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1、1,4.1 微型计算机存储器 4.2 主存储器 4.3 外部存储器 4.4 虚拟存储器,第4章 微型计算机存储器系统,2,主要内容,微型计算机存储器系统的构成 存储器的主要技术指标 组成主存储器的各种半导体存储器、cache 常用辅助存储器及其接口 虚拟存储器,3,学习目标,理解并掌握微机存储器系统的构成和主要技术指标 了解半导体存储器、cache、辅助存储器的组成和虚拟存储器的基本概念,5,4.1.1 微机存储器系统, 存储器一般指存储信息的硬件器件，存储器系统是指由各具特色、不同类型的存储器构成相互依存、相互支持的多个层次，以及与此相关的软、硬件。单一品种的存储器不能同时满足计算机系统的各
2、项要求，而存储器系统可以较好地做到统筹兼顾，充分发挥整体优势。微机存储器系统的构成如图4-1所示。它主要由主存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器以及管理这些存储器的硬件和软件组成。,6,4-1 微机存储器系统的组成,7,主存储器通常安装在主板上，又称为内部存储器，如图4-2所示。主存能直接和CPU交换信息，存放当前正在运行中的程序和数据。微机的主存由半导体存储器RAM和ROM组成，目前装机容量一般为256MB1GB。,图4-2 主存储器,返回,8,辅助存储器又称外存储器，其特点是容量大、造价低，多用于存放当前不直接参与运行的程序和数据及系统程序。外存储器主要有两种：一种是磁表面存储器；包括软盘和
3、硬盘存储器；另一种是光盘存储器。目前，U盘(一种半导体存储器)作为移动存储器已取代了软盘。 高速缓冲存储器cache是介于CPU和主存之间的一个容量小，但速度接近于CPU的存储器，一般集成在CPU内部。 在微机运行中，从主存读写数据的速度远远跟不上CPU运行速度。为此，将一段当前使用频繁的程序和数据存放在cache中，当CPU需要从主存中读出程序和数据时，可同时访问主存和cache，如果所需要的内容恰好在cache中，则CPU可很快获得，否则再从主存中读取。当CPU发现cache中已不再是最活跃的信息时，就将内容更换，将主存中另一段当前活跃的程序和数据调入高速缓存。这样，CPU直接访问的存储空
4、间，可以像主存那样大的容量，而读写速度接近于CPU。,9,4.1.2 主要技术指标,微机存储器的主要技术指标包括存储容量、存取周期、可靠性和性价比。 1.存储容量 存储容量是存储器可以存储的二进制信息的数量。单位为B、KB、MB、GB。 对于按字节编址的存储器而言，存储器存储单元的多少或一个机器的存储空间的大小，可以由其地址码的位数确定。 n位地址码的存储器最大可编址2个存储单元，其容量为2B，如32位微机有32位地址码，存储器容量可支持4GB，但目前实际装机容量为2561024MB。,10,2.存取周期 存取周期是指存储器完成一次读/写操作所需要的时间。若设存储器总线宽度为W(B)，周期时间
5、为Tc(s)，则数据传输率为W/Tc(B/s)，表示每秒钟存储器能并行传输多少个字节。对于32位机，若Tc=200ns，则存储器数据传输率可达20MB/s。 注：1秒(s)=1,000,000,000纳秒(ns) 3.可靠性 一般使用平均无故障间隔时间MTBF来衡量。MTBF为两次故障之间的平均间隔时间。MTBF越长，可靠性越高。若Ti为第i次无故障间隔时间，N为故障数，则 4.性价比 性价比是一个综合指标。性能是指存储容量、存取周期和可靠性；价格指存储器的总造价。,MTBF=,11,4.2 主存储器,微机中主存储器由半导体存储器组成。半导体存储器的分类如图4-3,图4-3 半导体存储器的分类
6、,12,双极性RAM：即是用双极性半导体电路作为记忆元件的RAM，其主要特点是存储速度快，与MOS型RAM相比，其集成度低、功耗大而且价格也较高。主要用于要求存取速度高的微型计算机中。 MOS型RAM：金属氧化物半导体电路作为记忆元件的RAM，其集成度低、功耗低、速度较快。 静态RAM：其存储单元所存储的信息不需要刷新。 动态RAM：其存储单元所存储的信息需要定时刷新。 掩膜 ROM：这种ROM是芯片制造商根据ROM要存储的信息，设计固定的半导体掩膜板进行生产，一旦掩膜做好，其存储的信息就固定了。 可编程ROM：用户可根据需要写入信息，内容一旦写入，就不能修改。 可擦除的PROM：其写入的信息
7、可以长久保存，当程序需要更改时，又可以将其全部擦除，重新写入。 电可擦除的PROM：不仅提供全片擦除功能，还可以字节为单位进行擦除和改写。,13,4.2.1 随机存取存储器,RAM是一种既能写入又能读出的存储器。RAM只能在电源电压正常时工作，一旦断电，RAM内的信息便完全丢失。 1.SRAM SRAM的基本存储电路是利用双稳态电路的某一种稳定状态表示二进制信息的。其基本存储单元是双稳态触发器，每一个单元存放一位二进制信息。双稳态电路是一种平衡的电路结构，不管处于什么状态，只要不给它加入新的触发，不掉电，它的稳定状态将保持下去。故所存的信息不需要刷新。 SRAM的存取速度很快，多用于要求高速存
8、取的场合，例如，高速缓冲存储器。 常用的SRAM芯片有6264、62256和628128等。如6264引脚图如图4-4，SRAM与CPU的连接如图4-5所示。AoAn为地址总线，DoDn为数据总线， 为片选信号， 为写控制信号， 为读控制信号。,14,图4-4 SRAM6264引脚图,15,图4-5 SRAM与CPU的连接,16,2.DRAM DRAM是一种以电荷形式来存储信息的半导体存储器。它的每一位存储单元是由电容器C及控制它充放电的MOS电路组成的。充电成高电位后表示“1”，放电后表示“0”。但由于电容存在漏电现象，故必须定时刷新，对DRAM进行充电。 DRAM以其速度快、集成度高、功耗
9、小、价格低在微型计算机中得到极其广泛的使用。 为配合不同的用途，DRAM有多种规格的DRAM芯片。如DRAM2164的引脚配置如图4-6 A0A7为地址输入端。 Din和Dout是芯片上的数据线。 为行地址锁存信号。 为列地址锁存信号。 为写允许信号。,17,图4-6 DRAM2164引线图,18,DRAM的使用方法如图4-7。CPU对存储器进行读写时，首先在地址总线上给出地址信号，然后发出相应的读写控制信号，最后在数据总线上进行数据操作。（LS158：多路器，LS245：总线缓冲器） 目前，Pentium微机均采用封装形式的动态RAM，即习惯上所说的RAM条。实际上，RAM条是由数片塑封的动
10、态RAM芯片组合而成的厚膜电路。如图4-2,19,图4-7 DRAM读写简化电路,20,4.2.2 只读存储器 ROM是一种只能读出而不能写入的存储器，通常用来存放那些固定不变的，不需要修改的程序。例如，PC机中的BIOS(基本输入输出系统)。ROM必须在电源电压正常时才能工作，但断电之后，其中存储的信息并不丢失，一旦通电，它又能正常工作，提供信息。 1.掩膜ROM(MROM) MROM芯片在制作掩膜板的时候，将所存的信息编排在内；一旦掩膜做好，其存储的信息就固定了。 2.可编程ROM(PROM) PROM是一种可编程的只读存储器，便于用户根据自己的需要来写入信息，这种ROM一般用二极管矩阵组
11、成。图4-8是一种熔断型PROM，表示在晶体管基极不加脉冲时，发射极由镍丝接到列线输出为“1”(或“0”)；在基极加入信号后，熔断镍丝，输出变为“0”(或“1”)。这样就实现了永久性编程。内容一旦写入，就不能修改。,21,图 4 8 可编程ROM原理示意图 (a) 编程前； (b) 编程后,22,3.可擦除可编程的只读存储器EPROM(Erasable PROM),EPROM是一种可用紫外线擦除, 允许用户多次写入信息的只读存储器, 目前广泛使用的EPROM是用浮动栅雪崩注入型MOS管构成, 叫FAMOS型EPROM。 写入方法：平时,浮动栅上不带电荷, 源极S与漏极D之间没有导电沟道, 处于
12、关闭状态, 表示存储的是“1”信息; 当需要写 “0”时，需在源、漏极之间加上高电压（如+25V）和编程脉冲, 此时, 源、漏极间被瞬间击穿，在PN结处集聚大量电子，这些电子通过绝缘层注入到浮动栅上，使浮动栅带负电，浮动栅上的负电荷在氧化层下面感应出正电荷迫使管子导通，表示存储的是“0”信息。高压撤除后，因浮动栅被二氧化硅绝缘层所包围，浮动栅上的电子,无处泄漏，管子仍保持导通状态，使存储的“0”信息保持不变。,23,擦除方法: 用紫外线光对准芯片上的圆形石英窗口(相距3cm), 用一定波长的紫外线灯照射1025分钟(时间随芯片的容量和紫外线光照射强度定)。用紫外线擦除信息的EPROM, 也叫U
13、VEPROM, UV是英语“紫外线”的简称。 不足之处: 一是紫外线擦除信息需很长时间; 二是改写必需脱机进行; 三是采用全片擦除的方法, 即不能单独擦除或重写个别存储单元。,4.电可擦可编程只读存储器EEPROM(Electrically Erasable PROM),EEPROM是电可擦只读存储器,允许用户多次写入信息。与EPROM的最大区别是它的擦除和写入操作都在联机条件下进行, 可方便地对它进行字节擦除、页擦除和整体的擦除。,24,4.2.3 高速缓冲存储器,高速缓存(Cache)是一种介于CPU和主存之间的存储容量较小而存取速度却较高的一种存储器。Cache技术在一定程度上解决了较高
14、的CPU处理速度和较低的内存读取速度之间的矛盾。 因为CPU速度较快，而内存速度相对较慢。在CPU对内存读写数据时，如果内存速度达不到CPU速度的要求，CPU将不得不在一个总线周期内停下来(插入一个或几个等待状态)，即CPU处于等待状态。要使CPU工作在没有等待的状态下，势必要求采用高速存储器，而高速存储器价格是普通内存的10倍，当存储容量足够大时，仅内存芯片的价格就有可能超过整机价格。所以，为了解决内存速度不能满足CPU速度要求从而影响系统性能的矛盾，选择了这样一种解决方案，即在CPU和内存之间设计了一个容量较小，但相对来说速度很快的高速缓存(cache)。,25,cache是用静态RAM做
15、的，不需刷新，存取速度快，存放的是最频繁使用的指令和数据。CPU存取指令和数据时，先访问cache，如果欲存取的内容已在cache中(称为命中)，CPU直接从cache中读取这个内容；否则，CPU再到主存(DRAM)中读取并同时将读取信息存入cache。Cache的工作原理如图4-10,图4-10 cache的工作原理,26,现代微机中的cache存储器一般分成两部分，它们的功能基本相同。其中的一部分直接集成在CPU内部，称为一级cache(一级缓存)，其存取速度快，离CPU近，但由于芯片内集成SRAM的成本高等原因，一级缓存不可能做得很大。 为了扩充cache容量，就在芯片外又设计了二级ca
16、che(二级缓存)。二级缓存容量较大，如现行奔腾机的二级cache容量为256KB或512KB，而一级cache容量为16KB，分为指令cache和数据cache，各占8KB。,27,4.3 外部存储器,外部存储器(简称外存)是主存储器的后备和补充, 用于存放当前不需立即使用的程序和数据, 是主机的外部设备, 又称辅助存储器。特点是容量大、成本低, 但速度较内存慢得多，在断电后仍能保存信息, 是非易失性存储器。外存主要有磁盘和光盘，磁盘分为硬盘和软盘，目前，U盘已普遍取代了软盘。 4.3.1 软盘存储器 软盘存储器即软盘驱动器，又称软驱。 软盘驱动器是由盘片驱动系统、磁头定位系统、数据读写电路系统和状态检测系统等四部分组成。,28,4.3.2 硬盘存储器,1.硬盘的概念 硬盘即硬盘驱动器，如图4-11所示，由于它体积小、容量大、速度快、使用方便，已成为PC机的标准配置。它以质地坚硬的铝合金作为盘基（故由此得名），盘面敷有磁性记录层，磁粉呈不连续颗粒状。 目前，大多数微机上安装的硬盘，由于采用
