计算机存储系统(课件)

第四章存储系统计算机的存储系统计算机的存储系统一般由高速缓存、内存、和外存三级构成.CPUCACHE主存（内存）辅存（外存）存储器的分类按存储器与CPU的连接：缓存、内存、和外存。按存储介质：半导体存储器、磁存储器、光存储器。按存取方式：随机存储器、顺序存储器。按信息的可保存性：随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）存储器的主要性能指标存储容量速度价格其他：如可靠性、访问方式、信息存储的永久性等。内存、外存内存——存放当前运行的程序和数据。特点：快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。通常由半导体存储器构成:RAM、ROM外存——存放非当前使用的程序和数据。特点：慢，容量大，顺序存取/块存取。需调入内存后CPU才能访问。通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、固态盘半导体存储器的分类半导体存储器只读存储器（ROM）随机存取存储器（RAM）静态RAM（SRAM）动态RAM（DRAM）掩膜式ROM一次性可编程ROM（PROM）紫外线擦除可编程ROM（EPROM）电擦除可编程ROM（EEPROM）半导体存储器的分类随机存取存储器静态RAM(staticrandomaccessmemory)动态RAM(dynamicrandomaccessmemory)只读存储器掩膜式ROM(readonlymemory)可编程ROM(PROM,ProgrammableROM)可擦除的PROM（EPROM，ErasableProgrammableROM）

电可擦除的PROM（E2PROM，ElectricallyErasableProgrammableROM）随机存取存储器静态RAM（SRAM)基本的存储电路静态存储器SRAM特点：用双稳态触发器存储信息。速度快（<5ns），不需刷新，外围电路比较简单，但集成度低（存储容量小，约1Mbit/片），功耗大。在PC机中，SRAM被广泛地用作高速缓冲存储器Cache。对容量为M*N的SRAM芯片，其地址线数=㏒2M；数据线数=N。反之，若SRAM芯片的地址线数为K，则可以推断其单元数为2K个。SRAM芯片2114存储容量为1024×418个引脚：10根地址线A9～A04根数据线I/O4～I/O1片选CS*读写WE*123456789181716151413121110VccA7A8A9I/O1I/O2I/O3I/O4WE*A6A5A4A3A0A1A2CS*GND5.1.2半导体存储器芯片的结构地址寄存地址译码存储体控制电路AB数据寄存读写电路DBOEWECS①存储体存储器芯片的主要部分，用来存储信息②地址译码电路根据输入的地址编码来选中芯片内某个特定的存储单元③

片选和读写控制逻辑选中存储芯片，控制读写操作①存储体每个存储单元具有一个唯一的地址，可存储1位（位片结构）或多位（字片结构）二进制数据存储容量与地址、数据线个数有关：芯片的存储容量＝2M×N＝存储单元数×存储单元的位数

M：芯片的地址线根数

N：芯片的数据线根数

②地址译码电路译码器A5A4A3A2A1A06301存储单元64个单元行译码A2A1A0710列译码A3A4A501764个单元单译码双译码单译码结构双译码结构双译码可简化芯片设计主要采用的译码结构③片选和读写控制逻辑片选端CS*或CE*有效时，可以对该芯片进行读写操作输出OE*控制读操作。有效时，芯片内数据输出该控制端对应系统的读控制线写WE*控制写操作。有效时，数据进入芯片中该控制端对应系统的写控制线SRAM2114的功能工作方式CS*WE*I/O4～I/O1未选中读操作写操作100×10高阻输出输入SRAM2114的读周期数据地址TCXTODTTOHATRCTATCODOUTWECSTA读取时间从读取命令发出到数据稳定出现的时间给出地址到数据出现在外部总线上TRC读取周期两次读取存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间SRAM2114的写周期TWCTWRTAW数据地址TDTWTWDOUT

DINTDWTDHWECSTW写入时间从写入命令发出到数据进入存储单元的时间写信号有效时间TWC写入周期两次写入存储器所允许的最小时间间隔有效地址维持的时间SRAM芯片6264存储容量为8K×828个引脚：13根地址线A12～A08根数据线D7～D0片选CS1*、CS2读写WE*、OE*+5VWE*CS2A8A9A11OE*A10CS1*D7D6D5D4D3NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0D0D1D2GND12345678910111213142827262524232221201918171615SRAM6264的功能工作方式CS1*CS2WE*OE*D7～D0未选中未选中读操作写操作1×00×011××10××01高阻高阻输出输入随机存取存储器动态RAM（DRAM)单管动态存储电路

DRAM特点：DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息的，由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新），所以动态RAM需要设置刷新电路，相应外围电路就较为复杂。刷新定时间隔一般为几微秒～几毫秒DRAM的特点是集成度高（存储容量大，可达1Gbit/片以上），功耗低，但速度慢（10ns左右），需要刷新。DRAM在微机中应用非常广泛，如微机中的内存条（主存）、显卡上的显示存储器几乎都是用DRAM制造的。常见DRAM的种类：SDRAM（SynchronousDRAM）——它在1个CPU时钟周期内可完成数据的访问和刷新，即可与CPU的时钟同步工作。SDRAM的工作频率目前最大可达150MHz，存取时间约为5～10ns，最大数据率为150MB/s，是当前微机中流行的标准内存类型。RDRAM（RambusDRAM）——是由Rambus公司所开发的高速DRAM。其最大数据率可达1.6GB/s。DDRDRAM（DoubleDataRateDRAM）——是对SDRAM的改进，它在时钟的上升沿和下降沿都可以传送数据，其数据率可达200-800MB/s。主要应用在主板和高速显示卡上。RAM的3个特性：1）可读可写，非破坏性读出，写入时覆盖原内容。2）随机存取，存取任一单元所需的时间相同。3）易失性（或挥发性）。当断电后，存储器中的内容立即消失。随机存取存储器64K位动态RAM存储器

芯片2164A的容量为64K×1位，即片内共有64K（65536）个地址单元，

每个地址单元存放一位数据。需要16条地址线，地址线分为两部分：行地址与列地址。芯片的地址引线只要8条，内部设有地址锁存器，利用多路开关，由行地址选通信号变低（RowAddressStrobe），把先出现的8位地址，送至行地址锁存器；由随后出现的列地址选通信号（ColumnAddressStrobe）把后出现的8位地址送至列地址锁存器。这8条地址线也用于刷新（刷新时地址计数，实现一行行刷新）。DRAM芯片2164存储容量为64K×116个引脚：8根地址线A7～A01根数据输入线DIN1根数据输出线DOUT行地址选通RAS*列地址选通CAS*读写控制WE*NCDINWE*RAS*A0A2A1GNDVSSCAS*DOUTA6A3A4A5A712345678161514131211109DRAM2164的读周期DOUT地址TCACTRACTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRASTRC行地址列地址WECASRAS存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址，CAS*相当于片选信号读写信号WE*读有效数据从DOUT引脚输出DRAM2164的写周期TWCSTDS列地址行地址地址

TDHTWRTCAHTASCTASRTRAHTCASTRCDTRCTRASDINWECASRAS存储地址需要分两批传送行地址选通信号RAS*有效，开始传送行地址随后，列地址选通信号CAS*有效，传送列地址读写信号WE*写有效数据从DIN引脚进入存储单元DRAM2164的刷新TRCTCRPTRAS高阻TASRTRAH行地址地址DINCASRAS采用“仅行地址有效”方法刷新行地址选通RAS*有效，传送行地址列地址选通CAS*无效，没有列地址芯片内部实现一行存储单元的刷新没有数据输入输出存储系统中所有芯片同时进行刷新DRAM必须每隔固定时间就刷新只读存储器

只读存储器ROM，是一种非易失性的半导体存储器件。其中所存放的信息可长期保存，掉电也不会丢失，常被用来保存固定的程序和数据。在一般工作状态下，ROM中的信息只能读出，不能写入。对可编程的ROM芯片，可用特殊方法将信息写入，该过程被称为“编程”。对可擦除的ROM芯片，可采用特殊方法将原来信息擦除，以便再次编程。只读存储器掩膜式ROM

掩膜式ROM一般由生产厂家根据用户要求定制的(有NMOS管或没有代表‘0’和‘1’)。只读存储器可编程的ROM

出厂时，所有存储单元的熔丝都是完好的。编程时，通过字线选中某个晶体管。若准备写入1，则向位线送高电平，此时管子截止，熔丝将被保留；若准备写入0，则向位线送低电平，此时管子导通，控制电流使熔丝烧断。换句话说，所有存储单元出厂时均存放信息1，一旦写入0使熔丝烧断，就不可能再恢复。只读存储器可擦除可编程的ROM（EPROM）

特点：芯片的上方有一个石英玻璃的窗口，通过紫外线照射，芯片电路中的浮空晶栅上的电荷会形成光电流泄漏走，使电路恢复起始状态，从而将写入的信号擦去。

只读存储器可擦除可编程的ROM（EPROM）

典型芯片：

Intel27512

特性：64K×8的EPROM芯片，28脚双列直插式封装，地址线为16条A15～A0，数据线8条O7～O0，带有三态输出缓冲，读出时只需单一的＋5V电源。

只读存储器电可擦除可编程的ROM（E2PROM）

应用特性：（1）对硬件电路没有特殊要求，编程简单。（2）采用＋5V电源擦写的E2PROM，通常不需要设置单独的擦除操作，可在写入过程中自动擦除。（3）E2PROM器件大多是并行总线传输的

只读存储器闪速存储器（FlashMemory）

FlashMemory芯片借用了EPROM结构简单，又吸收了E2PROM电擦除的特点；不但具备RAM的高速性，而且还兼有ROM的非挥发性。同时它还具有可以整块芯片电擦除、耗电低、集成度高、体积小、可靠性高、无需后备电池支持、可重新改写、重复使用性好（至少可反复使用10万次以上）等优点。平均写入速度低于0.1秒。使用它不仅能有效解决外部存储器和内存之间速度上存在的瓶颈问题，而且能保证有极高的读出速度。

FlashMemory芯片抗干扰能力很强。

5.4.1存储芯片与CPU的连接存储芯片的数据线存储芯片的地址线存储芯片的片选端存储芯片的读写控制线CPU与存储器的连接存储器容量扩充技术位扩充当实际存储芯片每个单元的位数和系统需要内存单元字长不等时采用的方法。字扩充当存储芯片上每个存储单元的字长已满足要求，但存储单元的个数不够，需要增加的是存储单元的数量，就称为字扩展。字位扩充需要同时进行位扩充和字扩充才能满足系统存储容量需求的方法称为字位扩充。1.存储芯片数据线的处理若芯片的数据线正好8根：一次可从芯片中访问到8位数据全部数据线与系统的8位数据总线相连若芯片的数据线不足8根：一次不能从一个芯片中访问到8位数据利用多个芯片扩充数据位这个扩充方式简称“位扩充”位扩充2114（1）A9～A0I/O4～I/O1片选D3～D0D7～D4A9～A02114（2）A9～A0I/O4～I/O1CECE多个位扩充的存储芯片的数据线连接于系统数据总线的不同位数其它连接都一样这些芯片应被看作是一个整体常被称为“芯片组”2.存储芯片地址线的连接芯片的地址线通常应全部与系统的低位地址总线相连寻址时，这部分地址的译码是在存储芯片内完成的，我们称为“片内译码”片内译码A9～A0存储芯片000H001H002H…3FDH3FEH3FFH全0全100…0000…0100…10…11…0111…1011…11范围（16进制）A9～A03.存储芯片片选端的译码存储系统常需利用多个存储芯片扩充容量也就是扩充了存储器地址范围进行“地址扩充”，需要利用存储芯片的片选端对多个存储芯片（组）进行寻址这个寻址方法，主要通过将存储芯片的片选端与系统的高位地址线相关联来实现这种扩充简称为“地址扩充”或“字扩充”地址扩充（字扩充）片选端D7～D0A19～A10A9～A0（2）A9～A0D7～D0CE（1）A9～A0D7～D0CE译码器00000000010000000000CPU与存储器的连接存储器芯片片选端的处理线选法地址的高位直接作为各个芯片的片选信号，在寻址时只有一位有效来使片选信号有效的方法称为线选法。部分译码法用部分高位地址进行译码产生片选信号。完全译码法

全部高位地址译码产生片选信号。

线选译码只用少数几根高位地址线进行芯片的译码，且每根(1表示选中,0表示没有选中)负责选中一个芯片（组）虽构成简单，但地址空间严重浪费必然会出现地址重复一个存储地址会对应多个存储单元多个存储单元共用的存储地址不应使用线选译码示例A14A12～A0A13(1)6264(2)6264

CECEA19～

A15A14A13A12～A0一个可用地址12××××××××××1001全0～全1全0～全104000H～05FFFH02000H～03FFFH切记：A14A13＝00的情况不能出现00000H～01FFFH的地址不可使用部分译码只有部分（高位）地址线参与对存储芯片的译码每个存储单元将对应多个地址（地址重复），需要选取一个可用地址可简化译码电路的设计但系统的部分地址空间将被浪费部分译码示例138A17

A16A11～A0A14

A13A12(4)(3)(2)(1)2732273227322732CBAE3E2E1IO/MCECECECEY0Y1Y2Y3A19～

A15A14～

A12A11～A0一个可用地址1234××10×××10×××10×××10×000001010011全0～全1全0～全1全0～全1全0～全120000H～20FFFH21000H～21FFFH22000H～22FFFH23000H～23FFFH全译码所有的系统地址线均参与对存储单元的译码寻址包括低位地址线对芯片内各存储单元的译码寻址（片内译码），高位地址线对存储芯片的译码寻址（片选译码）采用全译码，每个存储单元的地址都是唯一的，不存在地址重复译码电路可能比较复杂、连线也较多全译码示例A15A14A13A16CBAE3138

2764A19A18A17A12～A0CEY6E2E1IO/M1C000H1DFFFH全0全100011100001110地址范围A12～A0A19A18A17A16A15A14A13存储芯片的读写控制芯片OE*与系统的读命令线相连当芯片被选中、且读命令有效时，存储芯片将开放并驱动数据到总线芯片WE*与系统的写命令线相连当芯片被选中、且写命令有效时，允许总线数据写入存储芯片5.4.2存储芯片与CPU的配合存储芯片与CPU总线的连接，还有两个很重要的问题：CPU的总线负载能力CPU能否带动总线上包括存储器在内的连接器件存储芯片与CPU总线时序的配合CPU能否与存储器的存取速度相配合1.总线驱动CPU的总线驱动能力有限单向传送的地址和控制总线，可采用三态锁存器和三态单向驱动器等来加以锁存和驱动双向传送的数据总线，可以采用三态双向驱动器来加以驱动2.时序配合分析存储器的存取速度是否满足CPU总线时序的要求如果不能满足：考虑更换芯片总线周期中插入等待状态TW切记：时序配合是连接中的难点课堂习题若256K的SRAM具有八条数据线，则它具有_______条地址线

某存储器系统中,ROM为10KB,RAM54KB,使用16位地址来寻址.其中ROM位于低地址位置,则其地址范围是___________课堂习题若设某容量为8K字节的RAM芯片起始地址为4000H，则其终止地址为_____________16K*32位的RAM芯片，其引脚的个数至少为__________________设某存储器的地址线为20条，存储单元为字节，采用2K*4位RAM芯片构成该存储器，则该存储器被扩充成最大容量时，需要__________________片该RAM芯片。

外存储器简介

所谓外存储器就是指在微型机之外、通过设备接口连接的存储器。常用的外存储器包括硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、CD-R0M及存储卡等。与内存相比，外存储器的容量非常大，但速度慢。内存中的信息一般不能永久保存，一旦停电，所存储的信息便立即消失。虽然ROM停电后能保存信息，但它只能读出，不能在线写入，只能存放一些相对不变化的信息和数据，如BI0S等。外存储器弥补了这些缺陷，它为计算机提供了大容量、永久性的存储功能。磁记录原理磁记录是以磁介质受外磁场的磁化，当去掉外磁场后仍有介质剩余磁化状态这一性质为基本原理。磁盘机（HDD、FDD）是由介质、读写磁头、读写电路、马达及伺服驱动电路等组成。磁盘的读写原理如图所示写入数据原理当要记录的电流通过线圈时，为了保持磁化强度，记录信号的脉冲需要一个周期内使磁场方向改变一次，当磁头中写电流从正向稳态变为反向稳态时，使记录在介质上的正向饱和磁化强度翻转到反向饱和磁化强度。

读出数据原理及过程读出是写入的逆过程。当磁头与磁介质作相对运动时，由于磁介质与磁头铁芯的缝隙相接触，使铁芯中出现原记录的散磁通，并且在读出线圈两端产生感生电动势。经过读出电路就可还原成读出电流，读出电流的方向、大小正好与原记录信号相同，使原数据信号还原。硬盘的工作原理

硬盘作为一种磁表面存储器，是在非磁性的合金材料表面涂上一层很薄的磁性材料，通过磁层的磁化方向来存储“1”、“0”信息来存储信息。硬盘主要由磁盘和磁头及控制电路组成，信息存储在磁盘上，磁头负责读出或写入并传送到硬盘自带的Cache中.Cache中的数据可以通过硬盘接口与外界进行数据交换。硬盘包括一到数片盘片platters，其一个或两个面surfaces涂有磁性材料用于记录数据。每面有一个读写头read-writehead用于读写数据。盘片有一个共同的轴，典型的旋转速度是每分钟3600转，高性能的硬盘转速可能更高。磁头可沿着盘片的半径移动，磁头移动加上盘片旋转可以使词头存取磁盘表面的任何一个位置。

磁盘表面通常被分为同心圆环，叫磁道tracks，磁道又被分为扇区sectors。用这样分来将磁盘定位，用于为文件定位磁盘空间。要在硬盘上找到给定的位置，可能说"3面5道7扇区"。通常所有磁道有相同的扇区数，但也有硬盘在外圈磁道放较多的扇区(所有扇区用同样大小的物理空间，这样在较长的外圈磁道可以容纳更多的数据)。一般一个扇区容纳512字节数据。磁盘不能处理比一个扇区更小的数据量。每个面以相同的方式分为磁道和扇区。这意味着当一个磁头在某个磁道时，其他磁头也在相应的位置，所有相同位置的磁道组成柱面cylinder。磁头从一个磁道(柱面)移动到另一个需要花时间，所以将经常要在一起存取的数据(如一个文件)放在一个柱面里。这改善了性能。当然不可能完全作到，文件被放在几个相分离的位置叫碎片fragmented。

硬盘容量=柱面数ⅹ磁头数ⅹ扇区数ⅹ每扇区字节数

（每扇区512字节）例如，柱面数为4096，磁头数为16，扇区数为63的硬盘容量为16×4096×63×512＝2.1GB。磁盘的面(或头，实际是一样的)、柱面、扇区数各不相同，硬盘这些数目叫硬盘参数geometry。硬盘参数通常存在一个特定的、由电池供电的存储区中，叫CMOSRAM，操作系统在引导启动或驱动器初始化时可以从那里得到硬盘参数。硬盘的重要的技术指标高速缓存主轴转速平均存取时间：磁盘在读写数据时，磁头从起始位置到达目标位置稳定下来，并从目标位置上找到要读或写的数据的扇区所需要的全部时间。连续无故障时间和平均故障修复时间.光盘随着多媒体技术及应用软件向大型化方向发展，利用软盘作为传播、存储软件及数据的媒体已越来越不能满足用户的需求，人们需要一种高容量、高速度、工作稳定可靠、耐用性强的媒体来取代软盘，这样就诞生了今天的CD-ROM和DVD等产品。现在，CD-ROM已成为微机的标准配置。光盘记录信息的原理

CD-ROM盘片由3层组成：透明的聚碳酸脂塑料衬底和记录信息的铝反射层以及涂漆保护层.。CD-ROM的标准尺寸是外径120mm，内孔直径15mm，厚度为1.2mm。CD-ROM是用铝反射层上的凹坑和非凹坑来存放信息的。聚焦的激光束照射到光盘上，利用凹坑与非凹坑反射强度的差别来读出所存信息。

在CD-ROM上，用凹坑的前后沿表示1，用凹坑和凹坑之间持续长度表示0的个数。见图所示。但是，若把存储的数据直接按此格式记录时就会产生问题，因为若二进制信息中有连续两个以上的1存在时，将无法进行记录。为此需要将要存储的数据进行适当的转换。保护层铝反射层透明衬底读出的光电信号EFM码000100100001000001010005.4光盘记录原理便于在CD-ROM光盘上记录信息的数据编码叫做8-14EFM编码。它是一种将8位二进制数据转换成14位二进制数据的编码。众所周知，8位数据共有256种编码，而14位二进制编码可以构成16384种编码。我们可以从这16384种编码中，找到这样的编码：在两个1之间至少有2个0而又不多于10个0。16384种编码中满足上述要求的共有267种编码，从中去掉不太合适的11种，用余下的256种编码与8位二进制数据的256种编码一一对应，这样就可以构成8位数据和14位EFM码相对应的EFM转换表。在数据编码过程中，通过查找EFM转换表即可将8位数据转换成满足要求的14位EFM码。为了在两个14位通道码结合的位置上也满足上述编码要求，我们在两个EFM码之间再增加3位合并码（000）。例如：8位数据11101000111000l014位通道0001001000001010010001000010加合并码0001001000001000010010001000010最后，将加有合并码的通道位信息写到CD-ROM上，形成前面所提到的凹坑和非凹坑。当数据从CD-ROM上读出时，通过上述过程的逆过程，即可获得原来的数据。光盘及光盘驱动器的技术指标容量，一张CD-ROM盘的标准容量为640MB，也有580MB和700MB规格的。数据传输率，最早的CD-ROM驱动器的数据传输率是150KB/s，一般把这种速率称为1倍速，记为“1X”。数据传输率为300KB/s的CD-ROM驱动器称为2倍速光驱，记为“2X”，依次类推。目前常见的光驱有“36X”、“40X”、“50X”等。目前的光驱速度已不成问题，用户更关心的是光驱的读盘能力，即它的纠错能力。缓冲存储器，缓冲存储器在光驱中内置的