第5章存儲器系統【學習目標】本章首先以半導體存儲器為對象，在討論存儲器及其基本電路、基本知識的基礎上，討論存儲芯片及其與CPU之間的連接和擴充問題。然后，介紹內存技術的發展以及外部存儲器（如硬盤、光驅）。最后，介紹存儲管理技術（如虛擬存儲管理和高速緩存cache技術）。【學習要求】存儲器的分類、組成及功能。著重理解行選與列選對1位信息的讀出。重點掌握位擴充與地址擴充技術。理解存儲器與CPU的連接方法。了解內存條技術的發展。理解存儲器系統的分層結構。理解虛擬存儲技術及高速緩存cache技術的原理。5．1存儲器的分類與組成

計算機的存儲器可分為兩大類：一類為內部存儲器，其基本存儲組件多以半導體存儲器芯片組成；另一類為外部存儲器，多以磁性材料或光學材料制造。5.1.1半導體存儲器的分類半導體存儲器的分類如圖5.2所示。按使用的功能可分為兩大類：隨機存取存儲器RAM（randomaccessmemory）和只讀存儲器ROM（readonlymemory）。5.1.2半導體存儲器的組成半導體存儲器的組成框圖如圖5.3所示。它一般由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。1．存儲體存儲體是存儲1或0信息的電路實體，它由多個存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址單元號。每個存儲單元由若干相同的位組成，每個位需要一個存儲元件。地址線數與存儲單元數的關系列于表5.1中。2．地址選擇電路地址選擇電路包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。地址譯碼器用來對地址碼譯碼。地址譯碼方式有兩種：單譯碼方式（或稱字結構）；雙譯碼方式（或稱重合譯碼）。3．讀／寫電路與控制電路讀／寫電路包括讀／寫放大器、數據緩沖器（三態雙向緩沖器）等。它是數據信息輸入和輸出的通道。外界對存儲器的控制信號有讀信號、寫信號和片選信號等，通過控制電路以控制存儲器的讀或寫操作以及片選。只有片選信號處于有效狀態，存儲器才能與外界交換信息。5.2隨機存取存儲器5.2.1靜態隨機存取存儲器1．靜態RAM基本存儲電路靜態RAM的基本存儲電路，是由6個MOS管組成的RS觸發器。每一個觸發器就構成存儲體的一位。2．靜態RAM的組成靜態RAM的結構一般由存儲體、譯碼電路和控制電路組成。一個RAM芯片的存儲容量是有限的，需用若干片才能構成一個實用的存儲器。這樣，地址不同的存儲單元，可能處于不同的芯片中。一般，片選信號由地址碼的高位譯碼（通過譯碼器輸出端）產生。3．靜態RAM的讀／寫過程1）讀出過程（1）地址碼→RAM芯片的地址輸入端→X與Y地址譯碼器譯碼，產生行選與列選信號，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，將出現在I/O電路的輸入端。I/O電路對讀出的信號進行放大、整形，送至輸出緩沖寄存器。緩沖寄存器一般具有三態控制功能，沒有開門控制信號，所存數據還不能送到數據總線DB上。（2）在送上地址碼的同時，還要送上讀／寫控制信號和片選信號。2）寫入過程（1）同上述讀出過程（1），先選中相應的存儲單元，使其可以進行寫操作。（2）將要寫入的數據放在DB上。（3）加上片選信號及寫入信號。這兩個有效控制信號打開三態門使DB上的數據進入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。4．靜態RAM芯片舉例

常用的Intel6116是CMOS靜態RAM芯片，屬雙列直插式、24引腳封裝。它的存儲容量為2K×8位，其引腳及內部結構框圖如圖5.7所示。5.2.2動態隨機存取存儲器動態RAM芯片是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管組成，以三管和單管較為常用。1．動態基本存儲電路1）三管動態基本存儲電路2）單管動態基本存儲電路2.動態RAM芯片舉例Intel2116單管動態RAM芯片的引腳名稱Intel2116單管動態RAM芯片的內部結構框圖5.3只讀存儲器5.3.1只讀存儲器存儲信息的原理和組成ROM的存儲元件及16×1位的ROM機構圖如圖所示。5.3.2只讀存儲器的分類1．不可編程掩模式MOS只讀存儲器2．可編程只讀存儲器 PROM（ProgrammableROM）3．可擦除、可再編程的只讀存儲器 EPROM（erasablePROM）5.3.3常用ROM芯片舉例1．Intel2716芯片1）Intel2716的引腳與內部結構2716的工作方式2716的工作方式如表所示：2．Intel2732芯片2732EPROM芯片的容量為4K×8位，采用HNMOS-E（高速NMOS硅柵）工藝制造和雙列直插式封裝。

3.E2PROM芯片常用的E2PROM芯片有2816/2816A、2817/2817A/2864A等。其中，以2864A的8K×8b的容量為最大，它與6264兼容。主要特點：能像SRAM芯片一樣讀寫操作，在寫之前自動擦除原內容。但它并不能像RAM芯片那樣隨機讀寫，而只能有條件地寫入。在E2PROM的應用中，若需讀某一個單元的內容，只要執行一條存儲器讀指令，即可讀出；若需對其內容重新編程，可在線直接用字節寫入或頁寫入方式寫入。4.FlashROM芯片常用的FlashROM芯片類型和型號很多。在PentiumCPU以上的主板中普通采用了FlashROM芯片來作為BIOS程序的載體。FlashROM也稱為閃速存儲器，在本質上屬于EEPROM。平常情況下FlashROM與EPROM一樣是禁止寫入的，在需要時，加入一個較高的電壓就可以寫入或擦除。為預防誤操作刪除FlashROM中的內容導致系統癱瘓，一般都在FlashROM中固化了一小塊啟動程序(BOOTBLOCK)用于緊急情況下接管系統的啟動。5.4存儲器的擴充及其與CPU的連接5.4.1存儲器的擴充1．位數的擴充2．地址的擴充當擴充存儲容量時，采用地址串聯的方法。用4片16K×8位芯片組成64K×8位存儲器用4片16K×8位的存儲器芯片（或是經過位擴充的芯片組）組成64K×8位存儲器連接線路示意圖。5.4.2存儲器與CPU的連接1．只讀存儲器與8086CPU的連接兩片2732EPROM與8086系統總線的連接示意圖。2．靜態RAM與8086CPU的連接只有兩片6116組成2K字RAM的子系統3．EPROM、靜態RAM與8086CPU連接的實例8086CPU組成的單處理器系統的典型結構。地址分配表5.5內存條技術的發展1．SIMM內存最初出現在80286主板上的“內存條”，采用的是SIMM（SingleIn-lineMemoryModules，單邊接觸內存模組）接口，容量為30線、256KB，一般見到的30線SIMM都是4條一起使用。

圖5.2430線SIMM內存圖5.2572線SIMM內存在1988～1990年，PC技術進入32位的386和486時代，推出了72線SIMM內存，它支持32位快速頁模式內存。72線SIMM內存單條容量一般為512KB～2MB，要求兩條同時使用。5.5內存條技術的發展2．EDODRAM內存外擴充數據模式動態存儲器（ExtendedDataOutDRAM，EDODRAM）是1991～1995年之間盛行的內存條，其速度比普通的DRAM快15～30%。工作電壓為一般為5V，帶寬32位，主要應用在486及早期的Pentium計算機中，需成對使用。3．SDRAM內存自IntelCeleron系列以及AMDK6處理器以及相關的主板芯片組推出后，EDODRAM內存又被SDRAM內存所取代。第一代SDRAM內存為PC66規范，之后有PC100、PC133、PC150(如圖所示)等規范。由于SDRAM的帶寬為64位，正好對應CPU的64位數據總線寬度，因此它只需要一條內存便可工作。5.5內存條技術的發展4．RambusDRAM內存與SDRAM不同的是，RambusDRAM內存采用了新一代高速簡單內存架構，基于RISC（精簡指令集計算機）理論，可以減少數據的復雜性，使得整個系統性能得到提高。Intel在推出高頻PentiumⅢ以及Pentium4CPU的同時，推出了RambusDRAM內存，它曾一度被認為是Pentium4的絕配。5．DDR內存雙倍速率SDRAM（DualDataRateSDRAM，DDRSDRAM）簡稱DDR，它實際上是SDRAM的升級版本，采用在時鐘信號上升沿與下降沿各傳輸一次數據，這使得DDR的數據傳輸速度為傳統SDRAM的兩倍。采用184-PinDIMM的DDR400內存條如圖所示。5.5內存條技術的發展6．DDR2內存DDRIISDRAM同樣采用在時鐘上升/下降沿同時進行數據傳輸的方式，但DDRII內存擁有兩倍于DDR內存預讀能力，DDRII內存的引腳數為240針。LGA775接口的915/925以及945等支持DDR2內存。7．DDR3內存DDR3在DDR2基礎上采用的新型設計，包括：（1）8bit預取設計（DDR2為4bit預取）。（2）采用點對點的拓樸架構，以減輕地址/命令與控制總線的負擔。（3）采用100nm以下的生產工藝，將工作電壓從1.8V降至1.5V。面向64位構架的DDR3顯然在頻率和速度上擁有更多的優勢，在功耗方面DDR3也要出色得多。5.6外部存儲器硬盤是計算機最重要的外部存儲設備，包括操作系統在內的各種軟件、程序、數據都需要保存在硬盤上，其性能直接影響計算機的整體性能。光盤存儲技術是采用磁盤以來最重要的新型數據存儲技術，它具有容量大、工作穩定可靠以及耐用性強等優良性能，特別適合于多媒體應用技術發展的需要。5.6.1硬盤硬盤的核心部件被密封在凈化腔體內，控制電路及外圍電路布置在硬盤背面的一塊電路板上，主要是控制硬盤讀寫數據及硬盤與計算機之間的數據傳輸。電路板上的芯片有主控芯片、緩存芯片等。常見的硬盤接口有兩種，分別是IDE接口和SATA接口。1.硬盤的組成硬盤內部的主要組成部件有記錄數據的磁頭、剛性磁片、馬達及定位系統、電子線路、接口等。1）硬盤的磁頭硬盤磁頭的發展先后經歷了“亞鐵鹽類磁頭”、“MIG（MetalInGAP）磁頭”和“薄膜磁頭”、MR磁頭（MagnetoResistiveHeads，即磁阻磁頭）等幾個階段。此外，技術更為創新的是采用多層結構，用磁阻效應更好的材料制作的GMR磁頭（GiantMagnetoResistiveHeads）已經在2000年問世。2）硬盤的磁盤硬盤內部是由金屬磁盤組成的，分為單碟、雙碟與多碟。3）硬盤的馬達硬盤在工作時，通過馬達的轉動將用戶需要存取的數據所在的扇區帶到磁頭下方，馬達的轉速越快，等待存取記錄的時間也就越短。2.硬盤的分類按接口類型，可將硬盤分為IDE硬盤、SATA硬盤和SCSI硬盤。1）IDE硬盤IDE硬盤曾廣泛使用。通過專用的數據線（40芯IDE排線）與主板的IDE接口相連。

圖5.30IDE接口硬盤、數據線與主板上的IDE接口式樣2.硬盤的分類2）SATA硬盤SATA（SerialATA）接口的硬盤又叫串口硬盤，是主流的硬盤接口。在傳輸方式上，SATA比PATA先進，提高了數據傳輸的可靠性，還具有結構簡單、支持熱插拔的優點。

圖5.31SATA硬盤接口、數據線與主板上的SATA接口式樣3）SCSI硬盤SCSI（SmallComputerSystemInterface，小型計算機系統接口）接口是一種廣泛應用于小型機上的高速數據傳輸技術。SCSI硬盤通過SCSI擴展卡與計算機連接。3.硬盤的幾個主要參數1）單碟容量單碟容量是硬盤重要的參數之一，單碟容量越大技術越先進。硬盤容量等于單碟容量之和，主流的硬盤容量為320GB、500GB等。2）硬盤的轉速硬盤內主軸的轉動速度快慢是決定硬盤內部傳輸率的關鍵因素之一。較高的轉速可以縮短硬盤的平均尋道時間。臺式機硬盤有5400RPM（轉/分鐘）和7200RPM（轉/分鐘）兩種轉速。3）硬盤的傳輸速率IDE接口硬盤的傳輸速率分別為66MB/s、100MB/s、133MB/s；SATA1.0的傳輸速率為150MB/s，SATA2.0的傳輸速率為300MB/s。4）緩存容量硬盤緩存的大小與速度是直接關系到硬盤的傳輸速度的重要因素，較大的緩存可提高硬盤整體性能。主流硬盤的緩存容量為8MB、16MB等，一些高端產品的緩存容量甚至達到了64MB。5）平均尋道時間平均尋道時間由轉速、單碟容量等多個因素決定，一般來說，硬盤的轉速越高，單碟容量越大，其平均尋道時間就越短。5.6.2光盤驅動器1．光盤驅動器的分類按照讀取方式和讀取光盤類型的不同，可將光盤驅動器分為CD-ROM、DVD-ROM和刻錄機三種。1）CD-ROM只讀光盤驅動器CD-ROM，可讀取CD和VCD兩種格式的光盤，已逐漸停止生產。2．DVD-ROMDVD-ROM既可讀CD光盤，也可讀DVD光盤，已成為主流的只讀光盤驅動器。3．刻錄機刻錄機可以分為CD刻錄機、DVD刻錄機以及COMBO。（1）CD刻錄機，可讀取和寫入CD光盤。可寫入數據的光盤有CD-R和CD-RW。（2）DVD刻錄機，不僅可讀取DVD光盤，還可將數據刻錄到DVD或CD光盤中，是主流產品。（3）COMBO刻錄機，它與DVD刻錄機的最大不同在于：COMBO只能刻錄CD光盤，而無法刻錄DVD光盤。2．光驅的倍速1）刻錄數度（1）CD刻錄速度CD刻錄速度是指該光儲產品所支持的最大的CD-R刻錄倍速。主流內置式CD-RW產品能達到52倍速的刻錄速度；外置式的CD-RW刻錄機有48倍速和52倍速等。（2）DVD刻錄速度DVD刻錄速度和刻錄品質是購買DVD刻錄機的首要因素，購買時，盡可能選擇高倍速且刻錄品質較好的DVD刻錄機。2）讀取速度（1）CD讀取速度，是指光存儲產品在讀取CD-ROM光盤時，所能達