微型计算机存储器系统.ppt

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1、1,4.1 微型计算机存储器4.2 主存储器4.3 外部存储器4.4 虚拟存储器,第4章 微型计算机存储器系统,2,主要内容,微型计算机存储器系统的构成存储器的主要技术指标组成主存储器的各种半导体存储器、cache常用辅助存储器及其接口虚拟存储器,3,学习目标,理解并掌握微机存储器系统的构成和主要技术指标了解半导体存储器、cache、辅助存储器的组成和虚拟存储器的基本概念,4,4.1 微型计算机存储器,存储器是计算机硬件的重要组成部分，用来存储程序和数据。早期的计算机采用冯诺依曼机结构方案，以运算器为中心。随着DMA技术（存储器直接存取）的引入，计算机结构改为以存储器为中心，目前存储器的中心地

2、位得到进一步增强。计算机多处理系统的实现，使单个CPU对系统的控制作用下降，内存成为多处理器共享的重要资源。计算机网络的开通，又使存储器，特别是海量外存储器成为计算机之间进行数据交换、资源共亨的重要手段。,5,4.1.1 微机存储器系统,存储器一般指存储信息的硬件器件，存储器系统是指由各具特色、不同类型的存储器构成相互依存、相互支持的多个层次，以及与此相关的软、硬件。单一品种的存储器不能同时满足计算机系统的各项要求，而存储器系统可以较好地做到统筹兼顾，充分发挥整体优势。微机存储器系统的构成如图4-1所示。它主要由主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器以及管理这些存储器的硬件和软件组成。,6,4-

3、1 微机存储器系统的组成,7,主存储器通常安装在主板上，又称为内部存储器，如图4-2所示。主存能直接和CPU交换信息，存放当前正在运行中的程序和数据。微机的主存由半导体存储器RAM和ROM组成，目前装机容量一般为256MB1GB。,图4-2 主存储器,返回,8,辅助存储器又称外存储器，其特点是容量大、造价低，多用于存放当前不直接参与运行的程序和数据及系统程序。外存储器主要有两种：一种是磁表面存储器；包括软盘和硬盘存储器；另一种是光盘存储器。目前，U盘(一种半导体存储器)作为移动存储器已取代了软盘。高速缓冲存储器cache是介于CPU和主存之间的一个容量小，但速度接近于CPU的存储器，一般集成在

4、CPU内部。在微机运行中，从主存读写数据的速度远远跟不上CPU运行速度。为此，将一段当前使用频繁的程序和数据存放在cache中，当CPU需要从主存中读出程序和数据时，可同时访问主存和cache，如果所需要的内容恰好在cache中，则CPU可很快获得，否则再从主存中读取。当CPU发现cache中已不再是最活跃的信息时，就将内容更换，将主存中另一段当前活跃的程序和数据调入高速缓存。这样，CPU直接访问的存储空间，可以像主存那样大的容量，而读写速度接近于CPU。,9,4.1.2 主要技术指标,微机存储器的主要技术指标包括存储容量、存取周期、可靠性和性价比。1.存储容量存储容量是存储器可以存储的二进制

5、信息的数量。单位为B、KB、MB、GB。对于按字节编址的存储器而言，存储器存储单元的多少或一个机器的存储空间的大小，可以由其地址码的位数确定。n位地址码的存储器最大可编址2个存储单元，其容量为2B，如32位微机有32位地址码，存储器容量可支持4GB，但目前实际装机容量为2561024MB。,10,2.存取周期存取周期是指存储器完成一次读/写操作所需要的时间。若设存储器总线宽度为W(B)，周期时间为Tc(s)，则数据传输率为W/Tc(B/s)，表示每秒钟存储器能并行传输多少个字节。对于32位机，若Tc=200ns，则存储器数据传输率可达20MB/s。注：1秒(s)=1,000,000,000纳秒

6、(ns)3.可靠性一般使用平均无故障间隔时间MTBF来衡量。MTBF为两次故障之间的平均间隔时间。MTBF越长，可靠性越高。若Ti为第i次无故障间隔时间，N为故障数，则4.性价比性价比是一个综合指标。性能是指存储容量、存取周期和可靠性；价格指存储器的总造价。,MTBF=,11,4.2 主存储器,微机中主存储器由半导体存储器组成。半导体存储器的分类如图4-3,图4-3 半导体存储器的分类,12,双极性RAM：即是用双极性半导体电路作为记忆元件的RAM，其主要特点是存储速度快，与MOS型RAM相比，其集成度低、功耗大而且价格也较高。主要用于要求存取速度高的微型计算机中。MOS型RAM：金属氧化物半

7、导体电路作为记忆元件的RAM，其集成度低、功耗低、速度较快。静态RAM：其存储单元所存储的信息不需要刷新。动态RAM：其存储单元所存储的信息需要定时刷新。掩膜 ROM：这种ROM是芯片制造商根据ROM要存储的信息，设计固定的半导体掩膜板进行生产，一旦掩膜做好，其存储的信息就固定了。可编程ROM：用户可根据需要写入信息，内容一旦写入，就不能修改。可擦除的PROM：其写入的信息可以长久保存，当程序需要更改时，又可以将其全部擦除，重新写入。电可擦除的PROM：不仅提供全片擦除功能，还可以字节为单位进行擦除和改写。,13,4.2.1 随机存取存储器,RAM是一种既能写入又能读出的存储器。RAM只能在电

8、源电压正常时工作，一旦断电，RAM内的信息便完全丢失。1.SRAM SRAM的基本存储电路是利用双稳态电路的某一种稳定状态表示二进制信息的。其基本存储单元是双稳态触发器，每一个单元存放一位二进制信息。双稳态电路是一种平衡的电路结构，不管处于什么状态，只要不给它加入新的触发，不掉电，它的稳定状态将保持下去。故所存的信息不需要刷新。SRAM的存取速度很快，多用于要求高速存取的场合，例如，高速缓冲存储器。常用的SRAM芯片有6264、62256和628128等。如6264引脚图如图4-4，SRAM与CPU的连接如图4-5所示。AoAn为地址总线，DoDn为数据总线，为片选信号，为写控制信号，为读控制

9、信号。,14,图4-4 SRAM6264引脚图,15,图4-5 SRAM与CPU的连接,16,2.DRAM DRAM是一种以电荷形式来存储信息的半导体存储器。它的每一位存储单元是由电容器C及控制它充放电的MOS电路组成的。充电成高电位后表示“1”，放电后表示“0”。但由于电容存在漏电现象，故必须定时刷新，对DRAM进行充电。DRAM以其速度快、集成度高、功耗小、价格低在微型计算机中得到极其广泛的使用。为配合不同的用途，DRAM有多种规格的DRAM芯片。如DRAM2164的引脚配置如图4-6 A0A7为地址输入端。Din和Dout是芯片上的数据线。为行地址锁存信号。为列地址锁存信号。为写允许信号

10、。,17,图4-6 DRAM2164引线图,18,DRAM的使用方法如图4-7。CPU对存储器进行读写时，首先在地址总线上给出地址信号，然后发出相应的读写控制信号，最后在数据总线上进行数据操作。（LS158：多路器，LS245：总线缓冲器）目前，Pentium微机均采用封装形式的动态RAM，即习惯上所说的RAM条。实际上，RAM条是由数片塑封的动态RAM芯片组合而成的厚膜电路。如图4-2,19,图4-7 DRAM读写简化电路,20,4.2.2 只读存储器 ROM是一种只能读出而不能写入的存储器，通常用来存放那些固定不变的，不需要修改的程序。例如，PC机中的BIOS(基本输入输出系统)。ROM必

11、须在电源电压正常时才能工作，但断电之后，其中存储的信息并不丢失，一旦通电，它又能正常工作，提供信息。1.掩膜ROM(MROM)MROM芯片在制作掩膜板的时候，将所存的信息编排在内；一旦掩膜做好，其存储的信息就固定了。2.可编程ROM(PROM)PROM是一种可编程的只读存储器，便于用户根据自己的需要来写入信息，这种ROM一般用二极管矩阵组成。图4-8是一种熔断型PROM，表示在晶体管基极不加脉冲时，发射极由镍丝接到列线输出为“1”(或“0”)；在基极加入信号后，熔断镍丝，输出变为“0”(或“1”)。这样就实现了永久性编程。内容一旦写入，就不能修改。,21,图 4 8 可编程ROM原理示意图(a

12、)编程前；(b)编程后,22,3.可擦除可编程的只读存储器EPROM(Erasable PROM),EPROM是一种可用紫外线擦除,允许用户多次写入信息的只读存储器,目前广泛使用的EPROM是用浮动栅雪崩注入型MOS管构成,叫FAMOS型EPROM。写入方法：平时,浮动栅上不带电荷,源极S与漏极D之间没有导电沟道,处于关闭状态,表示存储的是“1”信息;当需要写“0”时，需在源、漏极之间加上高电压（如+25V）和编程脉冲,此时,源、漏极间被瞬间击穿，在PN结处集聚大量电子，这些电子通过绝缘层注入到浮动栅上，使浮动栅带负电，浮动栅上的负电荷在氧化层下面感应出正电荷迫使管子导通，表示存储的是“0”信

13、息。高压撤除后，因浮动栅被二氧化硅绝缘层所包围，浮动栅上的电子,无处泄漏，管子仍保持导通状态，使存储的“0”信息保持不变。,23,擦除方法:用紫外线光对准芯片上的圆形石英窗口(相距3cm),用一定波长的紫外线灯照射1025分钟(时间随芯片的容量和紫外线光照射强度定)。用紫外线擦除信息的EPROM,也叫UVEPROM,UV是英语“紫外线”的简称。不足之处:一是紫外线擦除信息需很长时间;二是改写必需脱机进行;三是采用全片擦除的方法,即不能单独擦除或重写个别存储单元。,4.电可擦可编程只读存储器EEPROM(Electrically Erasable PROM),EEPROM是电可擦只读存储器,允许

14、用户多次写入信息。与EPROM的最大区别是它的擦除和写入操作都在联机条件下进行,可方便地对它进行字节擦除、页擦除和整体的擦除。,24,4.2.3 高速缓冲存储器,高速缓存(Cache)是一种介于CPU和主存之间的存储容量较小而存取速度却较高的一种存储器。Cache技术在一定程度上解决了较高的CPU处理速度和较低的内存读取速度之间的矛盾。因为CPU速度较快，而内存速度相对较慢。在CPU对内存读写数据时，如果内存速度达不到CPU速度的要求，CPU将不得不在一个总线周期内停下来(插入一个或几个等待状态)，即CPU处于等待状态。要使CPU工作在没有等待的状态下，势必要求采用高速存储器，而高速存储器价格

15、是普通内存的10倍，当存储容量足够大时，仅内存芯片的价格就有可能超过整机价格。所以，为了解决内存速度不能满足CPU速度要求从而影响系统性能的矛盾，选择了这样一种解决方案，即在CPU和内存之间设计了一个容量较小，但相对来说速度很快的高速缓存(cache)。,25,cache是用静态RAM做的，不需刷新，存取速度快，存放的是最频繁使用的指令和数据。CPU存取指令和数据时，先访问cache，如果欲存取的内容已在cache中(称为命中)，CPU直接从cache中读取这个内容；否则，CPU再到主存(DRAM)中读取并同时将读取信息存入cache。Cache的工作原理如图4-10,图4-10 cache的

16、工作原理,26,现代微机中的cache存储器一般分成两部分，它们的功能基本相同。其中的一部分直接集成在CPU内部，称为一级cache(一级缓存)，其存取速度快，离CPU近，但由于芯片内集成SRAM的成本高等原因，一级缓存不可能做得很大。为了扩充cache容量，就在芯片外又设计了二级cache(二级缓存)。二级缓存容量较大，如现行奔腾机的二级cache容量为256KB或512KB，而一级cache容量为16KB，分为指令cache和数据cache，各占8KB。,27,4.3 外部存储器,外部存储器(简称外存)是主存储器的后备和补充,用于存放当前不需立即使用的程序和数据,是主机的外部设备,又称辅助

17、存储器。特点是容量大、成本低,但速度较内存慢得多，在断电后仍能保存信息,是非易失性存储器。外存主要有磁盘和光盘，磁盘分为硬盘和软盘，目前，U盘已普遍取代了软盘。4.3.1 软盘存储器 软盘存储器即软盘驱动器，又称软驱。软盘驱动器是由盘片驱动系统、磁头定位系统、数据读写电路系统和状态检测系统等四部分组成。,28,4.3.2 硬盘存储器,1.硬盘的概念硬盘即硬盘驱动器，如图4-11所示，由于它体积小、容量大、速度快、使用方便，已成为PC机的标准配置。它以质地坚硬的铝合金作为盘基（故由此得名），盘面敷有磁性记录层，磁粉呈不连续颗粒状。目前，大多数微机上安装的硬盘，由于采用温切斯特技术而被称为“温切斯

18、特硬盘”，或简称“温盘”。温切斯特硬盘都有如下的技术特点：(1)磁头、盘片及运动机构密封。(2)由于磁头工作时与盘片不接触，所以磁头载荷较小。(3)金属磁盘片表面平整光滑。,29,图4-11 硬盘存储器,30,2.硬盘的分类方式及类型,按硬盘与内存的通信方式分有：XT型(即DMA方式)和AT型(即中断驱动方式)两种。按硬盘磁头的驱动方式分有：步进电机驱动和音圈电机驱动两种。步进电机驱动机构定位精度比较低、存取时间较长；音圈电机驱动速度快、定位精度高。目前较先进的磁盘驱动器普遍采用音圈电机驱动和伺服盘定位装置。按硬盘的盘径与容量分为：5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸及1.3英寸五

19、种，最小的为指甲盖大小。,31,3.硬盘的内部结构,硬盘是一个高度精密的机电一体化产品，有头盘组件和印刷电路板组件两大部分构成。其中包括盘体、主轴电机、寻道电机、读写磁头及控制电路、再加上外部的机壳与机架就组成了整个硬盘驱动器。硬盘的盘体由多个盘片组成，这些盘片叠放在一个密封盒中，它们在主轴电机的带动下以很高的速度旋转。硬盘结构如图4-12,32,33,4.硬盘的主要技术指标(1)磁盘记录密度是指单位长度或单位面积的磁表面能存储的二进制信息量。常用道密度和位密度表示,也可用两者的乘积面密度表示。道密度是指沿径向单位长度的道数,其单位是道/英寸(trick per inch,TPI)或道/毫米(

20、trick per micrometer,TPM)。位(线)密度:单位长度磁道所能存储的二进制信息的位数,单位bpi(bits per inch)或bpm位/毫米。位密度Db可按下式计算：Dbfidmin 其中,fi为每道的总bit数,dmin为磁道同心圆的最小半径。(2)平均存取时间指读写磁头接到读写命令后,从起始位置到达指定位置所需的全部时间。包括两部分:磁头寻道时间：磁头寻找目标磁道所需的找道时间。等待时间：找到磁道后,磁头等待所需读写的区段(指扇区)旋转到它下方所需的等待时间。,34,(3)数据传输率:指磁表面存储器在单位时间内向主机传送数据的二进制位数。D=位密度(位/英寸)转速(转

21、/秒)2R(英寸/转)(R为最内圈磁道半径)(4)转速大多数硬盘转速是固定的5400转/分、7200转/分、10000转/分、12000转/分。(5)间隔因子指硬盘在读写周期中按逻辑顺序读写扇区之间的物理号间隔数。如图4-13,扇区交错的目的是为让读写磁头读写了某扇区后,在读写下一个扇区前,给主机一段处理刚读入的数据的时间,而无须让驱动器停转或多转一圈。早期的PC/XT机采用6:1的交错因子,80286为3:1,而80386则采用1:1的交错因子。,35,5.硬盘的接口方式(1)ST506/412接口其特点是电路结构复杂，印刷电路板集成度高，很难支持大容量高速硬盘；最大可接4个硬盘，最大不能超

22、过16个磁头，所以容量一般不超过150MB。(2)IDE接口（智能化驱动器电子接口）将控制器集成到驱动器内，控制卡与硬盘之间连线非常短，数据传输更可靠，硬盘容量可以更大；可连接两个硬盘，用跳线来标识“主”“从”关系。(3)增强型IDE接口（Enhanced IDE）允许硬盘有更大存储容量：IDE最大为528MB，EIDE最大为8.4GB；允许连接更多外部设备：IDE式的一个插座，最多接两个硬盘，EIDE通常有两个插座，最多可接四个硬盘，其中主插座适合硬盘使用，辅插座适合磁带机和CD-ROM,36,(4)ESDI接口(Enhanced Small Disk Interface)基本是在ST506

23、基础上发展起来的，目的是制造更大、更高速硬盘；最多可接四个硬盘，具有浮动数据传输率5MB/s15MB/s，适用于大硬盘（最大可达135GB）(5)SCSI接口(Small Computer System Interface)一条SCSI总线最多可连接8台设备(每个设备都有一个ID号07)；高速数据传输率5MB/s40MB/s(6)串行ATA它以连续串行的方式传送信息，在同一时刻只有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用4个针就能完成所有的工作(第1针发出，2针接收，3针供电、4针接地线)。这种做法能降低电力消耗，减小发热量。最新的硬盘接口类型ATA-100支持最大外部数据传输率达100M

24、B/s。,37,4.3.3 光盘存储器,光盘存储器具有记录密度高、存储容量大、采用非接触方式读/写信息及信息可长久保存等优点。目前使用的光盘存储器主要有CD-ROM、CD-R、CD-RW、MO、DVD-RAM等。1.CD-ROM：是一种只能读出不能写入的光盘存储器，具有信息存储量大、速度快、保存时间长等优点。常见的光驱接口有IDE和SCSI。2.CD-R：是一种可录式光盘存储器，也叫光盘刻录机，可一次写入多次读出。其接口有SCSI、IDE和并口。3.CD-RW：是一种可重复擦写型光盘存储器，它集CD-R刻录与数据的存储(可反复重写)两大功能于一身。4.MO：又称磁光盘，是传统的磁盘技术与现代的

25、光学技术结合之产物。其容量大、使用寿命长、稳定性高、传输速率和寻道时间已接近普通低速硬盘，可直接重写，重写次数达100万次以上。5.DVD-RAM：是一种采用相变技术实现可反复重写(擦写)型DVD光盘存储器。其存储容量大，其记录格式有两种规格：单面盘存储容量为2.58GB,双面盘存储容量为5.2GB。6.DVD-ROM：DVD除了密度较高以外,其他技术与CD-ROM完全相同。事实上,任何DVD-ROM光驱既能读CD光盘,也能读DVD光盘。,38,4.4 虚拟存储器,高档微机中，由于存储容量有限，为了扩大CPU处理当前事务的能力，均采用虚拟存储技术。该技术是在主存和辅存之间，增加部分硬件和软件进

26、行支持，使主存和辅存形成一个整体，外存可以看做是内存的一部分，经常进行内存与外存成批的数据交换，这种存储器称为虚拟存储器。如图4-14所示,虚拟存储器建立在主存辅存物理结构的基础上,是由附加硬件装置及操作系统存储管理软件组成的存储体系,它将主存和辅存的地址空间统一编址,形成一个庞大的存储空间。基本思想:通过某种策略,把辅存中的信息一块块地调入主存,给用户提供一个比实际主存容量大得多的地址空间。此时,用户感觉到好像具有一个容量足够大的存储系统。,39,虚拟存储技术是随着计算机软、硬件技术的发展，用户对计算机性能提出了更高的要求而发展起来的一种存储器管理技术。图4-15所示是从用户角度看到的虚拟存

27、储器，它由两级存储器组成。有n个用户程序预先放在外存中，在操作系统的统一管理和调度下，按某种方式轮流调入主存被CPU执行，从CPU看到的是一个速度接近主存而容量又极大的存储器，这个存储器就是虚拟存储器。,40,图4-15 虚拟存储器,41,在虚拟存储器中，不再分主存和辅存，而是一个整体。虚拟存储器具有辅存的容量，而又具有接近主存的存取速度。用户可以用辅存的存储空间编写程序。在采用虚拟存储器的系统中，指令的地址码对应整个辅存空间，这种地址称为逻辑地址或虚拟地址；而主存中的实际地址，称为物理地址或实存地址。虚地址所访问的空间称为虚存空间，实地址所访问的空间称为实存空间。一般虚存空间远远大于实存空间。例如，虚存地址20位，虚存空间达，实存地址16位，物理空间为，两者相差极大。在80486以上的高档微机和小型机中，都提供了虚拟存储器,42,Thank you very much,谢谢大家！,