原理及接口技术-第5章

第5章存储器系统【学习目标】本章首先以半导体存储器为对象，在讨论存储器及其基本电路、基本知识的基础上，讨论存储芯片及其与CPU之间的连接和扩充问题。然后，介绍内存技术的发展以及外部存储器（如硬盘、光驱）。最后，介绍存储管理技术（如虚拟存储管理和高速缓存cache技术）。【学习要求】存储器的分类、组成及功能。着重理解行选与列选对1位信息的读出。重点掌握位扩充与地址扩充技术。理解存储器与CPU的连接方法。了解内存条技术的发展。理解存储器系统的分层结构。理解虚拟存储技术及高速缓存cache技术的原理。5．1存储器的分类与组成

计算机的存储器可分为两大类：一类为内部存储器，其基本存储组件多以半导体存储器芯片组成；另一类为外部存储器，多以磁性材料或光学材料制造。5.1.1半导体存储器的分类半导体存储器的分类如图5.2所示。按使用的功能可分为两大类：随机存取存储器RAM（randomaccessmemory）和只读存储器ROM（readonlymemory）。5.1.2半导体存储器的组成半导体存储器的组成框图如图5.3所示。它一般由存储体、地址选择电路、输入输出电路和控制电路组成。1．存储体存储体是存储1或0信息的电路实体，它由多个存储单元组成，每个存储单元赋予一个编号，称为地址单元号。每个存储单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。地址线数与存储单元数的关系列于表5.1中。2．地址选择电路地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。地址译码器用来对地址码译码。地址译码方式有两种：单译码方式（或称字结构）；双译码方式（或称重合译码）。3．读／写电路与控制电路读／写电路包括读／写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输入和输出的通道。外界对存储器的控制信号有读信号、写信号和片选信号等，通过控制电路以控制存储器的读或写操作以及片选。只有片选信号处于有效状态，存储器才能与外界交换信息。5.2随机存取存储器5.2.1静态随机存取存储器1．静态RAM基本存储电路静态RAM的基本存储电路，是由6个MOS管组成的RS触发器。每一个触发器就构成存储体的一位。2．静态RAM的组成静态RAM的结构一般由存储体、译码电路和控制电路组成。一个RAM芯片的存储容量是有限的，需用若干片才能构成一个实用的存储器。这样，地址不同的存储单元，可能处于不同的芯片中。一般，片选信号由地址码的高位译码（通过译码器输出端）产生。3．静态RAM的读／写过程1）读出过程（1）地址码→RAM芯片的地址输入端→X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，将出现在I/O电路的输入端。I/O电路对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。缓冲寄存器一般具有三态控制功能，没有开门控制信号，所存数据还不能送到数据总线DB上。（2）在送上地址码的同时，还要送上读／写控制信号和片选信号。2）写入过程（1）同上述读出过程（1），先选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。（2）将要写入的数据放在DB上。（3）加上片选信号及写入信号。这两个有效控制信号打开三态门使DB上的数据进入输入电路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。4．静态RAM芯片举例

常用的Intel6116是CMOS静态RAM芯片，属双列直插式、24引脚封装。它的存储容量为2K×8位，其引脚及内部结构框图如图5.7所示。5.2.2动态随机存取存储器动态RAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的，其基本单元电路一般由四管、三管和单管组成，以三管和单管较为常用。1．动态基本存储电路1）三管动态基本存储电路2）单管动态基本存储电路2.动态RAM芯片举例Intel2116单管动态RAM芯片的引脚名称Intel2116单管动态RAM芯片的内部结构框图5.3只读存储器5.3.1只读存储器存储信息的原理和组成ROM的存储元件及16×1位的ROM机构图如图所示。5.3.2只读存储器的分类1．不可编程掩模式MOS只读存储器2．可编程只读存储器 PROM（ProgrammableROM）3．可擦除、可再编程的只读存储器 EPROM（erasablePROM）5.3.3常用ROM芯片举例1．Intel2716芯片1）Intel2716的引脚与内部结构2716的工作方式2716的工作方式如表所示：2．Intel2732芯片2732EPROM芯片的容量为4K×8位，采用HNMOS-E（高速NMOS硅栅）工艺制造和双列直插式封装。

3.E2PROM芯片常用的E2PROM芯片有2816/2816A、2817/2817A/2864A等。其中，以2864A的8K×8b的容量为最大，它与6264兼容。主要特点：能像SRAM芯片一样读写操作，在写之前自动擦除原内容。但它并不能像RAM芯片那样随机读写，而只能有条件地写入。在E2PROM的应用中，若需读某一个单元的内容，只要执行一条存储器读指令，即可读出；若需对其内容重新编程，可在线直接用字节写入或页写入方式写入。4.FlashROM芯片常用的FlashROM芯片类型和型号很多。在PentiumCPU以上的主板中普通采用了FlashROM芯片来作为BIOS程序的载体。FlashROM也称为闪速存储器，在本质上属于EEPROM。平常情况下FlashROM与EPROM一样是禁止写入的，在需要时，加入一个较高的电压就可以写入或擦除。为预防误操作删除FlashROM中的内容导致系统瘫痪，一般都在FlashROM中固化了一小块启动程序(BOOTBLOCK)用于紧急情况下接管系统的启动。5.4存储器的扩充及其与CPU的连接5.4.1存储器的扩充1．位数的扩充2．地址的扩充当扩充存储容量时，采用地址串联的方法。用4片16K×8位芯片组成64K×8位存储器用4片16K×8位的存储器芯片（或是经过位扩充的芯片组）组成64K×8位存储器连接线路示意图。5.4.2存储器与CPU的连接1．只读存储器与8086CPU的连接两片2732EPROM与8086系统总线的连接示意图。2．静态RAM与8086CPU的连接只有两片6116组成2K字RAM的子系统3．EPROM、静态RAM与8086CPU连接的实例8086CPU组成的单处理器系统的典型结构。地址分配表5.5内存条技术的发展1．SIMM内存最初出现在80286主板上的“内存条”，采用的是SIMM（SingleIn-lineMemoryModules，单边接触内存模组）接口，容量为30线、256KB，一般见到的30线SIMM都是4条一起使用。

图5.2430线SIMM内存图5.2572线SIMM内存在1988～1990年，PC技术进入32位的386和486时代，推出了72线SIMM内存，它支持32位快速页模式内存。72线SIMM内存单条容量一般为512KB～2MB，要求两条同时使用。5.5内存条技术的发展2．EDODRAM内存外扩充数据模式动态存储器（ExtendedDataOutDRAM，EDODRAM）是1991～1995年之间盛行的内存条，其速度比普通的DRAM快15～30%。工作电压为一般为5V，带宽32位，主要应用在486及早期的Pentium计算机中，需成对使用。3．SDRAM内存自IntelCeleron系列以及AMDK6处理器以及相关的主板芯片组推出后，EDODRAM内存又被SDRAM内存所取代。第一代SDRAM内存为PC66规范，之后有PC100、PC133、PC150(如图所示)等规范。由于SDRAM的带宽为64位，正好对应CPU的64位数据总线宽度，因此它只需要一条内存便可工作。5.5内存条技术的发展4．RambusDRAM内存与SDRAM不同的是，RambusDRAM内存采用了新一代高速简单内存架构，基于RISC（精简指令集计算机）理论，可以减少数据的复杂性，使得整个系统性能得到提高。Intel在推出高频PentiumⅢ以及Pentium4CPU的同时，推出了RambusDRAM内存，它曾一度被认为是Pentium4的绝配。5．DDR内存双倍速率SDRAM（DualDataRateSDRAM，DDRSDRAM）简称DDR，它实际上是SDRAM的升级版本，采用在时钟信号上升沿与下降沿各传输一次数据，这使得DDR的数据传输速度为传统SDRAM的两倍。采用184-PinDIMM的DDR400内存条如图所示。5.5内存条技术的发展6．DDR2内存DDRIISDRAM同样采用在时钟上升/下降沿同时进行数据传输的方式，但DDRII内存拥有两倍于DDR内存预读能力，DDRII内存的引脚数为240针。LGA775接口的915/925以及945等支持DDR2内存。7．DDR3内存DDR3在DDR2基础上采用的新型设计，包括：（1）8bit预取设计（DDR2为4bit预取）。（2）采用点对点的拓朴架构，以减轻地址/命令与控制总线的负担。（3）采用100nm以下的生产工艺，将工作电压从1.8V降至1.5V。面向64位构架的DDR3显然在频率和速度上拥有更多的优势，在功耗方面DDR3也要出色得多。5.6外部存储器硬盘是计算机最重要的外部存储设备，包括操作系统在内的各种软件、程序、数据都需要保存在硬盘上，其性能直接影响计算机的整体性能。光盘存储技术是采用磁盘以来最重要的新型数据存储技术，它具有容量大、工作稳定可靠以及耐用性强等优良性能，特别适合于多媒体应用技术发展的需要。5.6.1硬盘硬盘的核心部件被密封在净化腔体内，控制电路及外围电路布置在硬盘背面的一块电路板上，主要是控制硬盘读写数据及硬盘与计算机之间的数据传输。电路板上的芯片有主控芯片、缓存芯片等。常见的硬盘接口有两种，分别是IDE接口和SATA接口。1.硬盘的组成硬盘内部的主要组成部件有记录数据的磁头、刚性磁片、马达及定位系统、电子线路、接口等。1）硬盘的磁头硬盘磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头”、“MIG（MetalInGAP）磁头”和“薄膜磁头”、MR磁头（MagnetoResistiveHeads，即磁阻磁头）等几个阶段。此外，技术更为创新的是采用多层结构，用磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（GiantMagnetoResistiveHeads）已经在2000年问世。2）硬盘的磁盘硬盘内部是由金属磁盘组成的，分为单碟、双碟与多碟。3）硬盘的马达硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的数据所在的扇区带到磁头下方，马达的转速越快，等待存取记录的时间也就越短。2.硬盘的分类按接口类型，可将硬盘分为IDE硬盘、SATA硬盘和SCSI硬盘。1）IDE硬盘IDE硬盘曾广泛使用。通过专用的数据线（40芯IDE排线）与主板的IDE接口相连。

图5.30IDE接口硬盘、数据线与主板上的IDE接口式样2.硬盘的分类2）SATA硬盘SATA（SerialATA）接口的硬盘又叫串口硬盘，是主流的硬盘接口。在传输方式上，SATA比PATA先进，提高了数据传输的可靠性，还具有结构简单、支持热插拔的优点。

图5.31SATA硬盘接口、数据线与主板上的SATA接口式样3）SCSI硬盘SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型计算机系统接口）接口是一种广泛应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI硬盘通过SCSI扩展卡与计算机连接。3.硬盘的几个主要参数1）单碟容量单碟容量是硬盘重要的参数之一，单碟容量越大技术越先进。硬盘容量等于单碟容量之和，主流的硬盘容量为320GB、500GB等。2）硬盘的转速硬盘内主轴的转动速度快慢是决定硬盘内部传输率的关键因素之一。较高的转速可以缩短硬盘的平均寻道时间。台式机硬盘有5400RPM（转/分钟）和7200RPM（转/分钟）两种转速。3）硬盘的传输速率IDE接口硬盘的传输速率分别为66MB/s、100MB/s、133MB/s；SATA1.0的传输速率为150MB/s，SATA2.0的传输速率为300MB/s。4）缓存容量硬盘缓存的大小与速度是直接关系到硬盘的传输速度的重要因素，较大的缓存可提高硬盘整体性能。主流硬盘的缓存容量为8MB、16MB等，一些高端产品的缓存容量甚至达到了64MB。5）平均寻道时间平均寻道时间由转速、单碟容量等多个因素决定，一般来说，硬盘的转速越高，单碟容量越大，其平均寻道时间就越短。5.6.2光盘驱动器1．光盘驱动器的分类按照读取方式和读取光盘类型的不同，可将光盘驱动器分为CD-ROM、DVD-ROM和刻录机三种。1）CD-ROM只读光盘驱动器CD-ROM，可读取CD和VCD两种格式的光盘，已逐渐停止生产。2．DVD-ROMDVD-ROM既可读CD光盘，也可读DVD光盘，已成为主流的只读光盘驱动器。3．刻录机刻录机可以分为CD刻录机、DVD刻录机以及COMBO。（1）CD刻录机，可读取和写入CD光盘。可写入数据的光盘有CD-R和CD-RW。（2）DVD刻录机，不仅可读取DVD光盘，还可将数据刻录到DVD或CD光盘中，是主流产品。（3）COMBO刻录机，它与DVD刻录机的最大不同在于：COMBO只能刻录CD光盘，而无法刻录DVD光盘。2．光驱的倍速1）刻录数度（1）CD刻录速度CD刻录速度是指该光储产品所支持的最大的CD-R刻录倍速。主流内置式CD-RW产品能达到52倍速的刻录速度；外置式的CD-RW刻录机有48倍速和52倍速等。（2）DVD刻录速度DVD刻录速度和刻录品质是购买DVD刻录机的首要因素，购买时，尽可能选择高倍速且刻录品质较好的DVD刻录机。2）读取速度（1）CD读取速度，是指光存储产品在读取CD-ROM光盘时，所能达