微机原理与接口技术第3章存储系统.ppt
,微机原理与接口技术,存储系统,第三章,主要内容,3.1 概述3.2 半导体存储器3.3 存储芯片与CPU的接口3.4 外部存储器3.5 小结,3.1 概述,存储器分为内存储器（内存）和外存储器（外存）两种，内存储器主要包括RAM和ROM，其中Cache是RAM的一种，外存储器主要包括硬盘、光盘等。,计算机系统要求存储器容量大、速度快和成本低，但往往这三者在同一个存储器中不能同时取得。为了解决这一矛盾，采用了分级存储器结构，通常把存储器分为Cache、主存储器和外存储器三级。,3.1 概述,3.1 概述,存储设备的分类 按用途不同分为主存储辅助存储器按存储器介质分为半导体存储器磁介质存储器（硬盘）光碟存储器等：,按存储特性分为易失性存储器非易失性存储器；按寻址特性分为随机寻址存储器顺序寻址存储器直接寻址存储器等。,3.2 半导体存储器,1半导体存储器分类按照制造工艺分双极型（TTL）半导体寄存器。金属氧化物（MOS）半导体存储器。CMOS根据其存储信息的功能分易失性存储器。非易失性存储器。,3.2 半导体存储器,半导体存储器分类,3.2 半导体存储器,2.半导体存储器的技术指标存储容量。存储容量是指存储器芯片所能存储的二进制信息的总位数，即存储容量=存储单元数单元的位数。存取时间。是指从启动一次存储操作到完成该操作所需要的时间。可靠性。功耗。功耗一般指每个存储单元所消耗的功率。,3.2 半导体存储器,RAM SRAM SRAM由6个MOS场效应管构成的RS双稳态触发器组成。其一个存储单元结构为:,六管静态存储元电路,3.2 半导体存储器,DRAM DRAM利用MOS场效应晶体管栅极分布电容的充放电来保存数据信息。基本结构是一只MOS管和一个电容构成。DRAM的分类同步内存异步内存区分的标准是看它们能不能和系统时钟同步。,DRAM的分类,当前的标准是SDRAM（同步DRAM的缩写），它是同步于系统时钟频率的。SDRAM内存访问采用突发模式，它的原理是在现有的标准动态存储器中加入同步控制逻辑(一个状态机)，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。SDRAM的速度是由MHz或ns来计算的。SDRAM的速度至少不能慢于系统的时钟速度。,DRAM的接口类型,SIMM（单边接触内存模组）。SIMM是486及其较早的PC机中常用的内存的接口方式。在更早的PC机中（486以前），多采用30针的SIMM接口，而在Pentium中，应用更多的则是72针的SIMM接口，或者是与DIMM接口类型并存。DIMM（双边接触内存模组）。这种接口模式的内存广泛应用于现在的计算机中，通常为84针，但由于是双边的，所以一共有842=168线接触，故而人们经常把这种内存称为168线内存，而把72线的SIMM类型内存模组直接称为72线内存。DRAM内存通常为72线，SDRAM内存通常为168线的。,DIMM（Dual Inline Memory Module，双列直插内存模块）,SDRAM DIMM为168Pin DIMM结构，每面为84Pin，金手指上有两个卡口，用来避免插入插槽时，错误将内存反向插入而导致烧毁；DDR DIMM则采用184Pin DIMM结构，每面有92Pin，金手指上只有一个卡口。卡口数量的不同，是二者最为明显的区别。DDR2 DIMM为240pin DIMM结构，每面有120Pin，与DDR DIMM一样金手指上也只有一个卡口，但是卡口的位置与DDR2 DIMM稍微有一些不同,DRAM的刷新,DRAM利用电容的电荷效应进行信息的存储，必须对其存储的内容进行定期刷新。所谓“刷新”，就是每隔一段时间，对DRAM的所有单元进行读写，经读出放大器放大后，再重新写入原电路，以维持存储电容上的电荷，从而使所存信息保持不变。对于DRAM来说，刷新是按行进行的，每刷新一次的时间间隔是刷新周期。刷新的时间间隔取决于存储信息的电容的大小。一般典型的刷新时间为2ms。,3.2 半导体存储器,Cache Cache是位于CPU与内存之间的临时存储器，它的容量比内存小，但交换速度快，一般由高速SRAM构成。,3.2 半导体存储器,ROM存储器 掩膜只读存储器MROM可编程只读存储器 可编程只读存储器PROM用紫外线擦除的可编程的UV-EPROM电可擦除的可编程存储器EEPROMFlash存储器,3.2 半导体存储器,Flash 存储器也称为闪速存储器或闪存。从原理上看，Flash存储器属于ROM型存储器，与E2PROM比较，Flash 存储器可实现大规模的快速电擦除，编程速度快，断电后具有可靠的非易失性。从功能上看，它又相当于RAM，使以前对RAM与ROM的划分变得模糊起来。但从存取速度和擦写的寿命两方面来衡量，它还赶不上DRAM。,3.3 存储芯片与CPU的接口,存储芯片与CPU连接时需要注意以下问题 芯片的选择。CPU与存储器芯片的时序配合。存储器的地址分配（片选信号）。CPU的负载能力。,3.3 存储芯片与CPU的接口,EPROM与CPU的接口 目前广泛使用的EPROM芯片有Intel公司生产的2716、2732、2764、27128、27256、27512等，其容量为2K8b至64K8b。前两种为24脚双列直插式封装，后几种为28脚双列直插式封装。,Intel 2716,芯片特性 Intel 2716是一种存储容量为16Kb(2K8b)，存取时间约450ns的EPROM芯片。它只需单一的+5V电源即可正常工作。,Intel 2716,Intel 2716芯片引脚功能说明,Intel 2716,Intel 2716芯片的工作方式选择,Intel 2716,Intel 2716芯片与8位CPU的连接方法：低位地址线,数据线直接相连；工作电源Vcc直接与+5V电源相连，编程电源通常由开关控制；和 信号分别由CPU高位地址总线和控制总线译码后产生。实例：用2716 EPROM芯片为某8位CPU设计一个16KB的ROM存储器。已知该CPU地址线为A0A15，数据线为D0D7，“允许访存”控制信号为/M，读出控制信号为/RD。画出EPROM与CPU的连接框图。,分析,怎样保证任何时候最多只能允许一个芯片中的数据被读出？使用3-8线译码器（74LS138）来选择芯片,3-8线译码器,Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7,芯片0,芯片1,芯片2,芯片3,芯片4,芯片5,芯片6,芯片7,3|8 线译码器,ABC,CBA=000 Y0=0,地址线16KB地址空间=214，需要至少14条地址线CPU有A0A15共16条地址线，够用怎样选择各个芯片？CPU的A0A10与2716的地址线A0A10直接相连；CPU的高位地址线A11A13 连接到3-8线译码器74LS138，用译码器的输出Y0Y7控制每个2716的/CECPU数据D0D7与所有2716数据线D0D7对应位相连；CPU的/RD连接所有2716的输出允许信号端/OE。,EPROM与CPU连接,EPROM与CPU连接框图,3.3 存储芯片与CPU的接口,SRAM与CPU的接口 常用的SRAM芯片有Intel公司生产的2114、2128、6116、6264等。Intel 2114 1芯片特性 Intel 2114是一种存储容量为1K4b，存取时间最大为450ns的SRAM芯片。,Intel 2114,引脚排列图,引脚名,Intel 2114芯片引脚排列图及引脚名,Intel 2114,Intel 2114内部结构框图,Intel 2114,接口方法 从连接特性看，2114芯片与前面介绍的EPROM 2716相比只增加了一个读/写控制功能，故其接口方法大同小异。具体如下：地址线A0A9与地址总线的低10位直接相连；数据I/O线I/O1I/O4与数据总线的连续4位相连；片选信号 可在访存控制信号控制下由高位地址译码产生；写允许信号 与CPU发出的有关读/写控制信号直接相关或者由有关控制信号形成。,Intel 2114,实例：某8位微机有地址总线16根，双向数据总线8根，控制总线中与主存相关的有“允许访问”信号(低电平有效)和读/写控制信号R/(高电平读，低电平写)。试用SRAM芯片2114为该机设计一个8KB的存储器并画出连接框图。,存储器与CPU连接框图,3.3 存储芯片与CPU的接口,DRAM与CPU的接口需要考虑的问题一是由于DRAM芯片中的存储元是靠栅极电容上的电荷存储信息的，时间一长将会引起信息丢失，所以必须定时刷新；二是由于DRAM芯片集成度高，存储容量大，使引脚数量不够用，所以地址输入一般采用两路复用锁存方式。目前市场上的DRAM芯片种类很多，常用的有Intel公司生产的2116、2118、2164等。,Intel 2164,芯片特性 Intel 2164是一种存储容量为64K1b，最大存取时间为200ns，刷新时间间隔为2ms的DRAM芯片。,引脚排列图,引脚名,3.4 外部存储器,磁盘存储器是计算机系统最主要的外存设备。当前常用的磁盘主要有硬磁盘和固态硬盘(solid state disk)两大类。硬磁盘存储器简称硬盘，由磁头、盘片、驱动器和读/写控制电路组成，通过在硬质盘片上涂敷磁性材料，来记录二进制数据。可分为固定磁头硬磁盘、活动磁头固定盘片硬磁盘、活动磁头可换盘片硬磁盘等多种类型。,硬盘,硬磁盘示意图,硬盘(Hard-disk),按照盘片可分为单盘片和多盘片组合式。在多盘片组合式中有2片、6片、8片、12片等；盘片直径有14in、8in、5.25in、3.5in等（1in=2.54cm）；容量有10GB、40GB、80GB、120GB等。典型产品是温氏盘。盘片常以每分钟3600转或7200转的速度旋转，地址顺序是：柱面号、盘面号和扇区号。通过专门的接口与主机连接,常见接口有IDE、EIDE、Ultra DMA和SCSI。其中，前三种采用美国国家标准协会(ATA)标准，因此也称IDE/ATA接口，传输速率高，价格便宜，易于安装。SCSI主要用于小型机、高档微型机或服务器中。,硬盘发展,1956年9月，IBM的一个工程小组向世界展示了第一台磁盘存储系统IBM 350 RAMAC。1973年，IBM公司制造出了第一台采用“温彻期特”技术的硬盘。1979年，IBM发明了薄膜磁头。接着在80年代末期，IBM公司研发了MR磁阻磁头。1991年，IBM公司将此项MR磁头技术应用于3.5in的硬盘中，使得普通电脑用户使用的硬盘容量首次达到了1GB，从此我们使用的硬盘容量开始进入了GB数量级,50个直径24in的磁盘,温彻斯特,硬盘发展,GMR是IBM公司在MR技术的基础上研发成功的新一代磁头技术，它是最新的磁头技术，现在生产的硬盘全都应用了GMR磁头技术。1999年9月7日，Maxtor（迈拓）宣布了首块单碟容量高达10.2GB的ATA硬盘，从而使用硬盘容量达到一个新的里程碑。2000年2月23日，希捷发布了转速高达15000r/min的Cheetah X15（捷豹）系列硬盘，,MR磁阻磁头结构,希杰Cheetah X15硬盘结构,硬盘发展,2000年3月16日，硬盘领域又有新突破，第一款玻璃硬盘问世。2002年，希捷发布了Barracuda ATA V Serial ATA硬盘，也就是我们现在经常说的串口硬盘。2004年，TOSHIBA（东芝）推出了世界上首款0.85in的硬盘MK2001 MTN，存储容量可达2GB。,东芝MK4007硬盘结构,希捷Barracuda硬盘结构,硬盘发展,2005年，东芝推出的MK4007 GAL在1.8in的盘片上实现了40GB的存储量。2006年，希捷推出了Momentus 5400.3笔记本电脑硬盘，这是首款采用垂直磁性记录设计的2.5in硬盘，其存储容量达到160GB。2007年，TB级硬盘强势袭来。日立、西数、希捷、三星四大硬盘制造厂商先后推出了它们的1TB硬盘，硬盘从此进入TB时代。,硬盘技术,磁头技术（感应敏感、精密度）电机技术（主轴转速）接口技术（IDE/ATA）盘片技术(塑料-铝合金-玻璃)其他技术（防震）,SSD（固态硬盘）,SSD一般可以分为两种基于闪存的SSD 采用Flash Memory作为存储介质，经常使用的U盘、数码相机等一些电子存储器及另外一些ATA、SCSI、FC接口的Flash Disk，统称为闪存；最大优点就是可以移动，而且数据保护不受电源控制，能适应各种环境，但是使用年限不高。所以闪存盘的容量一般都非常小，DDR RAM Base SSD 采用DDR RAM作为存储介质，可被各种操作系统的文件系统工具进行卷设置和管理，并提供工业标准的PCI和FC接口，用于连接主机/服务器或存储网络的存储设备。最显著优势就是速度，并且使用寿命非常长，几乎包含所有闪存盘所拥有的优点，美中不足的是，它需要电源来保护数据安全。,固态硬盘2014年参考售价,机械硬盘2014年参考售价,光盘存储设备,光盘存储器的基本组成光盘驱动器 包含了激光发射器、聚焦控制、定位控制、电机与调速控制、写擦除与读出控制等部件。光盘控制器 光盘控制器中包括数据输入缓冲器、记录格式转换器、编码器、读出格式转换器、数据输出缓冲器等。接口电路 光盘存储器外形呈圆形，表面分为光道，每道分为若干个扇区。扇区又划分为帧，每帧24个字节，一个扇区由98帧共2352个字节组成。光盘数据传输率约为每秒几MB至几十MB。,光盘存储器的工作原理,光盘控制器与光盘驱动器制作成一个整体，合称为光盘驱动器，简称为光驱，又叫CD-ROM驱动器，用于读取光盘上的数据。光盘存储器是利用激光的单色性和相干性，使数据通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区（直径一般小于1m）发生物理和化学变化，其分子排列方式改变，形成凹坑，其深度约为0.12m、宽度约为0.50.6m，以此记录二进制数据。,光盘数据的写入,光盘驱动器,光盘驱动功能部件,光盘的类型,只读型 只读型光盘中的数据是用压模的方法压制而成，用户只能读取数据，不能写入。一次或多次写型(CD-R)该光盘允许用户一次或多次追加式地写入数据直到盘满为止，信息写入后为只读状态，不可再修改。可擦写型 这种光盘具有磁盘一样的可擦写性，可多次写入或修改光盘上的数据。,光盘标准,CD-DA标准(数字式激光唱盘)CD-ROM标准（存储计算机数据）CD-R标准（可刻录）Photo-CD标准Video-CD（VCD）DVD,光盘的数据存储容量,CD-ROM盘片容量为：650.39MB DVD-ROM单面单层盘的容量最大为4.7GB，单面双层盘的容量可达到8.5GB，双面双层盘的容量达到17GB。,CD-ROM光盘及其驱动器,CD-ROM盘 CD-ROM盘由三层不同的材料组成，最上面一层是保护层，一般为涂漆层，并标示有盘的说明信息；中间一层是反射金属(通常为铝等)薄膜；底层是聚碳酸酯塑料盘基。盘上的信息是用强激光打出的凹坑和凸坑来表示的，小凹坑和小凸坑的不同组合代表不同的二进制信息。信息轨道是由小凹坑和小凸坑沿盘面按螺旋形排列的，这样可比按同心圆排列存放更多的信息。,DVD光盘,DVD的结构 常规的CD盘只使用一个面和一个记录层来记录信息。为了提高存储容量，DVD盘结构分为单面单层单面双层双面单层双面双层。,DVD光盘,DVD格式DVD-ROM（只读DVD）DVD-Video（视频DVD）DVD-Audio（音频DVD）DVD Recordable（可写DVD）DVD-RAM（DVD随机存储器）,小结,概述 对存储设备的要求 存储设备的分类半导体存储器半导体存储器分类半导体存储器的技术指标 RAM SRAMDRAMCache ROM存储器,小结,存储芯片与CPU的接口 存储芯片与CPU连接时需要注意的问题 EPROM与CPU的接口 SRAM与CPU的接口 DRAM与CPU的接口 外部存储器技术指标 硬盘发展 硬盘技术 SSD 光盘存储设备,作业,P77:2、5、11,
