第4章 存储器系统

无雨制作1第4章存储器系统一、存储器分类A、按与CPU的连接和功能分类：A、主存储器（主存、内存）B、辅助存储器（辅存、外存）C、高速缓存（Cache）B、按存取方式分类：A、随机存取存储器（RAM）：可读可写B、只读存储器（ROM）：只能读不能写二、主存的组成与操作A、（1）存储元件（存储元、存储位）能够存储一位二进制信息的物理器件。存储元是存储器中最小的存储单位。（2）作为存储元的条件：①有两个稳定状态，对应二进制的“0”、“1”。②在外界的激励下，可写入“0”、“1”。③能够识别器件当前的状态。即可读出所存的“0”、“1”。B、存储单元由一组存储元件组成，可以同时进行读写。C、存储体（存储阵列）把大量存储单元电路按一定形式排列起来，即构成存储体。存储体一般排列成阵列形式，所以又称存储阵列。D、存储单元的编址①按字节编址：相邻的两个单元是两个字节。②按字编址：相邻的两个单元是两个字。三、主存的基本组成四、主存与CPU的连接及主存的操作无雨制作2五、存储器的主要性能指标1．存储容量：存储容量的表示：①在以字节为编址单位的机器中，常用字节表示存储容量。例如：4MB表示主存可容纳4兆个字节信息。②对于存储器芯片，用存储单元数×每个单元的位数表示。例如：512k×16位，表示主存有512k个单元，每个单元为16位。2．存储容量的主要计量单位：1K=10241M=1024K=2201G=1024M=2303．容量与存储器地址线的关系:1K=210需要10根地址线1M=220需要20根地址线256M=228需要28根地址线六、存储器系统的层次结构1、存储器系统的多级层次结构通常由三级存储器组成，即：Cache——主存——辅存2、三级存储层次结构3、多级存储层次结构七、静态RAM的工作原理及芯片结构1、SRAM存储器芯片结构（1）字片式结构的存储器芯片访存地址仅进行一个方向译码。又称为单译码方式或一维译码方式。（2）位片式结构的存储器芯片2、刷新:SRAM是靠__触发器电路__存储信息的，所存的信息表现为双稳态电路的电平，所以不需要刷新。DRAM是靠___电容__存储信息的，所存信息表现为电容上的电荷。由于电路中存在无雨制作3一定的漏电流，致使电容慢慢放电，导致所存信息丢失。因此必须在电容放电到一定程度前，重新写入信息，这一过程称为刷新。3、DRAM刷新方式①集中式刷新②分散式刷新③异步式刷新4、刷新最大周期设存储电容为C，其两端电压为u，电荷Q＝C•u，则泄漏电流为：tuCtQI∴刷新间隔为:IuCt若C＝0.2pf，△u＝1V，I＝0.1nA，则刷新间隔为2ms100.11102.0t9-12△t就是刷新最大间隔，即刷新最大周期。八、半导体只读存储器(ROM)1、所需的芯片数量：单元位数每片芯片单元数单元位数存储器总单元数芯片总片数＝//例：用2114芯片(1K×4位)组成32K×8位的存储器，所需芯片数为：（片）＝位位644K1832K2、如何把许多芯片连接起来A、通常存储器芯片在单元数和位数方面都与实际存储器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向两个方面进行扩展。B、按扩展方向可分为：位扩展、字扩展、字和位同时扩展。（1）位扩展的连接方法：①将各存储器芯片的地址线、片选线和读/写线并联。②将各存储器芯片的数据线分别接到数据总线的对应位上。例：用2114芯片构成1K×8位的存储器。…A0A9WECS2114…I/O1I/O4未选中×1读10写00操作结果：DD……D0479AA0•••21142114CSWE无雨制作4（2）字扩展的连接方式：①将所有芯片的地址线、数据线、读/写控制线并联。②由片选信号区分被选芯片。各芯片的片选信号分别接到存储器高位地址译码器的输出端的相应位上。例：用16K×8位的芯片构成64K×8位的存储器，并写出各芯片的地址范围。结果：WEA12A13A0...D7D0…A15A14CS0CS1CS2CS3片选译码…………16K×816K×816K×816K×8…………分析：64K×8位的存储器需要16位地址线A15～A0，而16K×8位的芯片的片内地址线为14根，所以用16位地址线中的低14位A13～A0进行片内寻址，高两位地址A15、A14用于选择芯片，即选片寻址。设存储器从0000H开始连续编址，则四块芯片的地址分配：第一片地址范围为：0000H～3FFFH第二片地址范围为：4000H～7FFFH第三片地址范围为：8000H～BFFFH第四片地址范围为：C000H～FFFFH（3）字和位同时扩展的连接方式：①所有芯片的片内地址线、读/写控制线并联。②不同地址区域内（组间），同一位芯片的数据线对应地并接在一起，连接到数据总线的对应位上。不同位芯片的数据线分别连接到数据总线的不同位上。③同一地址区域内（组内），不同芯片的片选信号连在一起，接到片选译码器的同一输出端；不同地址区域内的芯片的片选信号分别接到片选译码器的不同输出端。例：用2114(1K×4位)芯片构成4K×8位的存储器。结果：WEA8A9A0...D7D0…A11A10CS0CS1CS2CS3片选译码……………………1K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4无雨制作5例1:用512K*1位的存储器芯片构成2MB的存储器(存储器按字节编址)，则共需选_32_块芯片。在这些芯片中，其中_32_块芯片的A1地址线应对应地接在一起；_32_块芯片的读写控制线应接在一起；每_8_块芯片的片选信号线应接在一起；每_4_块芯片的数据输入线DIN应接在一起。该存储器地址总线至少_21_位，其中_2_位用于选片寻址，_19_位用于片内寻址。若存储器按芯片容量划分若干个地址区域且从0连续编址，则第一个地址区域的最后一个地址为__07FFFF__H，最后一个地址区域的第一个地址为_180000_H。该存储器应选择具有_2_个输入_4_个输出的译码器用于选片，一个输出端控制_8_块芯片的片选信号。例2:用256K*1位的存储器芯片构成16MB的存储器(存储器按字节编址)，则共需选512块芯片。在这些芯片中，其中512块芯片的A1地址线应对应地接在一起；512块芯片的读写控制线应接在一起；每8块芯片的片选信号线应接在一起；每64块芯片的数据输入线DIN应接在一起。该存储器地址总线至少24位，其中6位用于选片寻址，18位用于片内寻址。若存储器按芯片容量划分若干个地址区域且从0连续编址，则第一个地址区域的最后一个地址为03FFFFH，最后一个地址区域的第一个地址为FC0000H。该存储器应选择具有6个输入64个输出的译码器用于选片，一个输出端控制8块芯片的片选信号。例3:某微机系统有16根地址线，8根数据线，地址空间安排为：16KB系统程序存储区，用ROM芯片，安排在地址最低区；接着留出16KB的设备地址空间；其后的32KB作为用户程序区，采用RAM芯片。给定芯片如下，请画出连线图，给出各存储区的地址范围。ROM区：16K×8位，需1片16K×8位ROM芯片RAM区：32K×8位，需2片16K×8位RAM芯片I/O区：16K×8位，主存不应使用A15A14A13A12………A2A1A0000000000000000000111111111111110000H～3FFFHROM区010000000000000001111111111111114000H～7FFFHI/O区100000000000000010111111111111118000H～BFFFHRAM区111000000000000001111111111111111C000H～FFFFHRAM区2RDWRCS…A0A13CSDE…A0A13RAMROMD7～D0D7～D0无雨制作6八、辅助存储器1、辅存主要有磁表面存储器和光存储器两类。2、磁表面存储器存储信息的原理①记录介质:磁层②基本原理:电磁转换。利用磁性材料在不同方向的磁场作用下，形成的两种稳定的剩磁状态来记录信息。③读写元件:磁头是由高导磁率的材料制成的电磁铁，磁头上绕有读写线圈，可以通过不同方向的电流。3、磁记录方式①归零制（RZ）若写入“1”，则加正向写入脉冲；若写入“0”，则加负向写入脉冲。每写完一位信息，电流归零。②不归零制（NRZ）若写入“1”，则加正向写入脉冲；若写入“0”，则加负向写入脉冲。写完一位信息后，电流不归零。③不归零—1制（NRZ—1）若写入“1”，则写入电流改变一次方向；若写入0”，则写入电流方向维持不变。不归零—1制也称为见1就翻的不归零制。④调相制（PM）A、若写入“1”，则在一个写入周期中间使写入电流从正变负（或相反）；若写入“0”，则在一个写入周期中间使写入电流从负变正（或相反）。B、若连续写多个“0”或多个“1”，则在两个位周期交界处，写入电流改变一次方向。⑤调频制（FM）A、若写入“1”，则在一个写入周期中间使写入电流改变一次方向（不管原方向如何）；若写入“0”，则在一个写入周期中保持写入电流方向不变。B、不论写“0”还是写“1”，在两个位周期交界处，写入电流均改变一次方向。⑥改进调频制（MFM）A、若写入“1”，则在一个写入周期中间使写入电流改变一次方向（不管原来方向如何）；若写入“0”，则在一个写入周期中保持写入电流方向不变。B、若连续写多个“0”，则在两个“0”的位周期交界处，写入电流改变一次方向。注：结论:写入线圈上的电流取决于磁记录方式和所要记录的信息。九、磁记录方式的主要评价标准1、自同步能力：A、从读出的脉冲信号序列中提取同步时钟信号的能力。同步能力的大小可以用R来衡量。B、R=最小磁化翻转间隔/最大磁化翻转间隔比值R越大，自同步能力越强。2、编码效率A、指每次磁层磁化翻转所存储信息的位数。B、编码效率η=位密度/最大磁化翻转密度η也说明了记录一位信息的最大磁化翻转次数。十、磁盘存储器无雨制作71、磁盘的分类A、按盘片材料分硬盘：载体是金属，容量大，速度快。软盘：载体是塑料，对环境要求低，价格低。B、按磁头与盘组分固定头可卸盘组磁头固定，每磁道一个磁头，环境要求高，没有磁头运动，速度快。固定头固定盘组活动头可卸盘组每个盘片一个磁头，需运动寻道，结构简单，成本低。活动头固定盘组2、记录面（盘面）：磁盘片表面称为记录面。盘片的上下两面都能记录信息。磁道：记录面上一系列同心圆。每个盘片表面通常有几十到几百个磁道。磁道的编址：从外向内依次编号，最外一个同心圆叫0磁道，最里面的一个同心圆叫n磁道，n磁道里面的圆面积不用来记录信息。柱面（圆柱面）：n个面上位于同一半径的磁道形成一个圆柱面。磁盘组的圆柱面数等于一个盘面的磁道数。在读/写过程中，各个盘面的磁头总是处于同一个圆柱面上。存取信息时，可按圆柱面顺序地进行操作。扇区：将盘面沿垂直于磁道的方向划分成若干个扇区。扇区的编号方法：可以连续编号，也可间隔编号。扇段：每条磁道在扇区内的部分称为扇段，每个扇段存储等量的信息。扇段是磁盘信息的基本单位。由于各条磁道的半径不同，各条磁道的存储密度不同。外圈存储密度低，内圈存储密度高。扇段的记录格式：磁盘存储器的每个扇段记录定长的数据，读/写操作是以扇段为单位一位一位串行进行的。每一个扇段记录一个记录块。例：磁盘组有6片磁盘，每片有两个记录面，最上最下两个面不用。存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层位密度400位/cm，转速2400转/分，平均寻道时间为10ms。问：(1)共有多少柱面?(2)盘组总存储容量是多少？(3)数据传输率多少?(4)平均寻址时间是多少？(5)采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么?寻址命令中如何表示磁盘地址?(6)如果某文件长度超过一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上?解：(1)共有多少柱面?有效存储区域＝16.5－11＝5.5(cm)因为道密度＝40道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即220个圆柱面。(2)盘组总存储容量是多少？内层磁道周长为2πR＝2