第三章 存儲器

第三章存儲器第1頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月第三章存儲器§3.1存儲器概述

§3.2存儲器芯片

§3.3存儲器的應(yīng)用第2頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月作用:存儲程序和被處理的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算的結(jié)果。

1、主存、輔存、高速緩存按存儲器在微機(jī)中的不同地位，可以分為：主存：或稱內(nèi)存，它用來存放當(dāng)前正在使用的或經(jīng)常要使用的程序和數(shù)據(jù)，CPU可以直接對其進(jìn)行訪問。程序只有被放入內(nèi)存，才能被CPU執(zhí)行。輔存：或稱外存，它用來永久存放各種信息。高速緩沖存儲器：介于CPU與主存之間的容量更小、而速度更快的存儲器。3.1存儲器概述第3頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月2、多級存儲結(jié)構(gòu)多級存儲結(jié)構(gòu)的形成:CPU不斷的訪問存儲器，存儲器的存取速度將直接影響計算機(jī)的工作效率。在某一段時間內(nèi)，CPU只運(yùn)行存儲器中部分程序和訪問部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中大部分是暫時不用的。增加高速緩沖存儲器（Cache）目的：提高CPU運(yùn)行速度，提高運(yùn)行效率。位置：CPU與主存之間CPU輔存Cache主存CPU輔存主存3.1存儲器概述

第4頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1存儲器概述主存先將某一小數(shù)據(jù)塊移入Cache中，當(dāng)CPU對主存某地址進(jìn)行訪問時，先通過地址映像變換機(jī)制判斷該地址所在的數(shù)據(jù)塊是否已經(jīng)在Cache中，若在則訪問Cache，稱為“命中”，若不在則CPU直接訪問主存，并同時將主存中包含該地址的數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache中，以備CPU的進(jìn)一步訪問。主存地址地址映象變換Cache主存CPU譯碼命中未命中第5頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3、計量單位位：一個cell，記做bit字節(jié)：8bit，記做Byte，簡寫B(tài)1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB1PB=1024TB……

00001H00000HFFFFFH…………4、存儲器地址空間

8086地址總線有20位，可以尋址220=1M字節(jié)的存儲器地址空間，按照00000H~FFFFFH來編址。

■編址的單位為字節(jié)3.1存儲器概述第6頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月+段寄存器值偏移量物理地址IPCSSI、DI、BXDSSP、BPSS代碼段數(shù)據(jù)段堆棧段存儲單元物理地址的計算

物理地址=段地址+偏移量8086運(yùn)行過程中，取指令時，CPU就會選擇CS和IP中內(nèi)容形成指令所在的20位物理地址；進(jìn)行內(nèi)存操作是，CPU會選擇DS和SI、DI或BX形成操作數(shù)所在的20位物理地址。第7頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月按存儲介質(zhì)（紀(jì)錄0、1信息的物質(zhì)）分類3.1存儲器概述半導(dǎo)體存儲器：用半導(dǎo)體材料制成的存儲器，大多用作主存。磁表面存儲器：利用磁層來紀(jì)錄信息，工作時由磁頭在磁層上的移動，來進(jìn)行讀或?qū)懖僮?。常用作輔存，如硬盤、軟磁盤、磁帶等。注意：磁介質(zhì)通常要避免粉塵、高溫、煙霧的影響。磁介質(zhì)的磁性會隨著時間的流逝而慢慢降低，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。一般，存儲在磁介質(zhì)上的數(shù)據(jù)可靠的生命是三年。第8頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月在存儲數(shù)據(jù)之前，磁表面上的顆粒磁向是隨機(jī)的讀寫磁頭磁化磁表面的顆粒。顆粒的正極指向磁頭負(fù)極

讀寫磁頭可以翻轉(zhuǎn)磁表面顆粒的磁向。磁表面顆粒的磁向排列記錄了數(shù)據(jù)第9頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月光存儲器：使用激光在存儲介質(zhì)表面上燒蝕出數(shù)據(jù)。燒蝕在介質(zhì)表面微小的凸凹模式表示了數(shù)據(jù)。光學(xué)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)可以永久保存。但是，使用光學(xué)介質(zhì)不像使用磁介質(zhì)那樣可以容易地改變它存儲的數(shù)據(jù)。光驅(qū)使用激光從光盤上讀數(shù)據(jù)。第10頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)燒灼光盤時，激光將反射層上刻出凹坑。這些凹坑是黑色的，不能反射激光當(dāng)光驅(qū)讀取數(shù)據(jù)的時候，它使用較弱的激光。激光射在凹坑上，沒有反射光當(dāng)激光射在反射層上，就會有激光反射回讀頭。黑點(diǎn)和反射點(diǎn)的排列模式就可以表示數(shù)據(jù)第11頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月按存取方式分類：3.1存儲器概述雙極型RAM靜態(tài)SRAMMOS動態(tài)DRAMROM掩模ROM電可擦除(E2PROM)可編程ROM(PROM)光可擦除(EPROM)半導(dǎo)體存儲器第12頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

RAM隨機(jī)存儲器包含兩重含義:1.對存儲器的訪問是隨機(jī)的，即能以任意的順序訪問一存儲單元。2.存儲器可讀可寫。RAM主要用于主存儲器和高速緩沖存儲器。RAM按工藝分為晶體管雙極型和MOS型（金屬氧化物半導(dǎo)體）。MOS型又可分為靜態(tài)存儲器（SRAM）和動態(tài)存儲器（DRAM）。第13頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS型示意圖（MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）Substratematerial基底材料Currentchannel電流溝道Source

源極Drain

漏極Gate

門電極Metal-oxidelayer第14頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）——一種集成電路技術(shù)，在金屬門電極和半導(dǎo)體通道之間采用二氧化硅作為絕緣層來制作場效應(yīng)晶體管(FET)。MOSFET:Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor第15頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月

ROM只讀存貯器

CPU正常操作時，只能讀取ROM中的內(nèi)容，但對它的訪問也是隨機(jī)的。一般在ROM中存放固定的程序和數(shù)據(jù)，如計算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、基本輸入輸出（BIOS）程序等，使計算機(jī)能夠開機(jī)運(yùn)行。計算機(jī)系統(tǒng)在加電以后，馬上就運(yùn)行ROM中的引導(dǎo)程序，將復(fù)雜的系統(tǒng)程序從輔存中引入主存。第16頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM掩模ROM是由廠家按用戶要求制作的，制成后，只能讀不能改寫；

PROM稱為可編程的只讀存儲器，PROM允許用戶寫一次，寫完后就無法再改動，應(yīng)用于高速計算機(jī)的微程序存儲器；

EPROM稱為可擦寫的只讀存儲器，EPROM允許用戶將寫入的內(nèi)容整個擦除掉，擦掉后還可以重寫，這樣可以反復(fù)多次。最后一次寫成后仍是一個只讀存儲器；E2PROM稱為可在線擦寫只讀存儲器，它和RAM的讀、寫方式完全類似，只是寫操作時，需等待E2PROM內(nèi)部操作完成后再寫入下一個字節(jié)，常用作計算機(jī)的BIOS芯片。第17頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2存儲器芯片CPU存儲體MB2N個單元地址譯碼器讀寫驅(qū)動器MDR數(shù)據(jù)緩沖寄存器MAR地址寄存器時序/控制N位地址總線M位數(shù)據(jù)總線控制信號線3.2.1主存儲器的基本組成第18頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月CPU訪問存儲器時，通常都通過地址寄存器MAR和存儲器緩沖寄存器MBR進(jìn)行。當(dāng)CPU需要從某一存儲單元中讀取數(shù)據(jù)時，首先將該單元地址送入MAR，并向存儲器發(fā)讀控制信號。存儲器此時開始進(jìn)行讀操作，將MAR經(jīng)過地址譯碼器選中的存儲單元中的內(nèi)容經(jīng)讀寫驅(qū)動器送入MBR，CPU通過數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)讀入。當(dāng)CPU要向某單元中寫入信息時，首先將該單元的地址送入MAR，要寫入的數(shù)據(jù)送入MBR。然后通過控制信號線發(fā)出寫信號，將MBR的內(nèi)容寫入由MAR經(jīng)地址譯碼器選中的存儲單元。3.2.2主存儲器的操作過程第19頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1、存儲容量

存儲器能夠存放信息的總數(shù)量，以字節(jié)為單位。CPU地址總線的位數(shù)決定可支持的主存儲器的最大容量。2、存取速度常用存取時間和存儲周期表示.指訪問一次存儲器所需要的時間。最快存取周期可達(dá)10ns以下。3、價格

性能價格比常以每位價格來描述。3.2.3主存儲器的主要參數(shù)指標(biāo)第20頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月1、地址線(A19~A0)

用來輸入選擇存儲器中一個存儲單元的地址信號。2、數(shù)據(jù)線(D7~D0)

用來存取數(shù)據(jù)，一個存儲單元存放8位數(shù)據(jù)。3、控制線

ROM:芯片允許CE,輸出允許OE.RAM:芯片允許CE,輸出允許OE，寫允許WR.3.2.4主存儲器與CPU總線相關(guān)的信號線第21頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2.5主存儲器芯片的外特性第22頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月操作系統(tǒng)讀取文件和刪除文件的過程：如果你想讀取文件，操作系統(tǒng)通過目錄找到文件名和包含文件數(shù)據(jù)的首簇編號。FAT表給出了哪些簇包含了該文件的數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)將磁頭移動到文件首簇的位置，讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)你刪除一個文件的時候，操作系統(tǒng)改變FAT表中相應(yīng)簇的狀態(tài)。例如，如果文件存儲在簇3、4、5和7中，當(dāng)你刪除它的時候，操作系統(tǒng)把這四個簇的狀態(tài)改變成“0”。這些簇的數(shù)據(jù)并沒有在物理上清除。我們在刪除了一個文件后仍然能夠通過操作系統(tǒng)的恢復(fù)工具將文件恢復(fù)。只有在你沒有寫入新的數(shù)據(jù)時才可以恢復(fù)。一旦發(fā)現(xiàn)誤刪除文件，就要立刻恢復(fù)。3.2.6外存儲器知識第23頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月碎片和碎片整理當(dāng)使用隨機(jī)存取存儲器時，文件變成片斷。每個文件存放在不連續(xù)的簇中。當(dāng)驅(qū)動器定位含有文件數(shù)據(jù)的簇比較困難的時候，驅(qū)動器的性能也就變得很差。要獲得驅(qū)動器的最佳性能，可以使用磁盤碎片整理程序來重新組織文件，使它們連續(xù)存放。

如下圖所示。3.2.6外存儲器知識第24頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月無碎片磁盤當(dāng)磁盤進(jìn)行碎片整理后，每個文件的簇變成連續(xù)的。由于磁頭和盤片的移動減到了最小，數(shù)據(jù)訪問的性能提高了 碎片磁盤在這個有碎片的盤上，紫色、黃色和藍(lán)色文件存放在不連續(xù)的簇中。訪問這些文件的簇性能不高，因為它們需要更多的移動磁頭和磁盤

整理磁盤的碎片第25頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用應(yīng)用內(nèi)容：計算地址范圍

對一個給定的存儲器電路，通過分析找出該存儲器電路中各個存儲芯片在CPU系統(tǒng)中所處的地址范圍。例：指出圖中2764和6264的地址范圍，并編程對6264清0.(如下圖所示。)第26頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用第27頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用解：2764的CE接8086/8088CPU的A19;2764的A0~A12接CPU地址總線的A0~A12;OE=RDVIO/M(或運(yùn)算)。RD和IO/M由CPU提供。2764的D0~D7接數(shù)據(jù)總線的AD0~AD7.

8086/8088CPU對2764進(jìn)行操作，必須滿足如下條件：(1)OE=0,即RD和IO/M必須同時為0，CPU必須執(zhí)行對存儲器讀操作。

第28頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用(2)CE=0,即A19=0。(3)A0~A12可以為0000H~1FFFH。從以上條件可以得出，2764的地址范圍：A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

首單元地址0XXXXXX0000000000000尾單元地址0XXXXXX1111111111111其中X可以是低電平，也可以是高電平。由于A18~A13可以是低電平，也可以是高電平，因此2764可以有64種不同的地址。在存儲器應(yīng)用中存儲器地址范圍不是唯一的，浪費(fèi)了存儲空間。例如，00000H~01FFFH,02000H~03FFFH,04000H~05FFFH06000H~07FFFH都是2764的地址范圍。第29頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用同2764一樣，CPU的A19經(jīng)過非門接6264的CE;OE=RDVIO/M(或運(yùn)算);WE=WRVIO/M.地址線和數(shù)據(jù)線的連接同2764.WR、RD和IO/M由CPU提供。CPU對6264進(jìn)行操作必須滿足以下條件：(1)OE=0,即RD和IO/M必須同時為0，CPU必須執(zhí)行對存儲器讀操作;或WE=0,即WR和IO/M必須同時為0，CPU必須執(zhí)行對存儲器寫操作。(2)CE=0,即A19=1。(3)A0~A12可以為0000H~1FFFH。第30頁，課件共32頁，創(chuàng)作于2023年2月3.3存儲器應(yīng)用從以上條件可以得出，6264的地址范圍：A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0

首單元地址1XXXXXX0000000000000尾單元地址1XXXXXX1111111111111其中X可以是低電平，也可以是高電平。由于A18~A13可以是低電平，也可以是高電平，因此6264可以有64種不同的地址。例如，