原理及接口技術(shù)-第5章

第5章存儲器系統(tǒng)【學習目標】本章首先以半導體存儲器為對象，在討論存儲器及其基本電路、基本知識的基礎(chǔ)上，討論存儲芯片及其與CPU之間的連接和擴充問題。然后，介紹內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展以及外部存儲器（如硬盤、光驅(qū)）。最后，介紹存儲管理技術(shù)（如虛擬存儲管理和高速緩存cache技術(shù)）。【學習要求】存儲器的分類、組成及功能。著重理解行選與列選對1位信息的讀出。重點掌握位擴充與地址擴充技術(shù)。理解存儲器與CPU的連接方法。了解內(nèi)存條技術(shù)的發(fā)展。理解存儲器系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)。理解虛擬存儲技術(shù)及高速緩存cache技術(shù)的原理。5．1存儲器的分類與組成

計算機的存儲器可分為兩大類：一類為內(nèi)部存儲器，其基本存儲組件多以半導體存儲器芯片組成；另一類為外部存儲器，多以磁性材料或光學材料制造。5.1.1半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類如圖5.2所示。按使用的功能可分為兩大類：隨機存取存儲器RAM（randomaccessmemory）和只讀存儲器ROM（readonlymemory）。5.1.2半導體存儲器的組成半導體存儲器的組成框圖如圖5.3所示。它一般由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。1．存儲體存儲體是存儲1或0信息的電路實體，它由多個存儲單元組成，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的位組成，每個位需要一個存儲元件。地址線數(shù)與存儲單元數(shù)的關(guān)系列于表5.1中。2．地址選擇電路地址選擇電路包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。地址譯碼器用來對地址碼譯碼。地址譯碼方式有兩種：單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）；雙譯碼方式（或稱重合譯碼）。3．讀／寫電路與控制電路讀／寫電路包括讀／寫放大器、數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等。它是數(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、寫信號和片選信號等，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。5.2隨機存取存儲器5.2.1靜態(tài)隨機存取存儲器1．靜態(tài)RAM基本存儲電路靜態(tài)RAM的基本存儲電路，是由6個MOS管組成的RS觸發(fā)器。每一個觸發(fā)器就構(gòu)成存儲體的一位。2．靜態(tài)RAM的組成靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu)一般由存儲體、譯碼電路和控制電路組成。一個RAM芯片的存儲容量是有限的，需用若干片才能構(gòu)成一個實用的存儲器。這樣，地址不同的存儲單元，可能處于不同的芯片中。一般，片選信號由地址碼的高位譯碼（通過譯碼器輸出端）產(chǎn)生。3．靜態(tài)RAM的讀／寫過程1）讀出過程（1）地址碼→RAM芯片的地址輸入端→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，將出現(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。緩沖寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒有開門控制信號，所存數(shù)據(jù)還不能送到數(shù)據(jù)總線DB上。（2）在送上地址碼的同時，還要送上讀／寫控制信號和片選信號。2）寫入過程（1）同上述讀出過程（1），先選中相應(yīng)的存儲單元，使其可以進行寫操作。（2）將要寫入的數(shù)據(jù)放在DB上。（3）加上片選信號及寫入信號。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。4．靜態(tài)RAM芯片舉例

常用的Intel6116是CMOS靜態(tài)RAM芯片，屬雙列直插式、24引腳封裝。它的存儲容量為2K×8位，其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.7所示。5.2.2動態(tài)隨機存取存儲器動態(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。1．動態(tài)基本存儲電路1）三管動態(tài)基本存儲電路2）單管動態(tài)基本存儲電路2.動態(tài)RAM芯片舉例Intel2116單管動態(tài)RAM芯片的引腳名稱Intel2116單管動態(tài)RAM芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖5.3只讀存儲器5.3.1只讀存儲器存儲信息的原理和組成ROM的存儲元件及16×1位的ROM機構(gòu)圖如圖所示。5.3.2只讀存儲器的分類1．不可編程掩模式MOS只讀存儲器2．可編程只讀存儲器 PROM（ProgrammableROM）3．可擦除、可再編程的只讀存儲器 EPROM（erasablePROM）5.3.3常用ROM芯片舉例1．Intel2716芯片1）Intel2716的引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)2716的工作方式2716的工作方式如表所示：2．Intel2732芯片2732EPROM芯片的容量為4K×8位，采用HNMOS-E（高速NMOS硅柵）工藝制造和雙列直插式封裝。

3.E2PROM芯片常用的E2PROM芯片有2816/2816A、2817/2817A/2864A等。其中，以2864A的8K×8b的容量為最大，它與6264兼容。主要特點：能像SRAM芯片一樣讀寫操作，在寫之前自動擦除原內(nèi)容。但它并不能像RAM芯片那樣隨機讀寫，而只能有條件地寫入。在E2PROM的應(yīng)用中，若需讀某一個單元的內(nèi)容，只要執(zhí)行一條存儲器讀指令，即可讀出；若需對其內(nèi)容重新編程，可在線直接用字節(jié)寫入或頁寫入方式寫入。4.FlashROM芯片常用的FlashROM芯片類型和型號很多。在PentiumCPU以上的主板中普通采用了FlashROM芯片來作為BIOS程序的載體。FlashROM也稱為閃速存儲器，在本質(zhì)上屬于EEPROM。平常情況下FlashROM與EPROM一樣是禁止寫入的，在需要時，加入一個較高的電壓就可以寫入或擦除。為預防誤操作刪除FlashROM中的內(nèi)容導致系統(tǒng)癱瘓，一般都在FlashROM中固化了一小塊啟動程序(BOOTBLOCK)用于緊急情況下接管系統(tǒng)的啟動。5.4存儲器的擴充及其與CPU的連接5.4.1存儲器的擴充1．位數(shù)的擴充2．地址的擴充當擴充存儲容量時，采用地址串聯(lián)的方法。用4片16K×8位芯片組成64K×8位存儲器用4片16K×8位的存儲器芯片（或是經(jīng)過位擴充的芯片組）組成64K×8位存儲器連接線路示意圖。5.4.2存儲器與CPU的連接1．只讀存儲器與8086CPU的連接兩片2732EPROM與8086系統(tǒng)總線的連接示意圖。2．靜態(tài)RAM與8086CPU的連接只有兩片6116組成2K字RAM的子系統(tǒng)3．EPROM、靜態(tài)RAM與8086CPU連接的實例8086CPU組成的單處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。地址分配表5.5內(nèi)存條技術(shù)的發(fā)展1．SIMM內(nèi)存最初出現(xiàn)在80286主板上的“內(nèi)存條”，采用的是SIMM（SingleIn-lineMemoryModules，單邊接觸內(nèi)存模組）接口，容量為30線、256KB，一般見到的30線SIMM都是4條一起使用。

圖5.2430線SIMM內(nèi)存圖5.2572線SIMM內(nèi)存在1988～1990年，PC技術(shù)進入32位的386和486時代，推出了72線SIMM內(nèi)存，它支持32位快速頁模式內(nèi)存。72線SIMM內(nèi)存單條容量一般為512KB～2MB，要求兩條同時使用。5.5內(nèi)存條技術(shù)的發(fā)展2．EDODRAM內(nèi)存外擴充數(shù)據(jù)模式動態(tài)存儲器（ExtendedDataOutDRAM，EDODRAM）是1991～1995年之間盛行的內(nèi)存條，其速度比普通的DRAM快15～30%。工作電壓為一般為5V，帶寬32位，主要應(yīng)用在486及早期的Pentium計算機中，需成對使用。3．SDRAM內(nèi)存自IntelCeleron系列以及AMDK6處理器以及相關(guān)的主板芯片組推出后，EDODRAM內(nèi)存又被SDRAM內(nèi)存所取代。第一代SDRAM內(nèi)存為PC66規(guī)范，之后有PC100、PC133、PC150(如圖所示)等規(guī)范。由于SDRAM的帶寬為64位，正好對應(yīng)CPU的64位數(shù)據(jù)總線寬度，因此它只需要一條內(nèi)存便可工作。5.5內(nèi)存條技術(shù)的發(fā)展4．RambusDRAM內(nèi)存與SDRAM不同的是，RambusDRAM內(nèi)存采用了新一代高速簡單內(nèi)存架構(gòu)，基于RISC（精簡指令集計算機）理論，可以減少數(shù)據(jù)的復雜性，使得整個系統(tǒng)性能得到提高。Intel在推出高頻PentiumⅢ以及Pentium4CPU的同時，推出了RambusDRAM內(nèi)存，它曾一度被認為是Pentium4的絕配。5．DDR內(nèi)存雙倍速率SDRAM（DualDataRateSDRAM，DDRSDRAM）簡稱DDR，它實際上是SDRAM的升級版本，采用在時鐘信號上升沿與下降沿各傳輸一次數(shù)據(jù)，這使得DDR的數(shù)據(jù)傳輸速度為傳統(tǒng)SDRAM的兩倍。采用184-PinDIMM的DDR400內(nèi)存條如圖所示。5.5內(nèi)存條技術(shù)的發(fā)展6．DDR2內(nèi)存DDRIISDRAM同樣采用在時鐘上升/下降沿同時進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑獶DRII內(nèi)存擁有兩倍于DDR內(nèi)存預讀能力，DDRII內(nèi)存的引腳數(shù)為240針。LGA775接口的915/925以及945等支持DDR2內(nèi)存。7．DDR3內(nèi)存DDR3在DDR2基礎(chǔ)上采用的新型設(shè)計，包括：（1）8bit預取設(shè)計（DDR2為4bit預?。?。（2）采用點對點的拓樸架構(gòu)，以減輕地址/命令與控制總線的負擔。（3）采用100nm以下的生產(chǎn)工藝，將工作電壓從1.8V降至1.5V。面向64位構(gòu)架的DDR3顯然在頻率和速度上擁有更多的優(yōu)勢，在功耗方面DDR3也要出色得多。5.6外部存儲器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，其性能直接影響計算機的整體性能。光盤存儲技術(shù)是采用磁盤以來最重要的新型數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，它具有容量大、工作穩(wěn)定可靠以及耐用性強等優(yōu)良性能，特別適合于多媒體應(yīng)用技術(shù)發(fā)展的需要。5.6.1硬盤硬盤的核心部件被密封在凈化腔體內(nèi)，控制電路及外圍電路布置在硬盤背面的一塊電路板上，主要是控制硬盤讀寫數(shù)據(jù)及硬盤與計算機之間的數(shù)據(jù)傳輸。電路板上的芯片有主控芯片、緩存芯片等。常見的硬盤接口有兩種，分別是IDE接口和SATA接口。1.硬盤的組成硬盤內(nèi)部的主要組成部件有記錄數(shù)據(jù)的磁頭、剛性磁片、馬達及定位系統(tǒng)、電子線路、接口等。1）硬盤的磁頭硬盤磁頭的發(fā)展先后經(jīng)歷了“亞鐵鹽類磁頭”、“MIG（MetalInGAP）磁頭”和“薄膜磁頭”、MR磁頭（MagnetoResistiveHeads，即磁阻磁頭）等幾個階段。此外，技術(shù)更為創(chuàng)新的是采用多層結(jié)構(gòu)，用磁阻效應(yīng)更好的材料制作的GMR磁頭（GiantMagnetoResistiveHeads）已經(jīng)在2000年問世。2）硬盤的磁盤硬盤內(nèi)部是由金屬磁盤組成的，分為單碟、雙碟與多碟。3）硬盤的馬達硬盤在工作時，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，等待存取記錄的時間也就越短。2.硬盤的分類按接口類型，可將硬盤分為IDE硬盤、SATA硬盤和SCSI硬盤。1）IDE硬盤IDE硬盤曾廣泛使用。通過專用的數(shù)據(jù)線（40芯IDE排線）與主板的IDE接口相連。

圖5.30IDE接口硬盤、數(shù)據(jù)線與主板上的IDE接口式樣2.硬盤的分類2）SATA硬盤SATA（SerialATA）接口的硬盤又叫串口硬盤，是主流的硬盤接口。在傳輸方式上，SATA比PATA先進，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕€具有結(jié)構(gòu)簡單、支持熱插拔的優(yōu)點。

圖5.31SATA硬盤接口、數(shù)據(jù)線與主板上的SATA接口式樣3）SCSI硬盤SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型計算機系統(tǒng)接口）接口是一種廣泛應(yīng)用于小型機上的高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。SCSI硬盤通過SCSI擴展卡與計算機連接。3.硬盤的幾個主要參數(shù)1）單碟容量單碟容量是硬盤重要的參數(shù)之一，單碟容量越大技術(shù)越先進。硬盤容量等于單碟容量之和，主流的硬盤容量為320GB、500GB等。2）硬盤的轉(zhuǎn)速硬盤內(nèi)主軸的轉(zhuǎn)動速度快慢是決定硬盤內(nèi)部傳輸率的關(guān)鍵因素之一。較高的轉(zhuǎn)速可以縮短硬盤的平均尋道時間。臺式機硬盤有5400RPM（轉(zhuǎn)/分鐘）和7200RPM（轉(zhuǎn)/分鐘）兩種轉(zhuǎn)速。3）硬盤的傳輸速率IDE接口硬盤的傳輸速率分別為66MB/s、100MB/s、133MB/s；SATA1.0的傳輸速率為150MB/s，SATA2.0的傳輸速率為300MB/s。4）緩存容量硬盤緩存的大小與速度是直接關(guān)系到硬盤的傳輸速度的重要因素，較大的緩存可提高硬盤整體性能。主流硬盤的緩存容量為8MB、16MB等，一些高端產(chǎn)品的緩存容量甚至達到了64MB。5）平均尋道時間平均尋道時間由轉(zhuǎn)速、單碟容量等多個因素決定，一般來說，硬盤的轉(zhuǎn)速越高，單碟容量越大，其平均尋道時間就越短。5.6.2光盤驅(qū)動器1．光盤驅(qū)動器的分類按照讀取方式和讀取光盤類型的不同，可將光盤驅(qū)動器分為CD-ROM、DVD-ROM和刻錄機三種。1）CD-ROM只讀光盤驅(qū)動器CD-ROM，可讀取CD和VCD兩種格式的光盤，已逐漸停止生產(chǎn)。2．DVD-ROMDVD-ROM既可讀CD光盤，也可讀DVD光盤，已成為主流的只讀光盤驅(qū)動器。3．刻錄機刻錄機可以分為CD刻錄機、DVD刻錄機以及COMBO。（1）CD刻錄機，可讀取和寫入CD光盤。可寫入數(shù)據(jù)的光盤有CD-R和CD-RW。（2）DVD刻錄機，不僅可讀取DVD光盤，還可將數(shù)據(jù)刻錄到DVD或CD光盤中，是主流產(chǎn)品。（3）COMBO刻錄機，它與DVD刻錄機的最大不同在于：COMBO只能刻錄CD光盤，而無法刻錄DVD光盤。2．光驅(qū)的倍速1）刻錄數(shù)度（1）CD刻錄速度CD刻錄速度是指該光儲產(chǎn)品所支持的最大的CD-R刻錄倍速。主流內(nèi)置式CD-RW產(chǎn)品能達到52倍速的刻錄速度；外置式的CD-RW刻錄機有48倍速和52倍速等。（2）DVD刻錄速度DVD刻錄速度和刻錄品質(zhì)是購買DVD刻錄機的首要因素，購買時，盡可能選擇高倍速且刻錄品質(zhì)較好的DVD刻錄機。2）讀取速度（1）CD讀取速度，是指光存儲產(chǎn)品在讀取CD-ROM光盤時，所能達