第六章 存储系统 《 计 算 机 组 成 原 理 》精 品 课 程 进 入

主要内容 6.1 存 储 器 的 基 本 概 念 6.2 半 导 体 存 储 器 6.3 主 存 储 器 与 CPU 的 连 接 6.4 提 高 存 储 器 性 能 的 方 法 6.5 辅 助 存 储 器

6.1 存储器的基本概念 根据存储器件的性能及使用方法不同，常用的有三种分类: 1.按存储方式分类 6.1.1 存储器分类 根据存储器件的性能及使用方法不同，常用的有三种分类: 1.按存储方式分类 (1）顺序存储器（SAM）：这类存储器特点是只能按某种顺序来存取，存取时间和存储单元的物理位置有关。磁带存储器就属于顺序的存储器，它的存储容量大，但存取速度慢。 (2）随机存储器（RAM）：这类存储器的特点是CPU在任一时刻都可按地址访问其任一个存储单元，且存取时间和存储单元的物理位置无关，都是一个存取周期。半导体存储器通常都属于这类存储器。

(3）直接存取存储器（DAM）: DAM既不象RAM那样随机地访问任一个存储单元，也不象SAM那样严格按着顺序进行存取，而是介于两者之间。存储信息时，先指向存储器中的某个小区域，然后在该小区域内按顺序检索，直到找到目标单元后再进行读/写操作。这种存储器的存取时间和信息所在的位置是有关的。磁盘、磁鼓就属于这类存储器。 (4）只读存储器(ROM)：此类存储器正常工作时存储的内容只能读出而不能写入，因此存储内容是固定不变的，通常用来存放不需要改变的信息。

2.按存储器在计算机系统中的功能分类 (1)主存储器 简称为主存或内存，用来存放计算机运行期间正在执行的大量程序和数据，存取速度较高。通常采用MOS型的半导体存储器。 (2)辅助存储器 辅助存储器又称为外存，通常存放一些当前暂不参与运行的大量的信息。它的容量极大而速度较低。并且不能被CPU直接访问，必须先调入主存才能被访问到。 (3)高速缓冲存储器 高速缓冲存储器是位于主存和CPU之间的，接近CPU速度的存储器。

3.按存储介质分 (1)半导体存储器。存储元件由半导体器件组成的叫半导体存储器。其优点是体积小、功耗低、存取时间短。其缺点是当电源消失时，所存信息也随即丢失，是易失性存储器。 (2)磁表面存储器。磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载磁体高速移动，用磁头在磁层上进行读写操作，为磁表面存储器。 (3)光盘存储器。光盘存储器是应用激光在记录介质(磁光材料)上进行读写的存储器，具有非易失性的特点。光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。

6.1.2 主存储器的技术指标 1.存储容量 2.存取时间 3.存储周期 4.存储器带宽 5．存储器的总价格 6．存储器的每位价格

6.1.3 存储器的层次结构

1.Cache-主存存储层次 CPU与主存之间的速度差大约有一个数量级，设置Cache是提高系统速度的重要方法。Cache容量不大，但速度很高，CPU将要执行的指令和数据先从主存调入Cache，执行时，如果Cache中有，就直接在Cache中进行访问，否则从主存中访问。Cache-主存间的地址映像和调度是由硬件实现的。 从CPU角度来看，Cache-主存存储层次的速度接近于Cache的速度，容量是主存的，每位价格接近于主存的。因此，解决了主存储器的速度与价格间的矛盾。

2.主存-辅存存储层次 辅助存储器是主存的补充，用来存放暂时不用的程序和数据。主存-辅存层次通过附加的硬件及存储管理软件来控制，使主存-辅存形成一个整体，称之为虚拟存储器。 从整体看，主存-辅存存储层次的速度接近于主存的速度，容量是辅存的，而每位的价格接近于廉价的辅存的，从而解决了主存储器在大容量和低成本间的矛盾。 综上所述，三级存储层次的总体效果是：存取速度接近于Cache的，存储容量是辅存的，存储器的每位价格接近辅存的。

6.1.4 主存储器的基本组成

半导体存储芯片的译码方式有两种：单译码法和双译码法 　　（1)单译码法

（2)双译码法

6.2 半导体存储器 半导体存储器具有体积小、存取速度快等优点，因而适合作为内存储器使用。半导体存储器根据功能可分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM），而RAM根据原理可分为静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两大类。存储器又有MOS型和双极型之分，在此只介绍MOS型RAM，包括MOS型SRAM，MOS型DRAM和ROM的原理和特点。

6.2.1 MOS型静态RAM 1. 基本存储单元——六管静态存储单元

2.静态RAM读时序周期

3.静态RAM写时序周期

6.2.2 动态RAM 1. 基本存储单元电路 DRAM的存储单元是靠栅极电容来保存信息的，常见的有三管和单管MOS电路。三管MOS电路如图6.10所示， Tl、T2，T3三个MOS管组成三管MOS动态RAM基本单元电路。

2.动态RAM芯片举例

3.动态RAM的时序

4.动态RAM的刷新 （1）集中刷新。 （2）分散刷新。 （3）异步刷新。 （4）透明刷新。

6.2.3 只读存储器ROM 根据制作工艺不同，半导体只读存储器可以分为ROM、PROM、UVEPROM和EEPROM等类型。 1.掩膜只读存储器（masked ROM） 2.可编程ROM（PROM） 3.可擦除可编程的ROM（EPROM）

6.3 主存储器与CPU的连接 1. 地址线的连接 存储芯片容量不同，其地址线数也不同，而CPU的地址线数往往比存储芯片的地址线数要多。通常总是将CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连。CPU地址线的高位或作存储芯片扩充时用，或作其他用法，如作片选信号等。例如，设CPU地址线为16位A0～A15，1K×4位的存储芯片仅有10根地址线A0～A9，此时，可将CPU的低位地址A0～A9与存储芯片地址线A0～A9相连。

2. 数据线的连接 CPU的数据线数与存储芯片的数据线数也不一定相等。此时，必须对存储芯片扩位，使其数据位数与CPU的数据线数相等。 3. 读/写命令线的连接 CPU读/写命令线一般可直接与存储芯片的读/写控制端相连，如CPU的读/写命令电平含义与存储芯片的读/写控制电平极性相反的中间还需要反相。

4. 片选线的连接 由于存储器是由许多存储芯片叠加组成的，哪一片被选中完全取决于该存储芯片的片选控制端 是否能接收到来自CPU的片选有效信号。 　　 片选有效信号与CPU的访存控制信号有关，因为只有当CPU要求访存时，才要求选择存储芯片。若CPU访问I/O，则 为高，表示不要求存储器工作。此外，片选有效信号还和地址有关，CPU给出的存储单元地址的位数往往大于存储芯片的地址线数，未与存储芯片连上的高位地址必须和访存控制信号共同作用，产生片选信号。

6.4 提高存储器性能的方法 由于CPU的功能不断增强，I/O设备的数量不断增多，致使主存的存取速度已成为计算机系统的瓶颈。为了提高存储速度，需要对存储器的结构加以改进，其方法有：并行存储器和高速缓冲存储器。 对存储容量的要求，不仅需要一个大容量的外存支持主存，而且要通过软硬件结合把主存和外存统一成一个整体，这就是虚拟存储器的概念。

6.4.1 并行存储器 1． 单体并行系统 2． 多体并行系统

6.4.2 高速缓冲存储器 1、Cache的工作原理

（2）Cache的基本结构

6.4.3 虚拟存储器 根据采用的存储映像方式不同，可将虚拟存储器的管理方式分成段式、页式和段页式等多种。 1.页式虚拟存储器 2.段式虚拟存储器 3.段页式虚拟存储器

6.5 辅助存储器 1. 辅助存储器的特点 2．磁表面存储器的主要技术指标 (1)记录密度。 (2)存储容量。 (3)平均寻址时间。 1. 辅助存储器的特点 2．磁表面存储器的主要技术指标 (1)记录密度。 (2)存储容量。 (3)平均寻址时间。 (4)数据传输率。 (5)误码率。

6.5.2 磁记录原理和记录方式 6.5.2 磁记录原理和记录方式 1．磁记录原理 　　 磁表面存储器通过磁头和记录介质的相对运动完成读写操作。写入时，记录介质在磁头下方匀速通过，根据写入代码的要求，对写入线圈输入一定方向和大小的电流，使磁头导磁体磁化，产生一定方向和强度的磁场。由于磁头与磁层表面间距非常小，磁力线直接穿透到磁层表面，将对应磁头下方的微小区域磁化(叫作磁化单元)。可以根据写入驱动电流的不同方向，使磁层表面被磁化的极性方向不同，以区别记录“0”或“1”。

2.磁表面存储器的记录方式 (1)归零制(RZ)。 (2)不归零制(NRZ)。 (3)见“1”就翻的不归零制(NRZ1)。 (4)调相制(PM)。 (5)调频制(FM)。 (6)改进调频制(MFM)。

3．评价记录方式的主要指标 （1）编码效率。 (2 )自同步能力。 影响记录方式的优劣因素还有很多，如读分辨力、信息独立性(即某一位信息读出时出现误码而不影响后续其他信息位的正确性)、频带宽度、抗干扰能力以及实现电路的复杂性等等。

6.5.3 硬磁盘存储器 1.硬磁盘存储器分类 （1）按磁头的工作方式分。 （2）按磁盘是否具有可换性分。 2．硬磁盘存储器的结构 6.5.3 硬磁盘存储器　 1.硬磁盘存储器分类 （1）按磁头的工作方式分。 （2）按磁盘是否具有可换性分。 2．硬磁盘存储器的结构 一个完整的硬磁盘存储器是由磁盘驱动器HDD（Hard Disk Driver）、磁盘控制器HDC（Hard Disk Controller）和盘片三部分组成。　　

3) 安装底座。先将底座上突出的塑料弯钩与显示器底部的小孔对准，要注意插入的方向。再将显示器底座按正确的方向插入显示器底部的插孔内。最后用力推动底座，听见“咔”的一声响后，显示器底座就已固定在显示器上了。 4) 连接显示器的信号线。把显示器后部的信号线与机箱后面的显卡输出端相连接，显卡的输出端是一个15孔的三排插座，只要将显示器信号线的插头插到上面就行了。插的时候要注意方向，厂商在设计插头的时候为了防止插反，将插头的外框设计为梯形。如果使用的显卡是主板集成的，那么一般情况下显示器的输出插孔位置是在串口1的下方。

6.5.4 光盘存储器 1．概述 　　 光盘(Optical Disk)是利用光学方式进行读写信息的圆盘。光盘存储器是在激光视频唱片和数字音频唱片基础上发展起来的。应用激光在某种介质上写入信息，然后再利用激光读出信息，这种技术叫光存储技术。如果光存储使用的介质是磁性材料，即利用激光在磁记录介质上存储信息，就叫做磁光存储。通常把采用非磁性介质进行光存储的技术，称为第一代光存储技术，它不能把内容抹掉重写新内容。磁光存储技术是在光存储技术基础上发展的，叫做第二代光存储技术，其主要特点是可擦洗重写。根据光存储性能和用途的不同，光盘存储器可分为三类。

(1)只读型光盘(CD—ROM)。这种光盘内的数据和程序是由厂家事先写入的，使用时用户只能读出，不能修改或写入新的内容。因它具有ROM特性，故叫做CDROM(Compact Disk-ROM)。 　　(2)只写一次型光盘(WORM) 。这种光盘允许用户写入信息，写入后可多次读出，但只能写入一次，而且不能修改，主要用于计算机系统中的文件存档，或写入的信息不再需要修改的场合。 　　(3)可擦写型光盘。这种光盘类似磁盘，可以重复读写。从原理上来看，目前仅有光磁记录(热磁反转)和相变记录(晶态——非晶态转变)两种。它是很有前途的辅助存储器。

2．光盘的存取原理 　　 光盘存储器利用激光束在记录表面上存储信息，根据激光束和反射光的强弱不同可以实现信息的读写。由于光学读写头和介质保持较大的距离，因此，它是非接触型读写的存储器。 3．光盘存储器特点 光盘是非接触式读/写信息，光盘的耐用性，其使用寿命可长达数十年以上。 　 光盘可靠性高。 　 光盘记录头分量重，体积大，使寻道时间长30～100ms。写入速度低，与主机交换信息速度不匹配。 　 光盘的介质互换性好，存储容量大。

习题 6 6.1描述主存储器性能的主要参数有哪些？ 6.2简述静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）的主要区别。 习题 6 6.1描述主存储器性能的主要参数有哪些？ 6.2简述静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）的主要区别。 6.3某8位计算机系统中，主存储器容量位16K×8(位)，问： （1）CPU应能输出多少条地址线和多少条数据线？ （2）拟采用256×2（位）的RAM芯片构成，需要多少个芯片？ （3）应该用哪几位地址码来选择RAM芯片？

习题 6 6.4某16位机中的CPU可输出地址码20位，拟采用2K×4（位）的静态RAM芯片构成按字节编址的主存储器。 习题 6 6.4某16位机中的CPU可输出地址码20位，拟采用2K×4（位）的静态RAM芯片构成按字节编址的主存储器。 （1） 存储器的总容量可达到多少？ （2） 共需要多少片RAM芯片？ （3） 哪些位地址码用来选RAM芯片？ 6.5某机字长8位，CPU可输出8条数据线（D7～0）,16条地址线（A15～0）,1条控制总线（ ）拟采用2K×4（位）的静态存储器芯片，构成总容量位16K×8(位)主存储器: （1）共需要多少片RAM芯片？ （2）连接好CPU与主存储器之间的线路（拟用3—8译码器，可采用部分译码方式）。 （3）主存储器的地址范围是什么？