁頭(Thinfilm Head)”、MR磁頭(Magneto Resistive Heads，即磁阻磁頭)、GMR(Gaint Magneto Resistive，巨磁阻磁頭)等發(fā)展階段。CPP-GMR磁頭，即垂直平面電流模式的大型抗磁化磁頭，是日本富士通公司開發(fā)的一種新型讀寫磁盤磁頭技術(shù)。使用這一技術(shù)的硬盤驅(qū)動器的記錄密度可高達每平方英寸300GB。1251262. 硬盤的盤面硬盤的盤面就是 “筆”下的紙。硬盤內(nèi)部是由金屬磁盤組成的，分為單碟、雙碟與多碟。它們通過表面的磁性物質(zhì)結(jié)合在

46、一起，與平時使用的那些普 軟磁盤存儲介質(zhì)的不連續(xù)顆粒相比，這種特殊物質(zhì)的金屬磁 具有更高的記錄密度和更強的安全性能。 目前市場上主流硬盤的盤片大都是由金屬薄膜磁盤構(gòu)成，金 薄膜磁盤較之普通的金屬磁盤具有更高的剩磁和高頑力。127除金屬薄膜磁盤以外，目前已經(jīng)有一些硬盤廠商開始嘗試使用玻璃作為磁盤基片。與金屬薄膜磁盤相比，用玻璃作為盤片有利于把硬盤盤片做得更平滑，單位磁盤密度也會更高，同時由于玻璃的堅固特性，新一代的玻璃硬磁盤在性能方面也會更加穩(wěn)定。 但玻璃材質(zhì)具有脆性。1281291303. 硬盤的馬達硬盤主軸上的馬達控制磁頭在盤片上高速工作。 馬達帶動盤片在 真空封閉的環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，馬達高速

47、運轉(zhuǎn)時 所產(chǎn)生的浮力使磁頭飄浮在盤片上方進行工作。 硬盤在工作時，通過馬達的轉(zhuǎn)動將用戶需要存取的數(shù)據(jù)所在的 扇區(qū)帶到磁頭下方，馬達的轉(zhuǎn)速越快，用戶等待存取記錄的時 間也就越短。 馬達轉(zhuǎn)速在很大程度上決定了硬盤最終的速度。硬盤不斷向著 超大容量邁進的同時，硬盤的速度也在不斷提高，這當然也就 要求硬盤的馬達必須能夠跟上技術(shù)時代飛速發(fā)展的步伐。 1314. 硬盤的平均訪問時間、平均尋道時間和平均潛伏時間平均尋道時間 (Average Seek Time)：硬盤在盤面上移動讀寫頭至指定磁道尋找相應(yīng)目標數(shù)據(jù)所用的時間。描述硬盤讀取數(shù)據(jù)能力時，目前主要以 ms為計算單位，而硬盤讀取數(shù)據(jù)一般在6ms14ms

48、之間。當硬盤的單碟容量增大時，磁頭的尋道動作和移動距離會相應(yīng)減少，這樣也就導(dǎo)致硬盤本身的平均尋道時間減少，從而提高了硬盤的速度。 132平均潛伏時間：相應(yīng)磁道旋轉(zhuǎn)到磁頭下方時間，一般情況下在 2ms6ms之間。平均訪問時間：平均尋道時間與平均潛伏時間的總和。平均訪問時間基本上代表了硬盤找到某一數(shù)據(jù)所用的時間。 平均訪問時間越短越好，一般情況下應(yīng)該控制在 11ms18ms之間。1335. 硬盤的外部傳輸率和內(nèi)部傳輸率硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率 (External Transfer Rate)：電腦通過接口將數(shù)據(jù)傳給硬盤的傳輸速度。內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率 (Internal Transfer Rate)：硬盤將

49、這些數(shù)據(jù)記錄在盤片上的速度，也稱最大或最小持續(xù)傳輸率(Sustained Transfer Rate)，反映硬盤緩沖區(qū)未用時的性能。134實際上，硬盤外部數(shù)據(jù)傳輸率比內(nèi)部傳輸率要快很多，在這兩個速度之間有一緩沖區(qū)以緩解二者的速度差距。從硬盤緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度又稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率 (Burst Data Transfer Rate)。傳統(tǒng)的普通 EIDE硬盤理論上的傳輸速率已達到了17.5MB/s左右，而采用后來的Ultra DMA 33/Ultra DMA 66技術(shù)后，傳輸率瞬間便可達到33.3MB/s和66MB/s。1356. 硬盤的緩沖區(qū)硬盤緩沖區(qū)：硬盤本身的高速緩存 (Cache)，它

50、能夠大幅度地提高硬盤整體性能。高速緩存其實就是指硬盤控制器上的一塊存取速度極快的DRAM內(nèi)存，分為寫通式和回寫式。早期硬盤大多帶有128KB、256KB、512KB等高速緩存，目前的高檔硬盤高速緩存大多已達到1MB、2MB甚至更高。在高速緩存的取材上也采用了速度比DRAM更快的同步內(nèi)存SDRAM，確保硬盤性能更為卓越。1367. 硬盤的接口類型硬盤與主機系統(tǒng)間連接部件，在硬盤緩存和主機內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)。不同的硬盤接口決定著硬盤與計算機之間的連接速度，在整個系統(tǒng)中，硬盤接口的優(yōu)劣直接影響著程序運行快慢和系統(tǒng)性能好壞。分為 EIDE(Enhanced Integrated Drive Electronics)和SCSI(Small Computer System Interface)兩種。早期的 EIDE接口硬盤采用了PIO Mode 4模式，其傳輸速率可以達到166MB/s。SCSI接口硬盤的基本數(shù)據(jù)傳輸率是20MB/s(8bit,50線)。 1371388. 硬盤數(shù)據(jù)保護技術(shù) SMART (Self Monitor Analysis Report Technology) ：自檢測診斷分析與報告技術(shù)Data Lifeguard：數(shù)據(jù)衛(wèi)士，西部數(shù)據(jù)公司SPS(Shock Protection System)：震動保護系統(tǒng) DPS(Da