1、 第 四 章 存 儲 器 系 統 4.1 4.1 存儲器概述存儲器概述4.2 4.2 存儲器子系統組成和接口存儲器子系統組成和接口4.3 4.3 I/OI/O子系統組成和接口子系統組成和接口4.4 4.4 輔助存儲器輔助存儲器4.5 4.5 相對簡單計算機相對簡單計算機4.6 4.6 實例：一臺基于實例：一臺基于80858085的計算機的計算機同濟大學 軟件學院4.1 存儲器概述 存儲器存儲器 計算機的存儲部件，用于存放程序和數據。計算機的存儲部件，用于存放程序和數據。 計算機發展的計算機發展的重要問題重要問題之一，就是如何設計容量之一，就是如何設計容量 大、速度快、價格低的存儲器。大、速度快

2、、價格低的存儲器。 本章討論本章討論: :存儲器的基本結構與讀寫原理存儲器的基本結構與讀寫原理4.1.1 存儲器的種類1. 按存儲介質分類 存儲介質特點：存儲介質特點：兩種穩定狀態；兩種穩定狀態；方便檢測；方便檢測； 容易相互轉換。容易相互轉換。 (1) (1) 半導體存儲器：半導體存儲器：速度快，用作內存。速度快，用作內存。 記憶原理：觸發器、電容（靜態、動態）記憶原理：觸發器、電容（靜態、動態） 雙極型晶體管（雙極型晶體管（ECLECL、TTLTTL、I I2 2L L） 場效應管型場效應管型MOS MOS （PMOSPMOS、NMOSNMOS、CMOSCMOS） (2) (2) 磁表面存

3、儲器：磁表面存儲器：容量大，用作外存。容量大，用作外存。 (3) (3) 光存儲器：光存儲器：可靠性高，保存時間長。可靠性高，保存時間長。2. 按存儲方式分類 存儲方式：存儲方式：訪問存儲單元的方法。訪問存儲單元的方法。 兩個名詞術語：兩個名詞術語： 存儲位元：存儲位元：記錄（存儲）一位二進制信息的存儲記錄（存儲）一位二進制信息的存儲 介質區域或存儲元器件。介質區域或存儲元器件。 存儲單元：存儲單元：存儲一個機器字或一個字節，且具有存儲一個機器字或一個字節，且具有 唯一地址的存儲場所。唯一地址的存儲場所。 (1) (1) 隨機訪問存儲器隨機訪問存儲器RAMRAM 存儲器的任意單元都可隨機訪問。

4、存儲器的任意單元都可隨機訪問。 訪問時間與存儲單元的位置無關訪問時間與存儲單元的位置無關 (2) (2) 只讀存儲器只讀存儲器ROMROM 正常工作時只讀，能隨機讀出，不能隨機寫入。正常工作時只讀，能隨機讀出，不能隨機寫入。 MROM MROM：只讀：只讀 PROM PROM：一次寫：一次寫 可多次改寫可多次改寫ROMROM：EPROMEPROM、E E2 2PROMPROM(3) (3) 順序存取存儲器順序存取存儲器 信息以文件形式組織，一個文件包含若干個塊，信息以文件形式組織，一個文件包含若干個塊， 一個塊包含若干字節；一個塊包含若干字節； 存儲時以數據塊為單位存儲，數據的存儲時間存儲時以

5、數據塊為單位存儲，數據的存儲時間 與數據物理位置關系極大；與數據物理位置關系極大； 速度慢，容量大，成本低；速度慢，容量大，成本低； 磁帶、電荷耦合器件磁帶、電荷耦合器件CCDCCD、VCDVCD(4) (4) 直接存取存儲器直接存取存儲器 信息的組織同順序存取存儲器。對信息信息的組織同順序存取存儲器。對信息 的存儲分兩步：先隨機查找數據區域，找到的存儲分兩步：先隨機查找數據區域，找到 后再順序存儲。后再順序存儲。 例：磁盤例：磁盤盤片盤片磁道磁道扇間空隙扇間空隙扇區扇區3. 按存儲器信息的可保存性分(1)(1) 斷電后是否丟失數據斷電后是否丟失數據 易失性易失性存儲器存儲器 特點：特點：斷電

6、后，信息就丟失。如斷電后，信息就丟失。如SRAMSRAM 非非易失性易失性存儲器存儲器( (永久性存儲器永久性存儲器) ) 特點：特點：斷電后，信息不丟失。如磁盤斷電后，信息不丟失。如磁盤(2) (2) 讀出后是否保持數據讀出后是否保持數據 破壞性存儲器破壞性存儲器 特點：特點：讀出時，原存信息被破壞，需重寫。讀出時，原存信息被破壞，需重寫。 如：如：DRAMDRAM 非破壞性存儲器非破壞性存儲器 特點：特點：讀出時，原存信息不被破壞。讀出時，原存信息不被破壞。 如：如：SRAM SRAM 4. 按在計算機系統中的作用分類 (1) (1) 高速緩沖存儲器：高速緩沖存儲器：位于主存和位于主存和C

7、PUCPU之間之間 (2) (2) 主存儲器主存儲器 (3) (3) 輔助存儲器：輔助存儲器：不能由不能由CPUCPU的指令直接訪問，的指令直接訪問， 必須通過專門的程序或專門的通道把所需必須通過專門的程序或專門的通道把所需 的信息與主存進行成批交換，調入主存后的信息與主存進行成批交換，調入主存后 才能使用。才能使用。4.1.2 主存儲器的基本操作 1.主存與CPU之間的連接MDRMARCPU主主 存存讀讀數據總線數據總線地址總線地址總線寫寫 地址總線 地址 寄存器 MAR 地址譯碼器 地址驅動電路 存儲體 讀寫電路 數據 寄存器 MDR 數據總線 存儲控制電路 讀信號 寫信號 2.主存儲器的

8、基本組成 3. 主存的基本操作 MARMAR：地址寄存器地址寄存器 MDRMDR：數據寄存器數據寄存器CPU讀操作（取操作）讀操作（取操作）地址地址（MAR）ABMEM讀命令讀命令（Read）CBMEMMEM存儲單存儲單元內容元內容（M）DBMDRCPU寫操作（存操作）寫操作（存操作）地址地址（MAR）ABMEM寫命令寫命令（Write）CBMEMMEM存儲單元存儲單元MDBMDR 從系統的角度看計算機怎樣執行這些操作圖圖4.2 4.2 存儲器讀寫數據的操作時序存儲器讀寫數據的操作時序 (1) (1) 存儲容量：存儲容量：存儲器所能存儲的二進制信息總量。存儲器所能存儲的二進制信息總量。 (2)

9、 (2) 速度速度: : 主存的一項重要技術指標。主存的一項重要技術指標。 存取時間：存取時間：又稱訪問時間，是指從啟動一次存儲又稱訪問時間，是指從啟動一次存儲 器操作到完成該操作所經歷的時間。器操作到完成該操作所經歷的時間。 存儲周期存儲周期: : 指連續啟動兩次獨立的存儲體操作所指連續啟動兩次獨立的存儲體操作所 需的最小時間間隔。它包括存儲器的存取時間和需的最小時間間隔。它包括存儲器的存取時間和 自身恢復時間。自身恢復時間。 4.1.3 存儲器的主要技術指標 (3) (3) 帶寬帶寬（存儲器數據傳輸率、頻寬）（存儲器數據傳輸率、頻寬）: :存儲器單位時間存儲器單位時間 所存取的二進制信息的

10、位數。所存取的二進制信息的位數。 帶寬存儲器總線寬度帶寬存儲器總線寬度/ /存取周期存取周期(4) (4) 價格（每位價格）價格（每位價格） 除上述指標外，影響存儲器性能的還有功耗、除上述指標外，影響存儲器性能的還有功耗、 可靠性等因素。可靠性等因素。4.2 存儲器子系統組成和接口4.2.1 半導體存儲器的種類 主存儲器主要由半導體存儲器實現主存儲器主要由半導體存儲器實現 半導體存儲器（按存儲方式分）半導體存儲器（按存儲方式分） （1 1）隨機存取存儲器）隨機存取存儲器 （Random Access MemoryRandom Access Memory，RAMRAM） （2 2）只讀存儲器）只

11、讀存儲器 （Read-Only MemoryRead-Only Memory，ROMROM） 它們各自有許多不同的類型。它們各自有許多不同的類型。4.2.1.1 ROM芯片 1. 按可編程方式和頻度的不同，ROM芯片有幾種不同 的類型： (1) (1) 掩膜式掩膜式ROMROM（或簡單地稱為（或簡單地稱為ROMROM） 在芯片制作時就將數據編程進去了。一在芯片制作時就將數據編程進去了。一 旦安裝完畢，數據就不再更改。旦安裝完畢，數據就不再更改。 雙極型固定掩模型雙極型固定掩模型ROMROM(2) (2) PROMPROM( (可編程可編程ROM)ROM) 可由用戶使用標準的可由用戶使用標準的P

12、ROMPROM編程器編程。編程器編程。 具有保險絲一樣的內部連接，只能編程一次。具有保險絲一樣的內部連接，只能編程一次。 存儲位元的基本結構有兩種：存儲位元的基本結構有兩種： 全全“1”1”熔斷絲型、全熔斷絲型、全“0”0”肖特基二極管肖特基二極管型型 雙極熔絲型雙極熔絲型PROMPROM存儲矩陣存儲矩陣(3) (3) EPROMEPROM是可擦除是可擦除PROMPROM 能編程，內容可以擦除，即可以重復編程。能編程，內容可以擦除，即可以重復編程。 編程類似電容器充電，紫外線照射可重置其內編程類似電容器充電，紫外線照射可重置其內 容。容。疊柵注入疊柵注入MOSMOS管（管（Stacked-ga

13、te Injection MOSStacked-gate Injection MOS，SIMOSSIMOS） (4) (4) EEPROMEEPROM，或，或E E2 2PROMPROM，電可擦除，電可擦除PROMPROM 和和EPROMEPROM相似，但用電擦除和重編程，不用相似，但用電擦除和重編程，不用 紫外線。可修改個別單元，重編程只要幾秒鐘。紫外線。可修改個別單元，重編程只要幾秒鐘。(5) (5) flash Eflash E2 2PROMPROM IntelIntel公司公司 8080年代后期年代后期 一種高密度、非易失性的可讀一種高密度、非易失性的可讀/ /寫存儲器寫存儲器 可用電

14、擦除數據塊，而不是單個的存儲單可用電擦除數據塊，而不是單個的存儲單 元。元。兼備了兼備了EEPROMEEPROM和和RAMRAM的優點的優點。 2. 不管哪一種ROM，它們的外部配置幾乎一樣。 把存儲體及其外圍電路（包括地址譯碼與驅動把存儲體及其外圍電路（包括地址譯碼與驅動電路、讀寫放大電路及時序控制電路等電路、讀寫放大電路及時序控制電路等) )）集成在一塊）集成在一塊硅片上，稱為硅片上，稱為存儲器芯片。存儲器芯片。 譯譯碼碼驅驅動動存存儲儲體體讀讀寫寫電電路路片選線片選線(使能端使能端)讀讀/寫控制線寫控制線地地址址線線數數據據線線存儲器芯片的基本結構存儲器芯片的基本結構ROM芯片：芯片：2

15、 2n n m m位位 則它有：則它有：n n個地址輸入個地址輸入An-1An-1A0A0 m m個數據輸出個數據輸出Dm-1Dm-1D0D0 芯片使能輸入端（芯片使能輸入端（CECE） 輸出允許端（輸出允許端（OEOE） 除掩膜式除掩膜式ROMROM，其它所有的，其它所有的ROMROM都有一個編程都有一個編程 控制輸入端（控制輸入端（VPPVPP），用來控制向芯片輸入數據。），用來控制向芯片輸入數據。4.2.1.2 RAM芯片 1. 按保持數據方式的不同，RAM芯片分為： (1) (1) 動態動態RAMRAM（DRAMDRAM） 利用利用MOSMOS晶體管極電容晶體管極電容( (或或MOSM

16、OS電容電容) )上充上充 積的電荷來存儲信息的。積的電荷來存儲信息的。 通常定義：電容充電至通常定義：電容充電至高電平，為高電平，為1 1； 電容放電至電容放電至低電平，為低電平，為0 0。 由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可 能長久保存，需要周期地對電容進行充電，能長久保存，需要周期地對電容進行充電， 以補允泄漏的電荷，這就叫以補允泄漏的電荷，這就叫刷新刷新。 C0WCTD單管單管MOSMOS動態存儲位元電路動態存儲位元電路定義：定義：C C上有電荷上有電荷 “1”“1” C C無電荷無電荷 “0” “0”保持：保持：字線字線w w低，低，T T截止，截止

17、， 切斷了切斷了C C的通路，的通路，C C 上電荷狀態保持不上電荷狀態保持不 變。當然由于漏電變。當然由于漏電 存在，需刷新。存在，需刷新。寫入操作寫入操作 寫入寫入“1”1”，位線，位線D D上加高電位，對電容上加高電位，對電容C C充電。充電。 寫入寫入“0”0”，位線，位線D D上加低電位，電容上加低電位，電容C C通過通過T T放電。放電。讀操作讀操作 當當T T導通以后，若原存信息為導通以后，若原存信息為“1”1”，電容，電容C C上的電上的電荷通過荷通過T T輸出到位線上，在位線上檢測到電流，表示所輸出到位線上，在位線上檢測到電流，表示所存信息為存信息為“1”1”。 若原存信息為

18、若原存信息為“0 0，電容，電容C C上幾乎無電荷，在位線上上幾乎無電荷，在位線上檢測不到電流，表示所存信息為檢測不到電流，表示所存信息為“0”0”。(2) (2) 靜態靜態RAMRAM（SRAMSRAM） 利用觸發器來存儲信息利用觸發器來存儲信息 。一旦寫入數據，。一旦寫入數據， 內容一直保持有效，不需要刷新。內容一直保持有效，不需要刷新。 一種一種六管靜態存貯六管靜態存貯元件電路，元件電路，它由兩個反它由兩個反相器彼此交叉反饋構成相器彼此交叉反饋構成一個雙穩態觸發器。一個雙穩態觸發器。定義：定義：T T1 1通導，通導，T T2 2截止，截止，為為“1”1”狀態；狀態； T T2 2 通導

19、，通導， T T1 1 截止，為截止，為 “ “ 0 ” 0 ” 狀狀態。態。 字驅動線 W Vcc T3 T4 T1 T2 T5 T6 位線 D 位線 D A B 保持保持 字驅動線字驅動線W W處于低電位時，處于低電位時，T5T5、T6T6截止，切斷了兩根截止，切斷了兩根位線與觸發器之間的聯系。位線與觸發器之間的聯系。寫入操作寫入操作 寫入寫入“1”1”：位線：位線D D上加低電位，位線上加低電位，位線D D上加高電位，上加高電位，即即B B點為高電位，點為高電位，A A點為低電位，點為低電位，導致導致T1T1導通，導通，T2T2截止截止，保存了信息保存了信息“1”1”。 寫入寫入“0”0

20、”：位線：位線D D上加高電位，位線上加高電位，位線D D上加低電位，上加低電位，即即B B點為低電位，點為低電位，A A點為高電位，點為高電位，導致導致T2T2導通，導通，T1T1截止，截止，保存了信息保存了信息“0”0”。 D讀操作讀操作 若原存信息為若原存信息為“1”1”，即，即T1T1導通，導通，T2T2截止。這時截止。這時B B點為高電位，點為高電位，A A點為低電位，分別傳給兩根位線，使得點為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線位線D D為低電位，位線為低電位，位線D D為高電位，表示讀出的信息為為高電位，表示讀出的信息為“1”1”。 若原存信息為若原存信息為“0”0”，即，即T2T

21、2導通，導通，T1T1截止。這時截止。這時A A點為高電位，點為高電位，B B點為低電位，分別傳給兩根位線，使得點為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線位線D D為高電位，位線為高電位，位線D D為低電位，表示讀出的信息為為低電位，表示讀出的信息為“0”0”。2. 動態RAM與靜態RAM的比較 集成度、功耗、容量、速度、集成度、功耗、容量、速度、價格價格3. 兩種RAM外部配置相同 2 2n nm m的芯片都有：的芯片都有： n n個地址輸入個地址輸入 m m個雙向數據引腳個雙向數據引腳 （正常操作條件下數據引腳也可輸入數據）（正常操作條件下數據引腳也可輸入數據） 芯片使能端（芯片使能端（CEC

22、E或者或者CECE） 讀使能端（讀使能端（RDRD或或RDRD） 寫使能端（寫使能端（WRWR或或WRWR） 或一個組合的信號，如或一個組合的信號，如R/WR/W4.2.2 內部芯片組成 ROMROM、RAMRAM芯片內部組成相似。芯片內部組成相似。1. 線性組成（linear organizationlinear organization） 隨著單元數量的增加，線性組成中地址譯碼隨著單元數量的增加，線性組成中地址譯碼 器的規模變得相當的大。此時可使用多維譯碼。器的規模變得相當的大。此時可使用多維譯碼。 圖圖4.4 84.4 82 2的的ROMROM芯片的內部線性組成芯片的內部線性組成 三位地

23、址被譯碼，以選擇三位地址被譯碼，以選擇8 8個單元中的個單元中的1 1個，個， 但但CECE要有效。如果要有效。如果CE=0,CE=0,譯碼器無效，則不選譯碼器無效，則不選 擇任何單元。譯碼選中單元的三態緩沖器有效，擇任何單元。譯碼選中單元的三態緩沖器有效， 允許數據傳送到輸出緩沖器中。如果允許數據傳送到輸出緩沖器中。如果CE=1CE=1且且 OE=1OE=1，則輸出緩沖器有效，數據從芯片中輸出；，則輸出緩沖器有效，數據從芯片中輸出； 否則，輸出是三態。否則，輸出是三態。線性組成線性組成的存儲器芯片（的存儲器芯片（6464字字8 8位）位）CE2. 二維組成（two-dimensional o

24、rganizationtwo-dimensional organization） 多維譯碼帶來的節省很重要。多維譯碼帶來的節省很重要。 如如:4096:40961 1的芯片，其線性組成需要一個的芯片，其線性組成需要一個121240964096 譯碼器，大小與輸出的數量（譯碼器，大小與輸出的數量（40964096）成正比。如）成正比。如 果排列成果排列成64646464的二維數組，則要兩個的二維數組，則要兩個6 66464譯譯 碼器，大小正比于碼器，大小正比于2 26464。兩個譯碼器一起大約。兩個譯碼器一起大約 是那個大譯碼器大小的是那個大譯碼器大小的3%3%。 圖圖4.5 84.5 82 2

25、的的ROMROM芯片的內部二維組成芯片的內部二維組成 二維組成二維組成的存儲器芯片（的存儲器芯片（16161 1位）位） X 地址譯碼器 A3 2 位地址 A2 A1 A0 0,0 X0 0,1 0,3 1,0 X1 1,1 1,3 2,0 X2 2,1 2,3 讀寫控 制電路 數據 D 讀寫信 號 R/W 片選信 號 CS 0,2 1,2 2,2 3,0 X3 3,1 3,3 3,2 Y 地址譯碼器 2 位地址 Y0 Y1 Y2 Y3 4.2.3 存儲器子系統的組成 構造單個芯片的存儲器只需從系統總線上連接地址、構造單個芯片的存儲器只需從系統總線上連接地址、數據和控制信號。大多數存儲器系統需

26、要組合多個芯片。數據和控制信號。大多數存儲器系統需要組合多個芯片。要組成一個主存儲器，需要要組成一個主存儲器，需要考慮的問題考慮的問題： 如何選擇芯片如何選擇芯片 根據存取速度、存儲容量、電源電壓、功耗及成本等根據存取速度、存儲容量、電源電壓、功耗及成本等方面的要求進行芯片的選擇。方面的要求進行芯片的選擇。 所需的芯片數量所需的芯片數量 單元位數每片芯片單元數單元位數存儲器總單元數芯片總片數/例：例：用用1K1K4 4位位芯片組成芯片組成32K32K8 8位位的存儲器，所需芯片為：的存儲器，所需芯片為： 如何把許多芯片連接起來。如何把許多芯片連接起來。 通常存儲器芯片在單元數和位數方面都與實際

27、存儲器通常存儲器芯片在單元數和位數方面都與實際存儲器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個方面進要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個方面進行擴展行擴展。（片）位位6441K832K 一、組合構造多位 連接芯片相應的地址和控制信號，數據引腳連連接芯片相應的地址和控制信號，數據引腳連 到數據總線的不同位。到數據總線的不同位。 例：例：2 2個個8 82 2的芯片組合成一個的芯片組合成一個8 84 4的存儲器的存儲器 共同的三位地址輸入，共同的共同的三位地址輸入，共同的CECE、OEOE信號。信號。 第一個芯片數據引腳連到數據總線的第第一個芯片數據引腳連到數據總線的第3 3位位 和第和

28、第2 2位，位， 第二個芯片數據引腳則連在第第二個芯片數據引腳則連在第1 1位和第位和第0 0位。位。 圖圖4.6 4.6 由兩個由兩個8 82ROM2ROM芯片構成的芯片構成的8 84 4存儲器子系統存儲器子系統 用用4K4K2 2位的位的RAMRAM存儲芯片構成存儲芯片構成4K4K8 8位的存儲器位的存儲器 二、組合構造多字 兩個兩個8 82 2芯片組芯片組成一個成一個16162 2的存儲的存儲子系統。子系統。 圖圖4.74.7（a a）使用）使用高位交叉高位交叉，各芯片高，各芯片高位地址相同，位地址相同， 同一芯片所有存同一芯片所有存儲單元在系統內存中儲單元在系統內存中相鄰。相鄰。 圖圖

29、4.74.7（b b）用的是）用的是低位交叉低位交叉，各芯片低位，各芯片低位地址相同。地址相同。 低位交叉能為流水低位交叉能為流水線存儲器訪問提供速度線存儲器訪問提供速度上的優勢，對能同時從上的優勢，對能同時從多于一個存儲器單元中多于一個存儲器單元中讀取數據的讀取數據的CPUCPU來說，來說，低位交叉也存在速度上低位交叉也存在速度上的優勢。的優勢。 例：用例：用16K16K8 8位位的的RAMRAM存儲器芯片構成存儲器芯片構成64K64K8 8位位的存儲器。的存儲器。 需要需要4 4片片16K16K8 8位的芯片位的芯片 64K64K8 8位的存儲器：位的存儲器：1616位地址線位地址線A15

30、A15A0A0 16K 16K8 8位的芯片的片內地址線：位的芯片的片內地址線：1414根根 用用1616位地址線中的低位地址線中的低1414位位A13A13A0A0進行片內尋址進行片內尋址 高兩位地址高兩位地址A15A15、A14A14用于選擇芯片用于選擇芯片設存儲器從設存儲器從0000H0000H開始連續編址，則四塊芯片的地址分配：開始連續編址，則四塊芯片的地址分配： 第一片地址范圍為：第一片地址范圍為：0000H0000H3FFFH3FFFH 第二片地址范圍為：第二片地址范圍為：4000H4000H7FFFH7FFFH 第三片地址范圍為：第三片地址范圍為：8000H8000HBFFFHB

31、FFFH 第四片地址范圍為：第四片地址范圍為：C000HC000HFFFFHFFFFHA15A14 A13A12A2A1A0 00 00000000000000 00 111111111111110000H3FFFH第一片 01 00000000000000 01 111111111111114000H7FFFH第二片 10 00000000000000 10 111111111111118000HBFFFH第三片 11 00000000000000 11 11111111111111C000HFFFFH第四片片內地址片內地址芯片使能芯片使能端地址端地址CE0CE1CE2CE3三、字、位擴展用

32、用2K2K4 4位位的存儲芯片構成的存儲芯片構成4K4K8 8位位存儲器存儲器 2K4 位 RAM 芯片 A10 12 位地址 2K4 位 RAM 芯片 2K4 位 RAM 芯片 2K4 位 RAM 芯片 A9 A0 D0 D1 D4 8 位數據 CS0 R/W CS0 CS1 CS1 A11 D3 D2 D7 D6 D5 4.2.4 多字節數據組成 用多個字節表示整型、浮點或字符串數值，必須存用多個字節表示整型、浮點或字符串數值，必須存 儲在多個單元中，儲在多個單元中，CPUCPU應定義數據在這些單元中的順序。應定義數據在這些單元中的順序。1. 兩種多字節數據排列順序 高端優先高端優先（bi

33、g endianbig endian） 數值的最高字節存儲在單元數值的最高字節存儲在單元X X中，次高字節存中，次高字節存 儲在單元儲在單元X+1X+1中，以此類推。中，以此類推。 低端優先低端優先（little endianlittle endian） 最低字節存儲在單元最低字節存儲在單元X X中，次低字節存儲在中，次低字節存儲在X+1X+1 中，以此類推。中，以此類推。 （a）低端優先 字節 4 高 低 字節 3 字節 2 字節 1 存儲器 字節 1 字節 2 字節 3 字節 4 X X+1 X+2 X+3 （b）高端優先 字節 4 高 低 字節 3 字節 2 字節 1 存儲器 字節 4

34、字節 3 字節 2 字節 1 X X+1 X+2 X+3 數據 2. 同一字節的不同位也有大、小endian結構 大大endianendian結構結構 0 0位代表字節中最右邊的位，最左邊的位是位位代表字節中最右邊的位，最左邊的位是位7 7。 小小endianendian結構結構 最左邊的位是位最左邊的位是位0 0，最右邊的位是位，最右邊的位是位7 7。3. 對齊（信息存儲的整數邊界原則信息存儲的整數邊界原則 ） 存儲多字節值的起始單元剛好是某個多字節讀取存儲多字節值的起始單元剛好是某個多字節讀取 模塊的開始單元。模塊的開始單元。 該多字節值的首字節地址必須是該信息寬度該多字節值的首字節地址必

35、須是該信息寬度( (字字 節數節數) )的整數倍。的整數倍。 對齊的對齊的CPUCPU具有更好的性能。具有更好的性能。 8 個字節 字節 半字 單字 雙字 字節 雙字 單字 單字 字節 （a） 8 個字節 字節 單字 字節 雙字 單字 字節 （b） 浪費浪費 浪費浪費 半字 字節信息的起始地址為：字節信息的起始地址為：半字信息的起始地址為：半字信息的起始地址為：單字信息的起始地址為：單字信息的起始地址為：雙字信息的起始地址為：雙字信息的起始地址為： 4.2.5 刷 新 刷新是動態存儲器區別于靜態存儲器的明顯標刷新是動態存儲器區別于靜態存儲器的明顯標 志。志。CPUCPU與刷新線路在訪問存儲器方

36、面是竟爭的，為與刷新線路在訪問存儲器方面是竟爭的，為 了確保信息不丟失，刷新優先，而了確保信息不丟失，刷新優先，而CPUCPU和和DMADMA請求會由請求會由 于刷新正在進行而推遲響應。推遲的程度與刷新線路于刷新正在進行而推遲響應。推遲的程度與刷新線路 操作類型有關。操作類型有關。 動態動態MOSMOS存儲器采用存儲器采用“讀出讀出”方式進行刷新。方式進行刷新。 1. 刷新周期 從上一次對整個存儲器刷新結束到下一次從上一次對整個存儲器刷新結束到下一次 對整個存儲器全部刷新一遍的時間間隔。對整個存儲器全部刷新一遍的時間間隔。 主要與電容的放電速度有關主要與電容的放電速度有關。2. 刷新方式 (1

37、) (1) 集中式刷新集中式刷新 在刷新周期內集中安排刷新時間，在刷新時在刷新周期內集中安排刷新時間，在刷新時 間內停止間內停止R/WR/W操作。操作。 例如：例如：某存儲器芯片容量為某存儲器芯片容量為16K16K1 1位位，存儲矩陣為，存儲矩陣為128128128128，在，在2ms2ms（刷新周期）內要對（刷新周期）內要對128128行行全部刷新一遍。全部刷新一遍。假設存儲器的存取周期為假設存儲器的存取周期為0.50.5 s s。 優點：優點：主存利用率高，控制簡單。主存利用率高，控制簡單。 缺點：缺點：刷新時間內不能使用存儲器，形成一段刷新時間內不能使用存儲器，形成一段 “死區死區”，且

38、芯片的存，且芯片的存儲儲行數越多，死區越長。行數越多，死區越長。 正常的存儲器訪問 刷新 1936s（3872 個周期） 64s（128 個周期） 2ms（4000 個存取周期） 0 3871 1 3872 3999 (2)(2) 分散式刷新分散式刷新 將系統的存取周期分成兩部分，前半期可用于將系統的存取周期分成兩部分，前半期可用于 正常讀寫或保持，后半期用于刷新，如圖所示。正常讀寫或保持，后半期用于刷新，如圖所示。 刷新 128s（128 個系統周期） 讀/寫 刷新 讀/寫 刷新 讀/寫 存取 周期 系統周期 0.5s 0.5s 存儲芯片的存取周期：存儲芯片的存取周期：0.50.5 s s系

39、統存取周期應：系統存取周期應：1 1 s s 優點：優點：不存在不存在“死區死區”，控制較簡單。，控制較簡單。 缺點：缺點：刷新動作過于頻繁，系統速度損失一半。刷新動作過于頻繁，系統速度損失一半。(3) (3) 異步式刷新異步式刷新 是上述兩種方式的結合。是上述兩種方式的結合。 把刷新操作平均分配到整個最大刷新間隔內進行，相把刷新操作平均分配到整個最大刷新間隔內進行，相鄰兩行的刷新間隔為：最大刷新間隔時間鄰兩行的刷新間隔為：最大刷新間隔時間行數。行數。 在前述的在前述的128128128128矩陣例子中，矩陣例子中，2ms2ms內分散地將內分散地將128128行行刷新一遍，即每隔刷新一遍，即每

40、隔15.515.5 s s（20002000 s s12815.512815.5 s s）刷新刷新一行。一行。 此方式此方式“死區死區”長度長度幾乎無幾乎無，且每行在，且每行在2ms2ms內只刷內只刷新一次，機器的工作效率高，但控制稍復雜。新一次，機器的工作效率高，但控制稍復雜。 目前最常用的是異步式刷新。目前最常用的是異步式刷新。 2ms（4000 個存取周期） 讀/寫 刷新 15s 0.5s 讀/寫 刷新 15s 0.5s 1 128 4.3 I/O子系統組成和接口 輸入輸入/ /輸出（輸出（I/OI/O）設備功能很不一樣，但都是）設備功能很不一樣，但都是I/OI/O子系統的一部分。子系統

41、的一部分。對系統設計者而言，對系統設計者而言，CPUCPU和各和各I/OI/O設備設備之間的接口非常相似。之間的接口非常相似。 圖圖4.14.1中，每一中，每一I/OI/O設備與計算機系統的地址、數據設備與計算機系統的地址、數據和控制總線相連接，都包括一個和控制總線相連接，都包括一個I/OI/O接口電路接口電路，此電路，此電路與總線交互、也與實際的與總線交互、也與實際的I/OI/O設備交互來傳輸數據。設備交互來傳輸數據。1. 輸入設備的一般接口電路 輸入設備來的數據傳送到三態緩沖器，當地址總輸入設備來的數據傳送到三態緩沖器，當地址總 線和控制總線上的值正確時，緩沖器設為有效，數據線和控制總線上

42、的值正確時，緩沖器設為有效，數據 傳到數據總線上，傳到數據總線上，CPUCPU可以讀取數據。條件不正確時，可以讀取數據。條件不正確時， Enable logic Enable logic 不會使緩沖器有效，緩沖器保持三態，不會使緩沖器有效，緩沖器保持三態， 不把數據傳到總線上。不把數據傳到總線上。 使能邏輯使能邏輯 每個每個I/OI/O設備有唯一的地址。除非從數據總線設備有唯一的地址。除非從數據總線 得到正確的地址，使能邏輯不置緩沖器有效。同時得到正確的地址，使能邏輯不置緩沖器有效。同時 必須從控制總線上得到正確的控制信號。對輸入設必須從控制總線上得到正確的控制信號。對輸入設 備，備，RDRD

43、（或（或RDRD）、）、IO/MIO/M（獨立（獨立I/OI/O中）必須有效。中）必須有效。 圖圖4.9(b)4.9(b)：一個輸入設備的使能邏輯一個輸入設備的使能邏輯 設備所在系統有設備所在系統有8 8位地址位地址及及RDRD、IO/MIO/M 信號信號 設備地址為設備地址為1111 00001111 0000 用組合邏輯（使能邏輯必須在單個時鐘用組合邏輯（使能邏輯必須在單個時鐘 周期內產生），不能使用時序器件。周期內產生），不能使用時序器件。2. 輸出設備接口電路設計（端口地址為（端口地址為1111 00001111 0000） 裝載邏輯裝載邏輯 在輸出設備中發揮著使能邏輯的作用。獲得正在

44、輸出設備中發揮著使能邏輯的作用。獲得正 確的地址和控制信號后，發出寄存器的確的地址和控制信號后，發出寄存器的LDLD信號，信號， 促使它從數據總線上讀數據。然后輸出設備可以促使它從數據總線上讀數據。然后輸出設備可以 在空閑時從寄存器中讀取該數據，同時在空閑時從寄存器中讀取該數據，同時CPUCPU可以執可以執 行其它任務。行其它任務。 圖圖4.104.10（b b）：）：輸出設備產生裝載信號的邏輯輸出設備產生裝載信號的邏輯 端口地址為端口地址為1111 00001111 0000 與圖與圖4.94.9（b b）大致相同，只是用）大致相同，只是用WRWR代替了代替了RDRD3. 輸入輸出組合接口

45、本質上是兩個接口：本質上是兩個接口：一個用于輸入，另一個用于輸出。一個用于輸入，另一個用于輸出。 邏輯器件既用來產生緩沖器的使能信號，又用來邏輯器件既用來產生緩沖器的使能信號，又用來 產生寄存器的載入信號。產生寄存器的載入信號。 如下圖：如下圖：地址為地址為1111 00001111 0000的組合的組合I/OI/O接口接口圖圖4.11 4.11 帶接口和使能帶接口和使能/ /裝載邏輯的雙向輸入輸出設備裝載邏輯的雙向輸入輸出設備4.I/O設備比CPU和存儲器慢得多，與CPU交互時，存在 時序上的問題。 就緒信號就緒信號（READYREADY）：一個控制輸入信號，）：一個控制輸入信號，CPUCP

46、U用用 來同步與來同步與I/OI/O設備的數據傳輸。設備的數據傳輸。l通常為高電平。當通常為高電平。當CPUCPU輸出某輸出某I/OI/O設備的地址和設備的地址和正確的控制信號，使其三態緩沖器有效，該正確的控制信號，使其三態緩沖器有效，該I/OI/O設備置設備置READYREADY信號為低電平。信號為低電平。lCPUCPU讀取這一信號，并繼續輸出同樣的地址和讀取這一信號，并繼續輸出同樣的地址和控制信號，使緩沖器保持有效。在硬盤驅動器控制信號，使緩沖器保持有效。在硬盤驅動器的例子中，此時驅動器旋轉磁頭，并且定位讀的例子中，此時驅動器旋轉磁頭，并且定位讀寫頭，直到讀到想要的數據為止。寫頭，直到讀到

47、想要的數據為止。 設置設置READYREADY為低電平而生成的附加時鐘周期叫做為低電平而生成的附加時鐘周期叫做等等待狀態待狀態（wait stateswait states）。）。 CPUCPU也可使用也可使用READYREADY同步與存儲器子系統之間的數同步與存儲器子系統之間的數據傳輸。據傳輸。l I/O I/O設備通過緩沖器將數據輸出到數據總線上，并重設備通過緩沖器將數據輸出到數據總線上，并重 新設置新設置READYREADY為高電平。為高電平。l CPUCPU才從總線上讀入數據，之后繼續它的正常操作。才從總線上讀入數據，之后繼續它的正常操作。4.4 輔助存儲器1.1. 輔助存儲器作為主存

48、儲器的后援存儲器，用于存放輔助存儲器作為主存儲器的后援存儲器，用于存放 CPUCPU當前暫時不用的程序和數據。當前暫時不用的程序和數據。當當CPUCPU需要時，再需要時，再將數據成批地調入主存。從輔存所處的位置和與主將數據成批地調入主存。從輔存所處的位置和與主機交換信息的方式看，它屬于外部設備的一種。機交換信息的方式看，它屬于外部設備的一種。2. 2. 輔存的特點輔存的特點 容量大，成本低，可以脫機保存信息容量大，成本低，可以脫機保存信息3. 3. 輔存主要有兩類輔存主要有兩類: : 磁表面存儲器、光存儲器磁表面存儲器、光存儲器 如磁盤、磁帶、光盤等如磁盤、磁帶、光盤等4.4.1 磁表面存儲器

49、的基本原理1. 磁表面存儲器 把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上，把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上， 形成厚度為形成厚度為0.30.35m5m的磁層，將信息記錄在磁層的磁層，將信息記錄在磁層 上，構成磁表面存儲器。上，構成磁表面存儲器。2. 磁表面存儲器存儲信息的原理 利用磁性材料在不同方向的磁場作用下，形成利用磁性材料在不同方向的磁場作用下，形成 的兩種穩定的剩磁狀態來記錄信息。的兩種穩定的剩磁狀態來記錄信息。3. 磁表面存儲器的讀寫操作 磁頭：磁頭：磁表面存儲器的讀寫元件。利用磁頭來磁表面存儲器的讀寫元件。利用磁頭來 形成和判別磁層中的不同磁化狀態。形成和判別磁層中的不同磁化狀態

50、。 磁頭是由鐵氧化體或坡莫合金等高導磁率的材磁頭是由鐵氧化體或坡莫合金等高導磁率的材 料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以 通過不同方向的電流。通過不同方向的電流。 寫磁頭：寫磁頭：用于寫入信息的磁頭。用于寫入信息的磁頭。 讀磁頭：讀磁頭：用于讀出信息的磁頭。用于讀出信息的磁頭。 復合磁頭：復合磁頭：既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。 讀讀/ /寫操作寫操作: : 通過磁頭與磁層相對運動進行通過磁頭與磁層相對運動進行 一般都采用磁頭固定，磁層作勻速平移或高一般都采用磁頭固定，磁層作勻速平移或高 速旋轉。由磁頭縫隙對準

51、運動的磁層進行讀速旋轉。由磁頭縫隙對準運動的磁層進行讀/ /寫操作。寫操作。 磁頭磁頭磁表面存儲器的的讀寫元件磁表面存儲器的的讀寫元件 當載體相對于磁頭運動時，就可以連續寫入一當載體相對于磁頭運動時，就可以連續寫入一連串的二進制信息。連串的二進制信息。局部磁化單元局部磁化單元載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI局部磁化單元局部磁化單元寫線圈寫線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層寫入寫入“0”寫入寫入“1”I寫N讀線圈讀線圈S讀線圈讀線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層運動方向運動方向運動方向運動方向ssttffee讀出讀出 “0”讀出讀出 “1”讀讀數據系列數據系列PMFMMFMNRZNRZ1RZ11111

52、0000位周期位周期 T4.4.2 磁表面存儲器的記錄方式1.1. 歸零制歸零制(RZ)(RZ) 寫寫0 0時，先發時，先發+I+I，然后回到，然后回到0 0； 寫寫1 1時，先發時，先發-I,-I,，然后回到，然后回到0 0。2. 2. 不歸零制不歸零制(NRZ)(NRZ) 寫寫0 0時，維持時，維持-I-I不變；寫不變；寫1 1時，維持時，維持+I+I不變。即只不變。即只有信息變換時，才在磁層中產生轉變區。有信息變換時，才在磁層中產生轉變區。NRZ數據系列數據系列111110000讀出信號讀出信號3.3. 見見“1”1”就翻的不歸零制就翻的不歸零制(NRZ(NRZ1 1) ) 在在 NRZ

53、 NRZ 基礎上形成的、寫入規律為：見基礎上形成的、寫入規律為：見1 1就翻。就翻。 寫寫0 0時，寫入電流維持原方向不變。時，寫入電流維持原方向不變。 寫寫1 1時，寫入電流方向翻轉。時，寫入電流方向翻轉。NRZ1數據系列數據系列111110000讀出信號讀出信號4.4. 調相制調相制(PM)(PM) 又稱為相位編碼。其寫入規律是：又稱為相位編碼。其寫入規律是： 寫寫0 0，寫入電流由負變為正，寫入電流由負變為正 寫寫1 1，寫入電流由正變為負，寫入電流由正變為負 當相鄰兩位相同時，兩位交界處要翻轉一次。當相鄰兩位相同時，兩位交界處要翻轉一次。PM數據系列數據系列111110000讀出信號讀

54、出信號5. 5. 調頻制調頻制(FM)(FM) 寫寫1 1時，不僅在位周期的中心產生磁化翻轉，而且在時，不僅在位周期的中心產生磁化翻轉，而且在位與位之間也必須翻轉。寫位與位之間也必須翻轉。寫0 0時，位周期中心不產生翻轉，時，位周期中心不產生翻轉，但位與位之間的邊界處要翻轉一次。但位與位之間的邊界處要翻轉一次。 由于寫由于寫 1 1 時磁化翻轉的頻率為寫時磁化翻轉的頻率為寫 0 0 時的兩倍，故時的兩倍，故稱為稱為“倍頻制倍頻制”。FM數據系列數據系列111110000讀出信號讀出信號6. 6. 改進調頻制改進調頻制(MFM(MFM或或 M M2 2F)F) 寫寫1 1時，在位單元中間改變寫入

55、電流方向；寫兩個以上時，在位單元中間改變寫入電流方向；寫兩個以上0 0時，在它們的交界處改變寫入電流方向。時，在它們的交界處改變寫入電流方向。 M M2 2F F的轉變區數約為的轉變區數約為FMFM的一半。在相同技術條件下，的一半。在相同技術條件下， M M2 2F F位單元長度可縮短為位單元長度可縮短為FMFM的一半，使的一半，使M M2 2F F的記錄密度提高近的記錄密度提高近一倍。一倍。 M M2 2F F制度廣泛用于軟盤與小容量硬盤中。制度廣泛用于軟盤與小容量硬盤中。MFM讀出信號讀出信號數據系列數據系列1111100004.4.3 磁盤存儲器1. 磁盤的分類環環境境要要求求低低，價價

56、格格低低軟軟盤盤：載載體體是是塑塑料料，對對量量大大，速速度度快快硬硬盤盤：載載體體是是金金屬屬，容容按按盤盤片片材材料料分分活活動動頭頭固固定定盤盤組組：活活動動頭頭可可卸卸盤盤組組：固固定定頭頭固固定定盤盤組組：固固定定頭頭可可卸卸盤盤組組：按按磁磁頭頭與與盤盤組組分分磁頭固定，每磁道一個磁頭，磁頭固定，每磁道一個磁頭，環境要求高，沒有磁頭運動，環境要求高，沒有磁頭運動，速度快。可卸盤組，可卸下保速度快。可卸盤組，可卸下保存。存。一個磁頭運動尋道，結構簡單，一個磁頭運動尋道，結構簡單，成本低。固定盤組采用密封方成本低。固定盤組采用密封方式，環境要求不高。如溫盤。式，環境要求不高。如溫盤。讀

57、讀寫寫速速度度快快非非接接觸觸式式：多多為為硬硬盤盤，寫寫速速度度慢慢接接觸觸式式：多多為為軟軟盤盤，讀讀按按磁磁頭頭與與盤盤片片接接觸觸分分2. 磁盤存儲器的組成及邏輯結構 磁盤存儲器由磁盤存儲器由驅動器、控制器和盤片驅動器、控制器和盤片三部分組成三部分組成主主機機磁磁盤盤控控制制器器磁磁盤盤驅驅動動器器盤盤片片 磁盤驅動器又稱磁盤機或磁盤子系統磁盤驅動器又稱磁盤機或磁盤子系統 用于控制磁頭與盤片的運動及讀寫。是獨用于控制磁頭與盤片的運動及讀寫。是獨 立于主機之外的完整裝置。立于主機之外的完整裝置。音圈電機控制系統音圈電機控制系統位置檢位置檢測電路測電路模擬控模擬控 制電路制電路 功率放大功

58、率放大邏輯電路邏輯電路 音圈音圈 電機電機測測速速輸輸出出控制器送控制器送來的目的來的目的磁道信號磁道信號編碼電路編碼電路寫入驅動器寫入驅動器磁頭選擇磁頭選擇譯碼電路譯碼電路讀放大器讀放大器輸入輸入輸出輸出寫入電路寫入電路讀出電路讀出電路磁頭寫磁頭寫入線圈入線圈磁頭讀磁頭讀出線圈出線圈選頭信號選頭信號33讀讀/ /寫電路寫電路 驅動器內包含有旋轉軸驅動部件、磁頭定位部件、驅動器內包含有旋轉軸驅動部件、磁頭定位部件、讀寫電路和數據傳送電路等。讀寫電路和數據傳送電路等。 磁盤控制器磁盤控制器 主機與磁盤驅動器之間的接口，通常是插在主機主機與磁盤驅動器之間的接口，通常是插在主機總線插槽中的一塊印刷電

59、路板。總線插槽中的一塊印刷電路板。 磁盤控制器的作用：磁盤控制器的作用：接受主機發出的命令與數據，接受主機發出的命令與數據，轉換為驅動器的控制命令和數據格式，控制驅動器的轉換為驅動器的控制命令和數據格式，控制驅動器的操作。操作。 盤片：盤片：存儲信息的介質存儲信息的介質 3. 磁盤信息記錄格式 （1 1） 磁盤的結構磁盤的結構盤片盤片磁道磁道扇間空隙扇間空隙扇區扇區 記錄面：記錄面：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩 面都能記錄信息。面都能記錄信息。 磁道：磁道：記錄面上一系列同心圓。每個盤片表面通記錄面上一系列同心圓。每個盤片表面通 常有幾十到幾百個磁道。常

60、有幾十到幾百個磁道。 磁道的編址：磁道的編址：從外向內依次編號，最外一個從外向內依次編號，最外一個 同心圓叫同心圓叫0 0磁道，最里面的一個同心圓叫磁道，最里面的一個同心圓叫n n磁道，磁道，n n 磁道里面的圓面積不用來記錄信息。磁道里面的圓面積不用來記錄信息。 扇區：扇區：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個 扇區。扇區。 扇區的編號方法：扇區的編號方法：可以連續編號，也可間隔編號。可以連續編號，也可間隔編號。 柱面（圓柱面）：柱面（圓柱面）：n n個面上位于同一半徑的磁道形成個面上位于同一半徑的磁道形成 一個圓柱面。磁盤組的圓柱面數等于一個盤面的磁一個