計(jì)算機(jī)組成原理

計(jì)算機(jī)組成原理

⒋按信息的可保存性分類⑴易失性存儲(chǔ)器(RAM)；

破壞性讀出。讀操作之后，必須緊接一個(gè)重寫操作。

非破壞性讀出。例磁表面存儲(chǔ)器、SRAM。⑵非易失性存儲(chǔ)器(ROM、磁芯、磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器)。

4.1.2主存儲(chǔ)器的組成和基本操作

圖4-l所示為主存儲(chǔ)器的基本組成框圖。

其中存儲(chǔ)陣列是存儲(chǔ)器的核心部分，它是存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的主體，也稱為存儲(chǔ)體。

存儲(chǔ)體是由大量存儲(chǔ)單元構(gòu)成的，為了區(qū)分各個(gè)存儲(chǔ)單元，把它們進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，這個(gè)編號(hào)稱為地址，因?yàn)槭怯枚M(jìn)制進(jìn)行編碼的，所以又稱地址碼。地址碼與存儲(chǔ)單元是一一對(duì)應(yīng)的，每個(gè)存儲(chǔ)單元都有自己惟一的地址，因此要對(duì)某一存儲(chǔ)單元進(jìn)行存取操作，必須首先給出被訪問的存儲(chǔ)單元的地址。第2頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

主存中可尋址的最小單位稱為編址單位。某些計(jì)算機(jī)是按字進(jìn)行編址的，最小的可尋址信息單元是一個(gè)機(jī)器字，連續(xù)的存儲(chǔ)器地址對(duì)應(yīng)于連續(xù)的機(jī)器字。

目前多數(shù)計(jì)算機(jī)是按字節(jié)編址的，最小可尋址單位是一個(gè)字節(jié)。一個(gè)32位字長的按字節(jié)尋址的計(jì)算機(jī)，一個(gè)存儲(chǔ)器字包含四個(gè)可單獨(dú)尋址的字節(jié)單元，由地址的低兩位來區(qū)分。

地址寄存器圖4-1主存儲(chǔ)器的基本組成第3頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-2主存與CPU間的連接

目前多數(shù)計(jì)算機(jī)采用同步方式，數(shù)據(jù)傳送在固定的時(shí)間間隔內(nèi)完成，此時(shí)間間隔構(gòu)成了存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)周期。

地址譯碼與驅(qū)動(dòng)電路的作用讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器的作用時(shí)序控制電路主存儲(chǔ)器用于存放CPU正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，它和CPU的關(guān)系最為密切。主存與CPU間的連接是由總線支持的，連接形式如圖4-2所示。存儲(chǔ)器基本操作是讀(取)和寫(存)。第4頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.1.3存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)

⒈存儲(chǔ)容量S

存儲(chǔ)容量：主存所能容納的二進(jìn)制信息總量。對(duì)于字編址的計(jì)算機(jī)以字?jǐn)?shù)與字長的乘積來表示容量。例：某計(jì)算機(jī)的容量為64K

16，表示它有64K個(gè)字，字長為16位。若用字節(jié)表示，則可記為128KB。

1K=210=1024

1M=210K=220=1048576

1G=210M=220K=230=1073741824

1T=210G=220M=230K=240=1099511627776

⒉存取速度(

s，ms)

⑴訪問時(shí)間TA(memoryaccesstime)

訪問時(shí)間TA又稱讀寫時(shí)間或取數(shù)時(shí)間(本書為TAA)：指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。

讀出時(shí)間：從CPU向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選中單元的內(nèi)容讀出為止所用的時(shí)間。第5頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

寫入時(shí)間：從CPU向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和寫命令開始，直到信息寫入所選中的單元為止所用的時(shí)間。⑵存取周期TM(memorycycletime)

存取周期TM稱讀寫周期或讀寫周期，指存儲(chǔ)器一次進(jìn)行完整的讀/寫操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問存儲(chǔ)器操作之間所需的最短時(shí)間。一般情況下TA<TM。

⒊存儲(chǔ)器寬度B

存儲(chǔ)器被連續(xù)訪問時(shí)可提供的數(shù)據(jù)速率。用B/s或b/s來衡量?？煽啃?/p>

⒋功耗

⒌可靠性：指在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，存儲(chǔ)器無故障讀/寫的概率。通常用MTBF(MeanTimeBetweenFailures)?？梢岳斫鉃檫B續(xù)兩次故障之間的平均間隔。

⒍性能價(jià)格比C/S

C是指存儲(chǔ)器價(jià)格：

S是存儲(chǔ)器的總?cè)萘?。?頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.1.4存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)辦法是采用如圖4-3所示的層次存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。圖4-3存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)圖第7頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

按層次結(jié)構(gòu)自上而下，有三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)逐漸增大。

Ⅰ首先是訪問時(shí)間逐漸增長。寄存器的訪問時(shí)間是幾ns；高速緩存的訪問時(shí)間是寄存器訪問時(shí)間的幾倍；主存儲(chǔ)器的訪問時(shí)間是幾十ns；磁盤的訪問時(shí)間最少要10ms以上；如果加上介質(zhì)的取出和插入驅(qū)動(dòng)器的時(shí)間，磁帶和光盤的訪問時(shí)間就得以秒來計(jì)量了。

Ⅱ是存儲(chǔ)容量逐漸增大。

寄存器有128個(gè)字節(jié)就很合適；高速緩存可以是幾MB；主存儲(chǔ)器在幾十MB到數(shù)千MB之間；磁盤的容量應(yīng)該是幾GB到幾十GB；磁帶和光盤一般脫機(jī)存放，其容量只受限于用戶的預(yù)算。

ⅢC/S即存儲(chǔ)每位的價(jià)格逐漸減小。主存的價(jià)格應(yīng)該是每兆(M)字節(jié)幾個(gè)美元，磁盤的價(jià)格是每兆(M)字節(jié)幾個(gè)美分，磁帶的價(jià)格是每吉(G)字節(jié)幾個(gè)美元或更低一些。

第8頁,共103頁，2024年2月25日，星期天⑴Cache-M?M層次⑵M?M-A?M層次第9頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

半導(dǎo)體讀寫存儲(chǔ)器簡稱RWM，也稱為RAM。具有體積小、速度快等到優(yōu)點(diǎn)，按不同的工藝半導(dǎo)體RAM分為雙極型和MOS型RAM兩大類，主要介紹MOS型RAM。11110014.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

1.RAM

由于隨機(jī)存取存儲(chǔ)器可讀可寫，有時(shí)它們又被稱為可讀寫存儲(chǔ)器。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器分為三類：靜態(tài)RAM、動(dòng)態(tài)RAM和非易失性RAM

⑴靜態(tài)RAM(SRAM)

⑵動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元

DRAM是利用MOS管的柵極電容來保存信息，在“信息保持”狀態(tài)下，存儲(chǔ)單元中沒有電流流動(dòng)，因此，大大降低了功耗。第10頁,共103頁，2024年2月25日，星期天1

⑶非易失性RAM

一般情況下，不論DRAM還是SRAM都是易失性的，即斷電后存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失掉。而有一類RAM是非易失性的，稱為非易失性RAM(nonvolatileRAM，NV-RAM)。

為了在斷電后保存其中的內(nèi)容，NV-RAM芯片使用了下面的技術(shù)：①它使用由CMOS構(gòu)成的功耗極低的SRAM存儲(chǔ)單元。②內(nèi)部使用鋰電池作為后備電源。③使用一個(gè)智能控制電路。第11頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

2．只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器的類型多種多樣，如PROM、EPROM、EEROM(E2ROM)、閃爍可擦除可編程ROM和掩膜ROM。⑴可編程ROM

可編程ROM(programmableROM，PROM)是一種提供給用戶，把他們要寫入的信息“燒”入其中的ROM。PROM為一次可編程ROM(onetimeprogrammableROM，OTPROM)。對(duì)PROM寫入信息需要用一個(gè)叫ROM編程器的特殊設(shè)備來實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程。熔斷絲⑵EPROM(erasableprogrammableROM，EPROM)

EPROM一般采用浮柵雪崩注入MOS存儲(chǔ)器FAMOS(Floating-gateAvalancheinjectionMOS)，下圖是N溝道FAMOS存儲(chǔ)元件剖視圖。第12頁,共103頁，2024年2月25日，星期天N溝道FAMOS存儲(chǔ)元件剖視圖FAMOS存儲(chǔ)電路

+++++-----第13頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⑶用電實(shí)現(xiàn)擦除的PROM(electricallyerasableprogrammableROM。EEPROM)

⑷閃爍可編程可擦除ROM

閃爍可編程可擦除ROM(flashmemoryEPROM)簡稱閃存。⑸掩膜ROM第14頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.2.2隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1．半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的結(jié)構(gòu)及實(shí)例

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部組織一般有兩種結(jié)構(gòu)：字片式結(jié)構(gòu)和位片式結(jié)構(gòu)。

⑴字片式結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片

圖4-4是64字×8位的字片式結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部組織圖。一行中所有存儲(chǔ)單元電路的字線連在一起，接到地址譯碼器的對(duì)應(yīng)的輸出端。一個(gè)存儲(chǔ)單元電路存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。把大量存儲(chǔ)單元電路按一定的形式排列起來，即構(gòu)成存儲(chǔ)體。存儲(chǔ)體一般都排列成陣列形式，所以又稱做存儲(chǔ)陣列。把存儲(chǔ)體及其外圍電路(包括地址譯碼與驅(qū)動(dòng)電路、讀/寫放大電路及時(shí)序控制電路等)集成在一塊硅片上，稱為存儲(chǔ)器組件。存儲(chǔ)器組件經(jīng)過各種形式的封裝后，通過引腳引出地址線、數(shù)據(jù)線、控制線及電源與地線等，就制成了半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片。

這種對(duì)接收到的存儲(chǔ)單元地址僅進(jìn)行一個(gè)方向譯碼的方式，稱為單譯碼方式或一維譯碼方式。

第15頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-464字×8位字片式結(jié)構(gòu)的RAM芯片

第16頁,共103頁，2024年2月25日，星期天⑵位片式結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片

圖4-5所示為4k1位的位片式結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器芯片的內(nèi)部組織。

當(dāng)選中該芯片工作時(shí)，首先給定要訪問的存儲(chǔ)單元的地址，并給出有效的片選信號(hào)CS和讀寫信號(hào)R/W，通過對(duì)行列地址的譯碼，找到被選中的行和被選中的列兩者交叉處的惟一一個(gè)存儲(chǔ)單元電路，讀出或?qū)懭胍晃欢M(jìn)制信息。⑶TMS4116芯片

TMS4116是由單管動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)單元電路構(gòu)成的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器芯片，其容量為16K×1位，圖4-6所示為TMS4116芯片的邏輯結(jié)構(gòu)框圖和引腳分配圖?！镌撔酒瑳]有專門設(shè)置片選信號(hào)，一般用RAS信號(hào)兼作片選控制信號(hào)，只有RAS有效(低電平)時(shí)，芯片才工作。第17頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-54k1位的雙譯碼方式的RAM芯片結(jié)構(gòu)第18頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-6TMS4116芯片的邏輯結(jié)構(gòu)框圖與引腳分配圖。17第19頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

圖4-7TMS4116芯片的存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)圖

第20頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

讀出再生放大器的結(jié)構(gòu)形式如圖4-8所示。圖4-8讀出再生放大器電路

10011

表4-1給出了一些典型的RAM芯片及其技術(shù)指標(biāo)。第21頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-1典型RAM芯片實(shí)例

RAM類型

產(chǎn)品型號(hào)

速度(ns)

容量

結(jié)構(gòu)

引腳數(shù)SRAM6116-110016K2K×8246116LP-707016K2K×8246264-10

10064K8K×82862256LP-10100256K32K×828DRAM4116-2020016K16K×1164116-1515016K16K×1164116-1212016K16K×l164416-1212064K16K×4184416-1515064K16K×4184164-1515064K64K×11641464-880256K64K×41841256-15150256K256K×11641256-660256K256K×116414256-101001M256K×420511000P-8801M1M×118514100-7704M4M×120NV-SRAMDSl22010016K1M×124DSl22515064K4M×128DSl23070256K2K×828第22頁,共103頁，2024年2月25日，星期天⑷動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新方式

刷新：DRAM的存儲(chǔ)陣列中所有的存儲(chǔ)電容必須周期性地重新充電，這一過程稱為“刷新”。

設(shè)存儲(chǔ)電容為C，其端電壓為u，電荷Q=C?u，則放電電流為：I=△Q/△t=C?△u/△t

若C=0.2pF，△u=1V，I=0.1nA，可求得電荷泄放時(shí)間△t=0.210-121/(0.110-9)=210-3s=2ms

常用的刷新的方法有四種：集中刷新、分散刷新、異步刷新和透明刷新。

“刷新”可以采用按行‘‘讀出’’的方法進(jìn)行。因此只需RAS信號(hào)，第23頁,共103頁，2024年2月25日，星期天（a）集中刷新①集中式刷新方式

刷新時(shí)間=存儲(chǔ)體的行數(shù)

刷新一行的時(shí)間。

例：將128128存儲(chǔ)器矩陣刷新一遍需要128個(gè)讀/寫周期的時(shí)間。設(shè)每個(gè)讀/寫周期為0.5s，刷新周期為2ms，則刷新間隔為2ms/(0.510-3)=4000個(gè)讀/寫周期。128行集中刷新時(shí)需要128個(gè)周期，其花費(fèi)時(shí)間=0.5128=64s。因此在2ms中有64s的死區(qū)，即在連續(xù)讀/寫3872次后有連續(xù)128個(gè)周期CPU不能訪問M?M。第24頁,共103頁，2024年2月25日，星期天（b）分散刷新②分散刷新：將每個(gè)讀寫周期分為兩段。前一段時(shí)間tM為正常讀/寫操作，后一段時(shí)間tR為刷新操作。設(shè)每個(gè)讀/寫周期為0.5s，則分散刷新方法中的讀/寫周期為1s，雖然消除了死區(qū)，但速度降低一倍。2ms內(nèi)只能進(jìn)行2000次讀/寫操作，同時(shí)進(jìn)行2000次的刷新操作(過于頻繁)，沒有充分利用2ms刷新周期的間隔。讀/寫次數(shù)比集中刷新少了1872次。第25頁,共103頁，2024年2月25日，星期天③異步刷新是上述兩種方法的結(jié)合。還以128128存儲(chǔ)器矩陣為例，設(shè)每個(gè)讀/寫周期為0.5s，刷新周期為2ms，那么在2ms中對(duì)128行的每一行都刷新一次時(shí)，相鄰兩行刷新時(shí)的時(shí)間間隔為2ms/128≈15.5s。前15s用于正常讀/寫，后0.5s用于刷新。效率比前兩種方法高，用得比較多。(c)異步式刷新圖4-9三種刷新方式

④透明刷新☆DRAM控制器

DRAM控制器是CPU與DRAM芯片之間的接口，一方面將CPU的第26頁,共103頁，2024年2月25日，星期天控制信號(hào)變換為適合DRAM芯片的控制信號(hào)，另一方面DRAM的刷新需要獨(dú)立的硬件電路支持，這也由DRAM控制器完成。下圖為DRAM控制器的結(jié)構(gòu)框圖。

①地址多路開關(guān)：②刷新定時(shí)器：

③刷新地址計(jì)數(shù)器：④仲裁電路：⑤控制信號(hào)發(fā)生器：第27頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

2．DRAM芯片的存取模式按照DRAM芯片的存取模式的不同，DRAM芯片可分為四類：標(biāo)準(zhǔn)模式、頁模式、靜態(tài)列模式和半字節(jié)模式的DRAM芯片。

⑴標(biāo)準(zhǔn)模式的DRAM圖4-10標(biāo)準(zhǔn)模式DRAM芯片的時(shí)序第28頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-2DRAM的訪問時(shí)間與存取周期(單位：ns)

型號(hào)RAS訪問時(shí)間tRAC

存取周期tRC

預(yù)充時(shí)間tRPMCM44100-606011045MCM44100-707013050MCM44100-808015060☆為了消除DRAM的預(yù)充時(shí)間所帶來的負(fù)面影響，方法之一就是將DRAM芯片交錯(cuò)地連接起來。將兩個(gè)內(nèi)存條安排在一起使用，讓CPU交替地訪問兩個(gè)內(nèi)存條。

采用這種方法帶來的好處是，當(dāng)CPU在訪問一個(gè)內(nèi)存條的同時(shí)，另一個(gè)內(nèi)存條對(duì)其存儲(chǔ)單元執(zhí)行預(yù)充操作，這樣預(yù)充時(shí)問就可以隱藏在訪問時(shí)間中。圖4-11所示為交錯(cuò)內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。

假設(shè)80386SX的工作頻率是20MHz，由此可知CPU要求的訪問存儲(chǔ)器單元的訪問時(shí)間是100ns。

若構(gòu)成內(nèi)存的DRAM芯片的訪問時(shí)間是70ns，預(yù)充時(shí)間是65ns，則DRAM的存取周期時(shí)間是135ns，這顯然不能滿足CPU的要求。如果使用交錯(cuò)內(nèi)存連接方法，則可解決上述時(shí)間不匹配的問題。第29頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-11交錯(cuò)內(nèi)存連接的DRAM結(jié)構(gòu)此時(shí)，386-SX先訪問內(nèi)存條A，接著訪問內(nèi)存條B。在CPU訪問內(nèi)存條B時(shí)，內(nèi)存條A進(jìn)行預(yù)充。同樣地，當(dāng)CPU訪問內(nèi)存條A時(shí)，內(nèi)存條B又進(jìn)行預(yù)充。此時(shí)，CPU訪問1024個(gè)DRAM存儲(chǔ)單元電路需要的時(shí)問是1024tRAC=1024×70ns=71680ns．

交錯(cuò)連接內(nèi)存方法的主要缺點(diǎn)是，每次擴(kuò)充內(nèi)存時(shí)，必須同時(shí)至少插入兩個(gè)內(nèi)存條。第30頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⑵頁模式DRAM

在采用頁模式的DRAM芯片內(nèi)部，存儲(chǔ)單元電路被安排成N×N的陣列。要讀某個(gè)元件時(shí)，

之后給出列地址(A0～An-1)，同時(shí)CAS有效，將列地址鎖存到列地址譯碼器。

首先要給出行地址(A0～An-1)，同時(shí)RAS有效，將行地址鎖存到行地址譯碼器；

在有關(guān)DRAM的技術(shù)資料中，術(shù)語“頁”指的是每行包括的存儲(chǔ)單元電路的個(gè)數(shù)，即列數(shù)。

例如1M×1位的DRAM芯片，其存儲(chǔ)陣列為1024×1024，故它共有1024頁，每頁中有1024個(gè)存儲(chǔ)位(列)。而4M×1位的DRAM芯片，其存儲(chǔ)陣列為2048×2048，故它有2048頁，每頁中有2048個(gè)存儲(chǔ)位(列)。

圖4-12給出了頁模式的訪問時(shí)序。

表4-3列出了頁模式DRAM有關(guān)時(shí)序的參數(shù)。注意，對(duì)于頁模式DRAM芯片，它不僅能支持頁模式讀寫，還可以支持標(biāo)準(zhǔn)模式讀寫。第31頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-3頁模式DRAM時(shí)序參數(shù)(4M×l位，單位：ns)型號(hào)RAS訪問時(shí)間tRAC

存取周期tRCCAS訪問時(shí)間tCAC頁周期時(shí)間tPCMCM44100-60601101540MCM44100-70701302045MCM44100-80801502050

例4.1某1M×1位的頁模式DRAM的tRC=165ns,tRAC=85ns,tPC=50ns,則該DRAM芯片有1024頁，每頁有1024位，訪問一頁所需的時(shí)間為

tRAC+1023×tPC=85ns+1023×50ns=51235ns

⑶靜態(tài)列模式DRAM第32頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

靜態(tài)列模式DRAM的設(shè)計(jì)思想是，在存取某一行中的所有列時(shí)，不再需要給出CAS信號(hào)，從而簡化了存取操作。訪問靜態(tài)列模式DRAM，最開始的訪問時(shí)間是標(biāo)準(zhǔn)訪問時(shí)間tRAC訪問所在頁內(nèi)的任一存儲(chǔ)單元電路的時(shí)間為tAA

，但訪問頁內(nèi)的連續(xù)位中每一位的時(shí)間不能少于tSC(靜態(tài)列周期時(shí)間)。靜態(tài)列模式的訪問時(shí)序參見圖4-12，表4-4所示是時(shí)序參數(shù)。

表4-4靜態(tài)列模式DRAM時(shí)序參數(shù)(4M×l位，單位：ns)

型號(hào)RAS訪問時(shí)間tRAC

存取周期tRC列訪問時(shí)間tAA靜態(tài)列周期時(shí)間tSCMCM54102A-60601103035MCM54102A-70701303540MCM54102A-80801504045第33頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

例4.2某1M×1位的靜態(tài)列模式DRAM的tRC=165ns，tRAC=85ns，tSC=50ns，則訪問一行所需的時(shí)間為：tRAC+1023×tSC=85ns+1023×50ns=5l235ns

⑷半字節(jié)模式DRAM

可見半字節(jié)模式DRAM類似于頁模式DRAM，只是頁模式中一次要連續(xù)讀出一行中的所有位，而半字節(jié)模式只是讀出一行中連續(xù)的四位。經(jīng)過最開始的標(biāo)準(zhǔn)讀過程后，列地址計(jì)數(shù)器在芯片內(nèi)部自動(dòng)增量，無需給出列地址即可訪問后續(xù)的三位。半字節(jié)模式的訪問時(shí)序如圖4-12所示。

半字節(jié)模式與頁模式和靜態(tài)列模式的不同之處是，半字節(jié)模式不需要設(shè)置在芯片外部的列地址計(jì)數(shù)器電路。

半字節(jié)模式DRAM芯片在工作時(shí)，先給出行地址，并輔以有效的RAS信號(hào)，將行地址鎖存，之后再給出列地址，同時(shí)CAS信號(hào)有效，將第一個(gè)列地址鎖存，然后RAS信號(hào)保持有效，行地址不再變化，而CAS信號(hào)在有效和無效狀態(tài)之間不停地切換，連續(xù)讀出一行的四位。第34頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-12頁模式、靜態(tài)列模式和半字節(jié)模式DRAM時(shí)序

在半字節(jié)模式中，第一位是通過標(biāo)準(zhǔn)過程訪問的，需要時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)訪問時(shí)間tRAC，后續(xù)讀出一位所需的時(shí)間只需tNCAC(半字節(jié)模式訪問時(shí)間)，但連續(xù)讀出每一位的時(shí)間不能少于tNC(半字節(jié)周期時(shí)間)，表4-5給出了時(shí)序參數(shù)的數(shù)值。表4-5半字節(jié)模式DRAM時(shí)序參數(shù)(4M×l位，單位：ns)型號(hào)RAS訪問時(shí)間tRAC讀周期時(shí)間tRC半字節(jié)模式訪問時(shí)間tNCAC半周期時(shí)間tNCMCM54101A-60601102040MCM54101A-70701302040MCM54101A-80801502040第35頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

例4.3某1M×1位的半字節(jié)模式DRAM芯片的tRAC=85ns，tNC=40ns，tRP=70ns，則訪問連續(xù)4位所需時(shí)間為：tRAC+3tNC=85+3×40=205ns

訪問一頁1024位所需的時(shí)間為：256×(tRAC+3tNC+tRP)=256×(85+3×40+70)=70400ns

表4-61M×l位85ns的DRAM芯片時(shí)序參數(shù)(單位：ns)訪問時(shí)間

標(biāo)準(zhǔn)模式頁模式靜態(tài)列模式半字節(jié)模式行訪問時(shí)間tRAC85858585列訪問時(shí)間tCAC

25

列訪問時(shí)間tAA

45列訪問時(shí)間tNCAC

20周期時(shí)間

讀周期時(shí)間tRC165

頁周期時(shí)間tPC50靜態(tài)列周期時(shí)間tSC

50半字節(jié)周期時(shí)間tNC

40

第36頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-7各種DRAM操作模式所需訪問時(shí)間(單位：ns)標(biāo)準(zhǔn)模式頁模式靜態(tài)列模式半字節(jié)模式讀4位660235235205讀1024位168960512355123570400

下面討論兩種高速DRAM：EDODRAM(extendeddata-outDRAM，擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出DRAM)和SDRAM(synchronousDRAM，同步DRAM)

⑸EDODRAM

快速頁模式DRAM的局限性圖4-13快速頁模式DRAM和擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出DRAM存取操作時(shí)序第37頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-8DRAM的時(shí)序參數(shù)表(單位：ns)

FPMEDOFPMEDO速度7070速度6060tRAC7070tRAC6060tRc130130tRc110110tPc4030tPc3525

⑹同步DRAM(SDRAM)

當(dāng)CPU總線的速度超過75MHz時(shí)，即使是EDODRAM也不能滿足CPU速度的需求，所以人們開發(fā)了同步DRAM(SDRAM)。在SDRAM系統(tǒng)中，微處理器與SDRAM間有一個(gè)公共時(shí)鐘(稱為系統(tǒng)時(shí)鐘)信號(hào)。在CPU和SDRAM間的所有總線行為(送地址、送數(shù)據(jù)、送控制信號(hào))都與這個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)同步，即公共時(shí)鐘是CPU和SDRAM的參考點(diǎn)，任何操作都不會(huì)偏離它，因此CPU也就無需等待了。

圖4-14是SDRAM操作時(shí)序，圖中有一個(gè)公共時(shí)鐘，地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)都與之同步，而在EDODRAM和快速頁模式DRAM的時(shí)序圖中，是沒有這樣一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)的。

第38頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-14SDRAM操作時(shí)序

突發(fā)模式：即在一個(gè)總線操作周期中以數(shù)據(jù)塊傳送方式將數(shù)據(jù)塊從M?M調(diào)入Cache。

例如，若突發(fā)長度為8，則首先要給出第一個(gè)單元的完全地址，即先是RAS信號(hào)，接著是CAS信號(hào)。但后續(xù)的第二、第三??第八個(gè)單元的地址無需給出，利用突發(fā)模式以最小延遲直接讀出它們的內(nèi)容，整個(gè)讀操作所需時(shí)間只受DRAM內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的制約。

第39頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.2.3只讀存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-15是用MOS管構(gòu)成的EPROM存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。

從圖4-14中可以看出在CAS有效后，數(shù)據(jù)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)引腳上所需的時(shí)鐘數(shù)是可通過編程控制的。

這個(gè)時(shí)鐘數(shù)稱為讀延遲(Readlatency)，可以是1、2或3個(gè)時(shí)鐘。圖4-15EPROM存儲(chǔ)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。011011通止

圖4-16示出了Intel2716芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。第40頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-9Intel2716結(jié)構(gòu)圖第41頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-92716芯片工作模式選擇工作模式PD／PGMCSVPPVCC數(shù)據(jù)輸出讀低低+5V+5V輸出未選中無關(guān)高+5V+5V高阻功耗下降高無關(guān)+5V+5V高阻編程由低到高脈沖高+25V+5V輸入4.2.4半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組成存儲(chǔ)芯片與CPU的連接主要有以下三個(gè)部分：地址信號(hào)線的連接數(shù)據(jù)信號(hào)線的連接控制信號(hào)線的連接

容量擴(kuò)展計(jì)算方法：組數(shù)每組組成的片數(shù)第42頁,共103頁，2024年2月25日，星期天⒈位擴(kuò)展

設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)與所用芯片的字?jǐn)?shù)相同，但芯片的字長少于存儲(chǔ)器規(guī)定的字長，可用位擴(kuò)展方法。55設(shè)用8片4096

1的芯片構(gòu)成4KB的存儲(chǔ)器，位擴(kuò)展時(shí)引線接法見圖4.17。⒉字?jǐn)U展

當(dāng)芯片的位數(shù)與設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器的位數(shù)相同，而字?jǐn)?shù)(單元數(shù))少于設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)時(shí)用字?jǐn)U展。例用16K

8芯片組成64K

8的存儲(chǔ)器，連接方法見圖圖4.18。圖4-17存儲(chǔ)器位擴(kuò)展舉例

圖4-18存儲(chǔ)器字?jǐn)U展舉例

第43頁,共103頁，2024年2月25日，星期天組數(shù)=42片/組

例用(16K4)b的芯片組成(64K8)b的存儲(chǔ)器所需芯片數(shù)為：

⒊字位共同擴(kuò)展

當(dāng)芯片的字?jǐn)?shù)和每字的位數(shù)均少于設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)和每字位數(shù)時(shí)用字位共同擴(kuò)展的方法。(1)確定組成主存儲(chǔ)器需要的芯片總數(shù)。

(2)所有存儲(chǔ)芯片對(duì)應(yīng)的地址線接在一起，與CPU對(duì)應(yīng)的引腳線相接；所有的R/W控制線接在一起，與CPU的讀寫第44頁,共103頁，2024年2月25日，星期天0組1組2組3組控制信號(hào)相接。

(3)所有處于同一地址區(qū)域的芯片的片選信號(hào)接在一起，接到片選譯碼器對(duì)應(yīng)的輸輸出端。

(4)所有處于不同地址區(qū)域的同一位芯片的數(shù)據(jù)輸入輸出線對(duì)應(yīng)地接在一起，接到CPU數(shù)據(jù)總線的對(duì)應(yīng)位。第45頁,共103頁，2024年2月25日，星期天SRAM芯片與CPU連接時(shí)要考慮和解決以下幾個(gè)方面的問題：①CPU的負(fù)載能力：②速度匹配問題：③多片存儲(chǔ)芯片的選通：④R/W控制信號(hào)：

4．多種數(shù)據(jù)的傳輸例4.5請(qǐng)用2K×8位的SRAM設(shè)計(jì)一個(gè)8K×16位的存儲(chǔ)器，要求當(dāng)CPU給出的控制信號(hào)B=0時(shí)訪問16位數(shù)據(jù)，B=1時(shí)訪問8位數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)器以字節(jié)為單位編址。

解：該存儲(chǔ)器所需要的芯片總數(shù)為8塊芯片分成兩列，按地址交叉方式編址，即一列為奇地址，一列為偶地址。由于存儲(chǔ)器以字節(jié)為單位編址，總?cè)萘繛?K×16位，所以：

8K×16=8K×2×8b=214×8b

第46頁,共103頁，2024年2月25日，星期天表4-10C、D取值真值表BA0CD說明0011訪問16位數(shù)據(jù)0100不訪問1010

訪問偶存儲(chǔ)體1101

訪問奇存儲(chǔ)體由此真值表得下面的邏輯表達(dá)式：

C=A0，D=B

A0

8K×16位的存儲(chǔ)器需要4個(gè)模塊，因此需用2：4譯碼，譯碼器的輸出一般是低電平有效，設(shè)經(jīng)過反相后的輸出為Y0、Y1、Y2、Y3，則8塊芯片的片選信號(hào)的邏輯表達(dá)式為：

CS0=C?Y0，CS2=C?Y1，CS4=C?Y2，CS6=C?Y3，

CS1=D?Y0，CS3=D?Y1，CS5=D?Y2，CS7=D?Y3，

存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)圖及CPU連接的示意圖如圖4-20所示。

第47頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-20存儲(chǔ)器多數(shù)據(jù)傳輸舉例第48頁,共103頁，2024年2月25日，星期天T0100011101數(shù)據(jù)序列4.3輔助存儲(chǔ)器(A?M)4.3.1磁表面存儲(chǔ)器的基本原理⒈磁表面存儲(chǔ)原理

⑴磁層和磁頭⑵磁表面存儲(chǔ)器的讀寫過程

①信息寫入過程②信息讀出過程4.3.2數(shù)據(jù)記錄格式

⒈歸零制(RZ)

第49頁,共103頁，2024年2月25日，星期天100011101數(shù)據(jù)序列

⒉不歸零制(NRZ)

⒊不歸零1制(NRZ–1)：見1就翻。

⒋調(diào)相制(PM)

⒌調(diào)頻制(FM)第50頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⒍改進(jìn)調(diào)頻制(MFM)100011101數(shù)據(jù)序列

不同的磁記錄方式特點(diǎn)不同，性能各異。

評(píng)價(jià)一種記錄方式的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)主要是編碼效率和自同步能力等。

自同步能力是指從讀出的脈沖信號(hào)序列中提取同步時(shí)鐘信號(hào)的能力。磁表面存儲(chǔ)器為了從讀出信號(hào)中分離出數(shù)據(jù)信息，必須要有時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，稱為同步信號(hào)。同步信號(hào)可以從專門設(shè)置用來記錄同步信號(hào)的磁道中取得，這種方法稱為外同步。如果直接從讀出信號(hào)中提取同步信號(hào)，則稱為內(nèi)同步。第51頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

自同步能力的大小可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔的比值R來衡量。比值R越大，自同步能力越強(qiáng)。FM記錄方式的最小磁化翻轉(zhuǎn)間．隔是T/2，最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔是T，其中T為位周期，因此RFM=0.5。

編碼效率又稱記錄效率，是指每次磁層磁化翻轉(zhuǎn)所存儲(chǔ)信息的位數(shù)。除編碼效率和自同步能力外，還有讀出信號(hào)的分辨能力、頻帶寬度、抗干擾能力以及編碼譯碼電路的復(fù)雜性等。它們都影響記錄方式的取舍和評(píng)價(jià)。

成組編碼法是把待寫入的信息序列按4位長度進(jìn)行分組，然后按某一確定規(guī)則將4位信息編碼為5位碼字，再把編碼字序列按NRZ-1制記錄方式記錄在磁層中。

RLLC(runlengthlimitedcode)碼已廣泛用于高密度磁盤中，它實(shí)質(zhì)是把原始數(shù)據(jù)序列變換成0、1受限制的記錄序列，其編碼規(guī)則是：把待輸入的信息序列變換為0游程長度受限碼，即任何兩位相鄰的1之間的0的最大位數(shù)k和最小位數(shù)d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ-1進(jìn)行寫入。正確地設(shè)計(jì)k、d值，可以獲得優(yōu)良的編碼性能。第52頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.3.3磁盤存儲(chǔ)器

磁盤存儲(chǔ)器由驅(qū)動(dòng)器、控制器和盤片三部分組成。

磁盤驅(qū)動(dòng)器又稱磁盤機(jī)或磁盤子系統(tǒng)，它是獨(dú)立主機(jī)之外的完整裝置。

⒈硬磁盤存儲(chǔ)器磁盤種類很多，根據(jù)盤片的構(gòu)成和其更換性分類如下：第53頁,共103頁，2024年2月25日，星期天1)硬盤的結(jié)構(gòu)和信息的讀寫活動(dòng)頭多盤片硬盤的主要結(jié)構(gòu)如圖4-23所示，由盤片組、讀寫磁頭和定位機(jī)構(gòu)組成。

溫徹斯特磁盤存儲(chǔ)器。磁盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部邏輯磁盤地址格式圖4-23活動(dòng)頭磁盤結(jié)構(gòu)和扇區(qū)第54頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

其邏輯操作可分為三類：尋址磁盤地址格式

根據(jù)主機(jī)訪問控制字中的盤地址找出目標(biāo)磁道和記錄塊位置。

例如，若某盤片組有8個(gè)記錄面，每個(gè)盤面分成256條磁道，8個(gè)扇區(qū)；當(dāng)主機(jī)要訪問其中第5個(gè)記錄面上、第65條磁道、第7個(gè)扇區(qū)信息時(shí)。則主機(jī)向磁盤控制器提供的地址信息是：01000001

101

111

如果主機(jī)配有幾臺(tái)磁盤驅(qū)動(dòng)器，則還應(yīng)給出驅(qū)動(dòng)器編號(hào)，用來選擇所需的驅(qū)動(dòng)器，此時(shí)磁盤信息的地址格式為：

柱面號(hào)(磁道號(hào))盤面號(hào)(磁頭號(hào))扇區(qū)號(hào)驅(qū)動(dòng)器號(hào)柱面號(hào)(磁道號(hào))盤面號(hào)(磁頭號(hào))扇區(qū)號(hào)

讀操作

由磁道定位機(jī)構(gòu)把讀寫頭沿磁盤半徑方向移到相應(yīng)的磁道位置上，這一時(shí)間稱為定位時(shí)間。第55頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

定位以后尋找所需扇區(qū)的時(shí)間稱：為等待時(shí)間，或稱旋轉(zhuǎn)延遲，平均值為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間，可為幾個(gè)毫秒。

上述兩個(gè)延時(shí)之和稱為磁盤的尋址時(shí)間。寫操作

2)磁盤的信息記錄格式

圖4-24扇段記錄格式

磁盤的記錄格式有定長和不定長之分。定長記錄格式中，每個(gè)記錄塊的字節(jié)數(shù)固定。如IBMPC中每個(gè)記錄塊記錄128B，256B或512B。定長記錄格式中每個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)數(shù)據(jù)塊，每個(gè)扇區(qū)有頭空、ID域、間隙、數(shù)據(jù)區(qū)域和尾空。第56頁,共103頁，2024年2月25日，星期天IBMPC機(jī)所用磁盤的記錄格式

頭空ID域數(shù)據(jù)域尾空第57頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

3)磁盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)

⑴存儲(chǔ)容量-磁表面存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息的總量，

一般用位(b)或字節(jié)(B)表示。對(duì)于已格式化了磁盤容量計(jì)算公式是C=n

T

S

B

n：盤面數(shù)，為2

(盤片數(shù)-1)；

T：每個(gè)盤面上的磁道數(shù)(或柱面數(shù))；

S：每條磁道上的扇區(qū)數(shù)；

B：每個(gè)扇區(qū)所存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)。

非格式化容量C=n

T

L

D

n和T同上，L為最內(nèi)層磁道的周長，D為位密度。一般格式化容量是非格式化容量的70%左右。

⑵平均存取時(shí)間Ta

指磁頭接到R/W命令，從原來的位置移動(dòng)到指定位置并完成R/W操作的時(shí)間叫存取時(shí)間。對(duì)于直接存取方式的磁盤存取時(shí)間分為兩部分：第58頁,共103頁，2024年2月25日，星期天①磁頭從原先位置移動(dòng)到目的磁道所需的時(shí)間，稱為定位時(shí)間或?qū)さ罆r(shí)間—Tt。②磁頭到達(dá)目的磁道后，等待所訪問的記錄塊轉(zhuǎn)到磁頭下方的等待時(shí)間—Tw

。

Ta=Tt+Tw=(ttmax+ttmin)/2+(twmax+twmin)/2

⑶記錄密度道密度tpi(或tpcm)

位密度bpi(或bpcm)：以最內(nèi)層磁道的密度為準(zhǔn)。

面密度：位密度×道密度

④數(shù)據(jù)傳送速率磁表面存儲(chǔ)器在單位時(shí)間內(nèi)向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)或字節(jié)數(shù)。單位為b/s或B/s。Dr=D

v

v：為線速，以最內(nèi)層磁道為準(zhǔn)?；駾r=S

B

r

S，B同前，r為磁盤每秒轉(zhuǎn)速。第59頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⑸磁盤參數(shù)的計(jì)算舉例：

例：設(shè)有一磁盤系統(tǒng)有10個(gè)盤片，每面有256條磁道，每條磁道劃分成16個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)為512個(gè)字節(jié)。磁盤存儲(chǔ)區(qū)域的外徑是14in，內(nèi)徑是10in，道間移動(dòng)時(shí)間為0.2ms，磁盤轉(zhuǎn)速為3600r/min。試求總?cè)萘?、道密度、位密度、平均存取時(shí)間和傳輸率。解：⑴總?cè)萘縎=512B16(10-1)2256=36MB

⑵道密度=256/((14-10)/2)=128Tpi⑶位密度=512B168/(10

)≈2087bpi⑷平均存儲(chǔ)時(shí)間

twmax=60/3600≈16.7ms，twmin

=0ms；

tsmax=0.2255=51.ms，tsmin=0ms。

Ta=(twmax+twmin)/2+(tsmax+tsmin)/2=(16.7+0)/2+(51+0)/2=33.85ms⑸傳輸速率每秒轉(zhuǎn)速：3600/60=60r/s第60頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

方法①傳輸速率=位密度線速

=2087bpi6010≈3.75Mb/s

方法②傳輸速率=每條磁道存儲(chǔ)容量盤速

=8512B1660=3.75Mb/s

例4.6設(shè)某磁盤由8片盤組成，其中最上面和最下面兩面不記錄信息，已知該盤每個(gè)記錄面共有1024個(gè)磁道，每個(gè)磁道有64個(gè)扇區(qū)。磁盤轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為12ms，啟動(dòng)延遲為1ms；假設(shè)磁盤最內(nèi)圈直徑為5cm，最外圈直徑為10cm。計(jì)算磁盤的容量、磁盤地址需要多少位、磁盤的數(shù)據(jù)傳輸率、讀寫一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)需要的平均訪問時(shí)間、該盤的道密度、最小位密度和最大位密度。

解：磁盤的容量(非格式化容量)為：

C=記錄面×磁道數(shù)/面×扇區(qū)數(shù)/道×字節(jié)數(shù)/扇區(qū)

=14×1024×64×512(字節(jié))=448MB

磁盤的地址格式為：柱面號(hào)10位二進(jìn)制盤面號(hào)4位二進(jìn)制扇區(qū)號(hào)6位二進(jìn)制第61頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

所以，磁盤地址需要20位。數(shù)據(jù)傳輸率為：

Dr=64×512×6000/60=3200KB/s

Ta=平均尋道時(shí)間+平均旋轉(zhuǎn)時(shí)間+啟動(dòng)延遲+傳送一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)所需的時(shí)間

=12+1+(60s/6000)/2+512B/(3200KB/s)=18.16mm

磁道密度=1024/[(10-5)/2]=409·6tpcm

最大位密度=8×512×64/(5)=16688.61bpcm或

最大位密度=8×512×64/(5×10)=1669.6bpmm

最小位密度=8×512×64/(10)=8344.3bpcm或

最小位密度=8×512×64/(10×10)=834.43bpmm⒉軟盤存儲(chǔ)器①軟盤結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和類型

硬盤存儲(chǔ)器的差別：

硬盤轉(zhuǎn)速高，磁頭與盤面不接觸；軟盤轉(zhuǎn)速低，磁頭與盤面接觸。

大多數(shù)硬盤采用固定盤組；軟盤是單片使用。

硬盤系統(tǒng)價(jià)格高，存儲(chǔ)容量大，存取速度快；軟盤價(jià)廉，存儲(chǔ)量小，存取速度慢。

硬盤盤片不可折卸，一般不能互換；軟盤是可折卸且可互換。第62頁,共103頁，2024年2月25日，星期天②軟磁盤片和記錄格式軟盤基片是厚度約76

m的聚酯薄膜，兩面涂有2.3～3.0pm的磁層。

3.5英寸的盤片結(jié)構(gòu)如圖4-25所示。圖4-253.5英寸軟盤結(jié)構(gòu)圖第63頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

圖4-26所示為IBM37408英寸軟盤一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)記錄格式。每個(gè)扇區(qū)有188B，其中數(shù)據(jù)只有128B。前13個(gè)字節(jié)是地址區(qū)，包括6個(gè)字節(jié)的全0同步信息量一個(gè)字節(jié)的“FE”地址標(biāo)志，扇區(qū)地址部分后兩個(gè)字節(jié)是整個(gè)地址區(qū)的CRC校驗(yàn)碼，前4字節(jié)內(nèi)容如下：

圖4-26IBM3740分段扇區(qū)的格式

磁道號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)記錄長度

其中，若記錄長度為00，則表示每個(gè)扇區(qū)記錄128個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。目前微機(jī)系統(tǒng)常用的3.5英寸雙面雙密度軟盤的容量為：2面×80道/面×18扇區(qū)/道×512字節(jié)/扇區(qū)≈1.44MB第64頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⒊磁帶存儲(chǔ)器⑴分類①按帶寬分1/4英寸和1/2英寸②按帶長分2400英尺、1200英尺和600英尺③按外形分開盤式和盒式磁帶④按記錄密度分800bpi、1600bpi和6250bpi⑤按帶面并行的磁道數(shù)分9道和16道。磁帶機(jī)也有許多種，按走帶速度有高速(4

5m/s)、中速(2

3m/s)和低速(2m/s以下)磁帶機(jī)。⑵磁帶機(jī)的結(jié)構(gòu)①開盤式啟停磁帶機(jī)②數(shù)據(jù)流磁帶機(jī)數(shù)據(jù)連續(xù)地寫在磁帶上，數(shù)據(jù)塊之間插入記錄間隙，這樣磁帶機(jī)在數(shù)據(jù)塊之間不用啟停。此外，采用電子控制代替機(jī)械控制，簡化了磁帶機(jī)的機(jī)構(gòu)，降低成本，提高了可靠性。數(shù)據(jù)流磁帶機(jī)有1/4英寸盒式和1/2英寸開盤式兩種。

1/2英寸9道啟停式磁帶是一種國際通用的標(biāo)準(zhǔn)磁帶，記錄格式見下圖。第65頁,共103頁，2024年2月25日，星期天1/4英寸盒式數(shù)據(jù)流磁帶也是通用的標(biāo)準(zhǔn)磁帶，其中9道記錄格式見圖4.53。第66頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.3.3光盤存儲(chǔ)器

⒈光盤存儲(chǔ)器類型

只讀型(compactdiskreadonlymemory，CD-ROM)是最常用的光盤，直徑約12cm，厚度為1.2mm，容量大約為650MB。

一次寫入型CD-R(compactdiscrecordable)驅(qū)動(dòng)器寫入信息(也稱為刻盤)，寫入的信息CD—ROM光驅(qū)也可以讀出。但CD—R只能寫一次，寫人后不能再修改。

可擦寫型光盤(compactdiscrewritable)類似于磁盤，可以重寫信息。

⒉光盤存儲(chǔ)器的工作原理

1)只讀型光盤的信息存儲(chǔ)機(jī)理

2)可擦寫光盤CD-RW的擦寫原理按照這種改變性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)的原理來分，可擦寫光盤的記錄方式可分為兩大類：磁光式擦寫和相變式擦寫。

⑴磁光盤存儲(chǔ)器磁光存儲(chǔ)技術(shù)采用熱磁光記錄方式來完成寫擦功能，這種方法又稱熱磁寫入，是光學(xué)錄制和磁性介質(zhì)可逆性相結(jié)合的產(chǎn)物。第67頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-27CD-ROM盤存儲(chǔ)信息原理

(2)相變光盤

相變光盤的讀/寫原理是利用存儲(chǔ)介質(zhì)的晶態(tài)、非晶態(tài)可逆轉(zhuǎn)換，引起對(duì)入射激光束不同強(qiáng)度的反射(或折射)，形成信息一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

3．光盤存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)

1)數(shù)據(jù)傳輸率第68頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

指將數(shù)據(jù)從光盤驅(qū)動(dòng)器傳送到主存的速率，為單位時(shí)間內(nèi)光盤的光道上傳送的數(shù)據(jù)比特?cái)?shù)。這與光盤轉(zhuǎn)速、存儲(chǔ)密度有關(guān)。光盤轉(zhuǎn)得越快，數(shù)據(jù)從光盤傳送到主機(jī)內(nèi)存的速度越快。

單倍速光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸率是150Kbps。

12倍速(寫為12X)光驅(qū)的數(shù)據(jù)傳輸率是1.8Mbps，其光盤外圈的轉(zhuǎn)速是2400轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)，內(nèi)圈轉(zhuǎn)速是6360轉(zhuǎn)/分鐘。

CD-R驅(qū)動(dòng)器的寫速度與讀速度是不同的。例如標(biāo)示為24X/40X的CD-R光驅(qū)，指其讀信息的速度是40X，而寫信息(刻盤)的速度只有24X。

一個(gè)CD-RW驅(qū)動(dòng)器有三個(gè)速度，例如標(biāo)示為24X/12X/40X的CD-RW光驅(qū)，其寫速度是24X，重寫的速度是12X，讀的速度是40X。

2)存儲(chǔ)容量

指所能讀寫的光盤盤片的容量。

光盤容量又分為格式化容量和用戶容量，采用不同的格式和不同驅(qū)動(dòng)器，光盤格式化后容量不同。如650MB的CD-ROM盤片，螺旋線形的光道被劃分成一個(gè)個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)是最小的信息記錄單位。第69頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

每個(gè)扇區(qū)的信息記錄格式如圖4-28所示，可存放2048字節(jié)的有效數(shù)據(jù)。每個(gè)扇區(qū)的地址被標(biāo)記為“分、秒、扇區(qū)”，每秒鐘的數(shù)據(jù)需要75個(gè)扇區(qū)存放，一張盤片可存儲(chǔ)74分鐘的數(shù)據(jù)。所以整張盤片的容量為：

74分鐘×60秒/分鐘×75扇區(qū)/秒×2048字節(jié)/扇區(qū)=681984000字節(jié)≈650MB

3)平均存取時(shí)間

是在光盤上找到需要讀寫的信息的位置所需要的時(shí)間，即指從計(jì)算機(jī)向光盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令，到光盤驅(qū)動(dòng)器可以接受讀寫命令為止的時(shí)間。

一般取光頭沿半徑移動(dòng)全程1/3長度所需要的時(shí)間為平均尋道時(shí)間，盤片旋轉(zhuǎn)一周的一半時(shí)間為平均等待時(shí)間，兩者加上讀寫光頭的穩(wěn)定時(shí)間就是平均存取時(shí)間。

4)接口規(guī)范第70頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

CD-ROM驅(qū)動(dòng)器與主機(jī)的接口方式有IDE和SCSI。

IDE(IntegratedDeviceElectronics)接口采用40針的通信電纜將光驅(qū)與主板連接起來。絕大多數(shù)主板上都固化有IDE控制器，能自動(dòng)識(shí)別CD-ROM驅(qū)動(dòng)器。若采用SCSI接口規(guī)范，絕大多數(shù)情況下需要購買SCSI適配器，以便將光驅(qū)與主機(jī)連接起來。有些主板固化有SCSI接口。SCSI接口的傳輸速度比IDE接口的傳輸速度快。

4．DVDDVD(digitalversatiledisc)盤片的物理規(guī)格與CD盤片是一樣的，直徑約為120mm，厚度為1.2mm。DVD播放機(jī)能夠播放CD和VCD盤片。不同的是DVD盤片上光道之間的間距由原來的1.6μm減小到0.74μm，記錄信息的最小凹坑和凸區(qū)的長度由原來的0.83μm減小到0.4μm，這就是單層單面DVD盤片存儲(chǔ)容量提高到4.7GB的原因。

單層雙面的DVD盤片存儲(chǔ)容量為9.4GB，

雙層單面的存儲(chǔ)容量為8.5GB，

雙層雙面的存儲(chǔ)容量為17GB。

第71頁,共103頁，2024年2月25日，星期天DVD信號(hào)的調(diào)制方式和檢錯(cuò)糾錯(cuò)方法也做了相應(yīng)的修正，以適應(yīng)高密度的需要，它采用效率較高的8位到16位+(EFMPLUS)調(diào)制方式，DVD校驗(yàn)系統(tǒng)采用更可靠的RS-PC(reedSolomonproductcode)

DVD播放機(jī)中使用的激光不同于CD-ROM驅(qū)動(dòng)器中使用的激光。DVD播放機(jī)中的激光必須能聚焦于盤片上不同層。單層DVD只有一層反射面，雙層DVD盤片有兩層記錄面，一層為反射面，其上面一層為半透明的，激光必須能夠區(qū)別這兩層，聚焦在要查找信息所在的層面上。目前，市場上有五種DVD盤片的信息記錄標(biāo)準(zhǔn)：

1)DVD-ROM2)DVD-R3)DVD-RAM4)DVD-RW5)DVD+RW第72頁,共103頁，2024年2月25日，星期天4.4Cache4.4.1cache在存儲(chǔ)體系中的地位和作用4.4.2工作原理

目前，訪問Cache的時(shí)間為訪問M?M時(shí)間的1/4~1/10。由于半導(dǎo)體器件成本的下降，Cache已在大、中、小及微型機(jī)中普遍采用。目前在絕大多數(shù)有Cache的系統(tǒng)中，Cache的命中率一般能做到高于85％。

Cache的命中率取決于下面三個(gè)因素：Cache的大小、cache的組織結(jié)構(gòu)和程序的特性。

就Cache的組織結(jié)構(gòu)而言，有三種類型的Cache：全相連映像方式、直接映像方式和組相連映像方式。

在Cache中，用于存放數(shù)據(jù)或指令的靜態(tài)存儲(chǔ)器(SRAM)稱為內(nèi)容Cache，用于存放數(shù)據(jù)或指令在內(nèi)存中所在單元的地址的靜態(tài)存儲(chǔ)器稱為標(biāo)識(shí)Cache(tagcache)。下面的討論假設(shè)主存地址是16位(即主存容量為64K)，主存每個(gè)存儲(chǔ)單元是8位。假設(shè)內(nèi)容Cache的容量是128字節(jié)，即有128個(gè)單元(也稱有128行)，每個(gè)單元(每行)的寬度為8位；標(biāo)識(shí)Cache也應(yīng)該有Cache每個(gè)單元(每行)的寬度應(yīng)為16位。當(dāng)CPU要訪問內(nèi)存時(shí)，它第73頁,共103頁，2024年2月25日，星期天送出的16位地址先與標(biāo)識(shí)Cache中的128個(gè)地址(7位地址線)比較。若所需數(shù)據(jù)或指令的地址在標(biāo)識(shí)Cache中，即命中，則從內(nèi)容Cache與之對(duì)應(yīng)的單元(行)中讀出數(shù)據(jù)或指令送給CPU。若不命中，則從主存中讀出所需的數(shù)據(jù)或指令送給CPU，同時(shí)在Cache中存放一份副本，即將數(shù)據(jù)或指令寫入內(nèi)容Cache，并將該數(shù)據(jù)或指令所在的內(nèi)存單元的地址寫入標(biāo)識(shí)Cache。

實(shí)際上從送入M?M地址到完成對(duì)Cache的讀寫，包括了進(jìn)行地址變換和真正訪問Cache兩部分工作。這些工作必須在比訪問M?M要短得多的時(shí)間內(nèi)完成，否則失去設(shè)置Cache的意義。所以地址變換、替換等步驟必須全由硬件來完成。第74頁,共103頁，2024年2月25日，星期天圖4-29全相連映像方式cache中的內(nèi)容cache、標(biāo)識(shí)cache和主存單元的關(guān)系1.全相聯(lián)映象方式圖4-29顯示了全相連映像方式Cache中的內(nèi)容Cache、標(biāo)識(shí)Cache和主存單元的關(guān)系。圖中顯示的是地址為F998H的主存單元的內(nèi)容(其內(nèi)容為58H)緩存到Cache的情況。第75頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

全相聯(lián)映象是主存任何一塊(頁)都可以映象到Cache中的任何一塊(頁)上。

例設(shè)訪存時(shí)，給出的20位地址分為兩部分：高11位為主存塊標(biāo)記，低9位為塊內(nèi)地址(即512個(gè)單元為1塊)。Cache全相聯(lián)映象組織如圖第76頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

主存-Cache全相聯(lián)映象的地址變換過程見圖。

優(yōu)點(diǎn)：映象靈活，Cache的利用率高，沖突率低。

缺點(diǎn)：判別命中率花費(fèi)時(shí)間較長，因而實(shí)現(xiàn)較為困難。

2.直接映象法直接映象是主存的一塊(頁)與Cache中的(頁)映象關(guān)系是固定的。第77頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

即K=Imod2c

式中：

K：為Cache的塊號(hào)；

I：為主存的塊號(hào)；

c：為Cache塊號(hào)的二進(jìn)制位數(shù)。第78頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

優(yōu)點(diǎn)：簡單、地址變換速度快。

缺點(diǎn)：不夠靈活、沖突率高且存儲(chǔ)空間利用率不高。

主存-Cache的地址變換過程見圖。第79頁,共103頁，2024年2月25日，星期天例某計(jì)算機(jī)主存8MB，分成4096d頁，頁內(nèi)地址11位；Cache和主存分成同樣大小的頁，共有32頁，地址映像采用直接映像方式，畫出該計(jì)算機(jī)訪存的地址格式。當(dāng)CPU送出的地址分別為6807FFH、2D07FFH、7F1057H時(shí)和地址為000000H時(shí)，能否在Cache中訪問到該單元？答：⑴直接映象，是主存頁號(hào)與Cache頁的關(guān)系是固定的。由題意得地址格式為標(biāo)記（7位）頁號(hào)（5位）頁內(nèi)地址（11位）

標(biāo)記

頁號(hào)頁內(nèi)地址

⑵因?yàn)?807FFH=0

1101000

00000

11111111111

可以在Cache的0頁中訪問到；

⑶因?yàn)?D07FFH=0

0101101

00000

11111111111

直接映象結(jié)果應(yīng)當(dāng)在0頁，而標(biāo)記0101101是在Cache的1#頁面，故不能訪問到。

第80頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

⑷同理7F1057H=0

1111111

00010

00001010111

可以在Cache的2頁中訪問到

⑸同理000000H=0

0000000

0000000000000000直接映象結(jié)果應(yīng)當(dāng)在0頁，而標(biāo)記0000000是在Cache的3#頁面，故不能訪問到。

⒊組相聯(lián)映象

Cache空間分成組，每組2S頁(稱為2S路相聯(lián))，Cache有2q組，M?M分2m個(gè)區(qū)，每區(qū)有2q頁組。相聯(lián)是M?M與Cache各組之間用直接映象方式，組內(nèi)各頁則是全相聯(lián)映象。M?M某區(qū)中的頁允許映射到Cache固定組中的任意頁。選擇比直接方法靈活，判斷的速度比全相聯(lián)方法快。這是較為常用的映象方法。設(shè)Cache的總頁數(shù)為M，分為B組，則每組的頁數(shù)為：S=M/B。若I為M?M的頁號(hào)，將其映象到Cache中對(duì)應(yīng)組號(hào)K為：K=ImodB

S的選取決定了頁沖突的概率和地址映象的復(fù)雜性。S值越大，則每組內(nèi)所含頁數(shù)就越多，產(chǎn)生沖突概率越低，而相聯(lián)的映象表就越大。組相聯(lián)映象方法見圖。

第81頁,共103頁，2024年2月25日，星期天第82頁,共103頁，2024年2月25日，星期天

組相連映像Cache是介于全相連映像cache和直接映像cache之間的一種結(jié)構(gòu)。在直接映像Cache中，每個(gè)索引在Cache中只能存放一個(gè)標(biāo)識(shí)。而在組相連映像中，對(duì)應(yīng)每個(gè)索引，在Cache中能存放的標(biāo)識(shí)數(shù)量增加了，從而增加了命中率。例如在2路組相連映像Cache中，每個(gè)索引在Cache中能存放兩個(gè)標(biāo)識(shí)，即在Cache中可以存放兩個(gè)具有相同索引的內(nèi)存單元的內(nèi)容(這兩個(gè)內(nèi)存單元地址的低位部分(索引)相同，但高位部分(標(biāo)識(shí))不同)。類似地，在4路組相連