第6章存儲(chǔ)器及其接口

第6章存儲(chǔ)器及其接口

存儲(chǔ)器是微機(jī)的重要組成部分之一，它的種類很多，各種存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的媒體、存儲(chǔ)原理和方法也各不相同。本章主要以各種微機(jī)中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器為對(duì)象，在研究存儲(chǔ)器及其基本電路、基礎(chǔ)知識(shí)的基礎(chǔ)上，著重研究存儲(chǔ)芯片及其與CPU之間的連接與擴(kuò)充問題。此外還簡(jiǎn)要介紹了磁表面存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器以及一些新型的存儲(chǔ)器。6.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本概念6.2存儲(chǔ)器的分類與組成6.3隨機(jī)存儲(chǔ)器6.4只讀存儲(chǔ)器6.5存儲(chǔ)器的連接6.6幾種新型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器6.7高速緩沖存儲(chǔ)器6.8磁表面存儲(chǔ)器6.9光盤存儲(chǔ)器1.掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類與組成。2.掌握RAM與ROM組成原理與工作原理。3.著重理解RAM與ROM讀寫操作的特性及兩者間的區(qū)別。4.掌握存儲(chǔ)器的擴(kuò)充技術(shù)及連接方法。5.了解新型存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展動(dòng)向與趨勢(shì)。6.理解鍵盤保護(hù)技術(shù)。7.了解光盤分類、讀寫原理及其特點(diǎn)。（１）微機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)有三個(gè)基本參數(shù)：

容量：以字節(jié)數(shù)表示；

速度：以訪問時(shí)間TA、存儲(chǔ)周期TM或帶寬BM表示；TA——從接收讀申請(qǐng)到讀出信息到存儲(chǔ)器輸出端的時(shí)間TM——連續(xù)兩次啟動(dòng)存儲(chǔ)器所需的最小時(shí)間間隔 TM>TA

成本：以每位價(jià)格表示w——數(shù)據(jù)總線寬度6.1.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)6.1存儲(chǔ)系統(tǒng)的基本概念

（２）訪問時(shí)間

外存平均訪問時(shí)間ms級(jí) 硬盤9－10ms 光盤80－120ms

內(nèi)存平均訪問時(shí)間ns級(jí)

SRAMCache1－5ns SDRAM內(nèi)存7－15ns EDO內(nèi)存60－80ns EPROM存儲(chǔ)器100－400ns（３）存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)寄存器Cache主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器(磁盤)大容量存儲(chǔ)器(磁帶)外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器訪問的局部性指處理器訪問存儲(chǔ)器時(shí)，無論取指令還是取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲(chǔ)單元都趨向于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)單元區(qū)域中。

時(shí)間上的局部性——最近的將來要用到的信息很可能就是現(xiàn)在正在使用的信息，主要由循環(huán)造成。

空間上的局部性——最近的將來要用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間上是鄰近的。主要由順序執(zhí)行和數(shù)據(jù)的聚集存放造成。

存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)是依靠存儲(chǔ)器訪問的局部性實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)的性能由命中率來衡量。6.1.2存儲(chǔ)器訪問的局部性原理

（1）存儲(chǔ)容量

存儲(chǔ)容量是存儲(chǔ)器的一個(gè)重要指標(biāo)。存儲(chǔ)容量是指存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息量，它一般是以能存儲(chǔ)的字?jǐn)?shù)乘以字長(zhǎng)表示的。即存儲(chǔ)容量=字?jǐn)?shù)×字長(zhǎng)如一個(gè)存儲(chǔ)器能存4096個(gè)字，字長(zhǎng)16位，則存儲(chǔ)容量可用4096×16表示。

微型計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)器幾乎都是以字節(jié)(8位)進(jìn)行編址的，也就是說一個(gè)字節(jié)是“基本”的字長(zhǎng)，所以常常只用可能存儲(chǔ)的字節(jié)數(shù)來表示存儲(chǔ)容量。

存儲(chǔ)容量是反映存儲(chǔ)器存儲(chǔ)能力的指標(biāo)。

6.1.3半導(dǎo)體存儲(chǔ)器技術(shù)性能指標(biāo)

（2）最大存取時(shí)間

存儲(chǔ)器的存取時(shí)間定義為存儲(chǔ)器從接收到尋找存儲(chǔ)單元的地址碼開始，到它取出或存入數(shù)據(jù)為止所需的時(shí)間。通常手冊(cè)上給出這個(gè)參數(shù)的上限值，稱為最大存取時(shí)間。顯然，它是說明存儲(chǔ)器工作速度的指標(biāo)。最大存取時(shí)間愈短，計(jì)算機(jī)的工作速度就愈快。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的最大存取時(shí)間為十幾ns到幾百ns。

（3）可靠性

可靠性是指存儲(chǔ)器對(duì)電磁場(chǎng)及溫度等變化的抗干擾性，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器由于采用大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)，可靠性高，平均無故障時(shí)間為幾千小時(shí)以上。

（4）其它指標(biāo)

體積小、重量輕、價(jià)格便宜、使用靈活是微型計(jì)算機(jī)的主要特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)，所以存儲(chǔ)器的體積大小、功耗、工作溫度范圍、成本高低等也成為人們關(guān)心的指標(biāo)。上述指標(biāo)，有些是互相矛盾的。這就需要在設(shè)計(jì)和選用存儲(chǔ)器時(shí)，根據(jù)實(shí)際需要，盡可能滿足主要要求且兼顧其它。

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)的記憶部件，用來存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)的指令、數(shù)據(jù)和各種信息。

存儲(chǔ)器按它與CPU的連接方式不同可分為：內(nèi)存儲(chǔ)器－通過CPU的外部總線直接與CPU相連外存儲(chǔ)器－CPU要通過I/O接口電路才能訪問

按存儲(chǔ)器信息的器件和媒體來分有：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器、磁泡存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器等。6.2存儲(chǔ)器的分類與組成

下圖為CPU與存儲(chǔ)器的連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖中內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片組成，外存則有磁帶、硬磁盤和軟磁盤等。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類如圖所示。6.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類

RAM在程序執(zhí)行過程中，每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容根據(jù)程序的要求既可隨時(shí)讀出，又可隨時(shí)寫入，故可稱讀／寫存儲(chǔ)器。它主要用來存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)、中間結(jié)果，也用來與外存交換信息和用作堆棧等。RAM所存儲(chǔ)的信息在斷開電源時(shí)會(huì)立即消失，是一種易失性存儲(chǔ)器。

RAM按工藝又可分為雙極型RAM和MOSRAM兩類，而MOSRAM又可分為靜態(tài)(Static)和動(dòng)態(tài)(Dynamic)兩種。雙極型RAM的特點(diǎn)是存取速度快，但集成度低，功耗大，主要用于速度要求高的位片式微中；靜態(tài)MOSRAM的集成度高于雙極型RAM,功耗低于雙極型RAM；動(dòng)態(tài)RAM比靜態(tài)RAM具有更高的集成度,但是它靠電路中柵極電容來儲(chǔ)存信息，由于電容器上的電會(huì)泄它需要定時(shí)進(jìn)行刷新。

只讀存儲(chǔ)器ROM按工藝也可分為雙極型和MOS型，但一般根據(jù)信息寫入的方式不同，而分為:掩模式ROM;可編程PROM和可擦除;可再編程EPROM等。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組成框圖如圖5.3所示。它一般由存儲(chǔ)體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。6.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的組成1.存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體是存儲(chǔ)1或0信息的電路實(shí)體，它由許多存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)編號(hào)，稱為地址單元號(hào)。而每個(gè)存儲(chǔ)單元由若干相同的位組成，每個(gè)位需要一個(gè)存儲(chǔ)元件。存儲(chǔ)器的地址用一組二進(jìn)制數(shù)表示，其地址線的位數(shù)n與存儲(chǔ)單元的數(shù)量N之間的關(guān)系為：N=2n

n地址線數(shù)與存儲(chǔ)單元數(shù)的關(guān)系列于下表中：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(duì)地址碼譯碼。地址譯碼方式有兩種：

(1)單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）它的全部地址只用一個(gè)電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對(duì)應(yīng)地址碼的存儲(chǔ)單元。(2)雙譯碼方式（或稱重合譯碼）

它將地址碼分為X和Y兩部分，用兩個(gè)譯碼電路分別譯碼。

Ｘ向譯碼又稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲(chǔ)矩陣中一行的所有存儲(chǔ)單元。

Ｙ向譯碼又稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元。只有X向和Y向的選擇線同時(shí)選中的那一位存儲(chǔ)單元,才能進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

3.讀/寫電路與控制電路讀/寫電路包括讀/寫放大器、數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等。它是數(shù)據(jù)信息輸入和輸出的通道。外界對(duì)存儲(chǔ)器的控制信號(hào)有讀信號(hào)（ＲＤ）、寫信號(hào)（ＷＲ）和片選信號(hào)（ＣＳ）等，通過控制電路以控制存儲(chǔ)器的讀或?qū)懖僮饕约捌x。只有片選信號(hào)處于有效狀態(tài)，存儲(chǔ)器才能與外界交換信息。

隨機(jī)(讀寫)存儲(chǔ)器按信息存儲(chǔ)方式可分為靜態(tài)RAM(StaticRAM,簡(jiǎn)稱SRAM)和動(dòng)態(tài)RAM(DynamicRAM,簡(jiǎn)稱DRAM)。

（1）

SRAM的特點(diǎn)讀寫速度快；所用管子數(shù)目多，單個(gè)器件容量??；

T1、T2總有一個(gè)處于到通狀態(tài)，功耗較大；

SRAM通常用來做Cache。6.3隨機(jī)存儲(chǔ)器6.3.1靜態(tài)RAM（SRAM）（2）SRAM的基本存儲(chǔ)電路SRAM的基本存儲(chǔ)電路，是由６個(gè)RAM管組成的RS觸發(fā)器.如圖5.5所示：從上頁圖可以開出：用來存儲(chǔ)1位二進(jìn)制信息(0或1)的基本存儲(chǔ)電路，是組成存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)。T1,T3及T2,T4兩個(gè)NMOS反相器交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。其中T3,T4為負(fù)載管，T1,T2為反相管，T5,T6為選通管。T1和T2的狀態(tài)決定了存儲(chǔ)的1位二進(jìn)制信息。

這對(duì)交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是，當(dāng)一個(gè)晶體管導(dǎo)通時(shí)，另一個(gè)就截止；反之亦然。假設(shè)T1導(dǎo)通，T2截止時(shí)的狀態(tài)代表1；相反的狀態(tài)即T2導(dǎo)通，T1截止時(shí)的狀態(tài)代表0，即A點(diǎn)的電平高低分別代表1或0。

當(dāng)行線X和列線Y都為高電平時(shí)，開關(guān)管T5,T6,T7,T8均導(dǎo)通，該單元被選中，于是便可以對(duì)它進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

讀操作：當(dāng)讀控制信號(hào)為高電平而寫控制信號(hào)為低電平時(shí)，T1和T2斷開，T3導(dǎo)通，于是觸發(fā)器的狀態(tài)(A點(diǎn)的電平)便通過T6,T8和T3讀出至數(shù)據(jù)線上，且觸發(fā)器的狀態(tài)不因讀出操作而改變。寫操作：當(dāng)寫控制信號(hào)為高電平而讀控制信號(hào)為低電平時(shí)，T1和T2導(dǎo)通，T3斷開，可進(jìn)行寫操作。若數(shù)據(jù)線為高電平，則T2輸出的高電平通過T8,T6加至T1的柵極，具有反相的T1輸出低電平通過T7,T5加至T2的柵極。不管T1,T2原來狀態(tài)如何，迫使T1導(dǎo)通、T2截止，使觸發(fā)器置成1狀態(tài)。若數(shù)據(jù)線為低電平時(shí)，則與上述情況相反，迫使T1截止，T2導(dǎo)通，使觸發(fā)器置成0狀態(tài)。（3）SRAM的組成SRAM的結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖5.6所示：

利用基本存儲(chǔ)電路排成陣列，再加上地址譯碼電路和讀寫控制電路就可以構(gòu)成讀寫存儲(chǔ)器。下面以4行4列的16個(gè)基本存儲(chǔ)電路構(gòu)成16×1靜態(tài)RAM為例來說明RAM原理，見下頁圖所示。這是一個(gè)16×1的存儲(chǔ)器(即一共16個(gè)字，而每個(gè)字僅為1位)，它由以下幾部分組成：16×1SRAM原理圖

(1)16個(gè)基本存儲(chǔ)電路組成的4×4存儲(chǔ)矩陣；(2)2套(行與列)地址譯碼電路；(3)4套列開關(guān)管(即圖中的T7,T8，這里每個(gè)列方向4個(gè)基本存儲(chǔ)電路共用一套)；(4)一套讀寫控制電路。該存儲(chǔ)器的控制信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)為片選信號(hào)，低電平有效，用來選擇應(yīng)訪問的芯片。有效時(shí)，該芯片被選中，才能進(jìn)行讀寫操作。另一個(gè)是寫允許信號(hào)或讀寫控制信號(hào)R/，規(guī)定低電平時(shí)存儲(chǔ)器進(jìn)行寫操作；高電平時(shí)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀操作。數(shù)據(jù)線為一條，雙向，三態(tài)。

當(dāng)給定地址碼以后，例如A3A2A1A0=0000,則A1A0經(jīng)行地址譯碼電路使0行線為高電平，A3A2經(jīng)列地址譯碼電路使0列線為高電平，于是0基本存儲(chǔ)電路被選中。這時(shí)若CS為高電平，不管WE為什么狀態(tài)，讀控制、寫控制均為低電平，三態(tài)門1、2、3均斷開，該片不工作；若CS為低電平且WE為低電平時(shí)，寫控制為高電平，可進(jìn)行寫操作；若CS為低電平且WE為高電平時(shí)，讀控制為高電平，可進(jìn)行讀操作。同理，當(dāng)?shù)刂反aA3A2A1A0=0100時(shí)，4基本存儲(chǔ)電路被選中；當(dāng)A3A2A1A0=1100時(shí)，12基本存儲(chǔ)電路被選中。（4）SRAM的讀/寫過程

讀出過程:

①地址碼A0－A11加到RAM芯片的地址輸入端，經(jīng)X與Y地址譯碼器譯碼，產(chǎn)生行選與列選信號(hào)，選中某一存儲(chǔ)單元，該單元中存儲(chǔ)的代碼，經(jīng)一定時(shí)間，出現(xiàn)在I／O電路的輸入端。I/O電路對(duì)讀出的信號(hào)進(jìn)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(tài)控制功能，沒有開門信號(hào)，所存數(shù)據(jù)還不能送到DB上。②在送上地址碼的同時(shí)，還要送上讀/寫控制信號(hào)（R/W或RD、WR）和片選信號(hào)（CS）。讀出時(shí)，使R/W＝１，CS＝０，這時(shí)，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存信息送至DB上。于是，存儲(chǔ)單元中的信息被讀出。

寫入過程:①地址碼加在RAM芯片的地址輸入端，選中相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，使其可以進(jìn)行寫操作。②將要寫入的數(shù)據(jù)放在DB上。③加上片選信號(hào)CS＝０及寫入信號(hào)R/W＝０。這兩個(gè)有效控制信號(hào)打開三態(tài)門使DB上的數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入電路，送到存儲(chǔ)單元的位線上，從而寫入該存儲(chǔ)單元。

（4）靜態(tài)RAM芯片舉例靜態(tài)RAM芯片有2114、2142、6116、6264等。例如：常用的Intel6116是CMOS靜態(tài)RAM芯片，屬雙列直插式、21引腳封裝。它的存儲(chǔ)容量為2K×8位，其引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖5.7所示：

DRAM芯片是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲(chǔ)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。由于它所需要的管子較少，故可以擴(kuò)大每片存儲(chǔ)器芯片的容量，并且其功耗較低，所以在微機(jī)系統(tǒng)中，大多數(shù)采用動(dòng)態(tài)RAM芯片。6.3.2動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）1）DRAM芯片的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)矩陣地址總線I/O緩沖器數(shù)據(jù)總線讀寫控制/動(dòng)態(tài)刷新電路RAS地址鎖存器CASWE

2）DRAM的特點(diǎn)所用管子少，芯片位密度高；功耗??；需要刷新；存取速度慢；DRAM主要用來做內(nèi)存。3）DRAM的種類

FPMDRAM存取時(shí)間80-100nsEDODRAM 存取時(shí)間50-70ns SDRAM 存取時(shí)間6-10ns(1）動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路

①三管動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路三管動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路如圖5.8所示，它由３個(gè)管子和兩條字選擇線，兩條數(shù)據(jù)線組成。

寫入操作時(shí)，寫選擇線上為高電平，Ｔ1導(dǎo)通。待寫入的信息由寫數(shù)據(jù)線通過Ｔ1加到Ｔ2管的柵極上，對(duì)柵極電容Cg充電。若寫入１，則Cg上充有電荷；若寫入０，則Cg上無電荷。寫操作結(jié)束后，Ｔ1截止，信息被保存在電容Cg上。

讀出操作時(shí)，先在Ｔ4管柵極加上預(yù)充電脈沖，使Ｔ4管導(dǎo)通，讀數(shù)據(jù)線因有寄生電容CD而預(yù)充到１（VDD）。然后使讀選擇線為高電平，Ｔ3管導(dǎo)通。若Ｔ2管柵極電容Cg上已存有“１”信息，則Ｔ2管導(dǎo)通。這時(shí)，讀數(shù)據(jù)線上的預(yù)充電荷將通過Ｔ3,Ｔ2而泄放，于是，讀數(shù)據(jù)線上為０。若Ｔ2管柵極電容上所存為“０”信息，則Ｔ2管不導(dǎo)通，則讀數(shù)據(jù)線上為１。因此，經(jīng)過讀操作，在讀數(shù)據(jù)線上可以讀出與原存儲(chǔ)相反的信息。若再經(jīng)過讀出放大器反相后，就可以得到原存儲(chǔ)信息了。

對(duì)于三管動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路，即使電源不掉電，Cg的電荷也會(huì)在幾毫秒之內(nèi)逐漸泄漏掉，而丟失原存１信息。為此，必須每隔１ms～３ms定時(shí)對(duì)Cg充電，以保持原存信息不變，此即動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器的刷新（或叫再生）。刷新要有刷新電路，如圖5.8所示，若周期性地讀出信息，但不往外輸出（這由讀信號(hào)ＲＤ為高電平來保證），經(jīng)三態(tài)門（由刷新信號(hào)ＲＦＳＨ為低電平時(shí)使其導(dǎo)通）反相，再寫入Cg，就可實(shí)現(xiàn)刷新。

器件工作溫度增高會(huì)使放電速度變快。刷新時(shí)間間隔一般要求在1——100ms內(nèi)，工作溫度為70℃時(shí)，典型的刷新時(shí)間間隔為2ms。一般C=0.2pF，若允許C兩端電壓變化差為ΔV=1V，泄漏電流I=10-10A，則ΔT=

因此，2ms以內(nèi)必須對(duì)存儲(chǔ)信息進(jìn)行刷新。盡管一行中的各個(gè)基本存儲(chǔ)電路在讀出或?qū)懭霑r(shí)都進(jìn)行了刷新，但對(duì)存儲(chǔ)器中各行的訪問具有隨機(jī)性，無法保證一個(gè)存儲(chǔ)器模塊中的每一個(gè)存儲(chǔ)單元都能在2ms內(nèi)進(jìn)行一次刷新。只有通過專門的存儲(chǔ)器刷新周期對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行定時(shí)刷新才能保證存儲(chǔ)器刷新的系統(tǒng)性。在存儲(chǔ)器刷新周期中，將一個(gè)行地址發(fā)送給存儲(chǔ)器器件，然后執(zhí)行一次讀操作，便可完成對(duì)選中的行中各基本存儲(chǔ)電路的刷新。刷新周期和正常的存儲(chǔ)器讀周期的不同之處主要有以下幾點(diǎn)：(1)在刷新周期中輸入至存儲(chǔ)器器件的地址一般并不來自地址總線，而是由一個(gè)以計(jì)數(shù)方式工作的寄存器提供。

每經(jīng)過一次(即一行)存儲(chǔ)器刷新，該計(jì)數(shù)器加1，所以它可以順序提供所有的行地址，每一行中各個(gè)基本存儲(chǔ)電路的刷新是同時(shí)進(jìn)行的，所以不需要列地址。而在正常的讀周期中，地址來自地址總線，既有行地址，又有列地址。(2)在存儲(chǔ)器刷新周期中，存儲(chǔ)器模塊中每塊芯片的刷新是同時(shí)進(jìn)行的，這樣可以減少刷新周期數(shù)。而在正常的讀周期中，只能選中一行存儲(chǔ)器芯片。(3)在存儲(chǔ)器刷新周期中，存儲(chǔ)器模塊中各芯片的數(shù)據(jù)輸出呈高阻狀態(tài)，即片內(nèi)數(shù)據(jù)線與外部數(shù)據(jù)線完全隔離。從用于刷新的時(shí)間來說，刷新可采用“集中”或“分散”兩種方式的任何一種。

集中刷新方式是在信息保存允許的時(shí)間范圍(2ms)內(nèi)，集中一段時(shí)間對(duì)所有基本存儲(chǔ)電路一行一行地順序進(jìn)行刷新，刷新結(jié)束后再開始工作周期。散刷新方式是把各行的刷新分散在2ms的期間內(nèi)完成。

動(dòng)態(tài)RAM的缺點(diǎn)是需要刷新邏輯，而且刷新周期存儲(chǔ)器模塊不能進(jìn)行正常讀/寫操作。但由于動(dòng)態(tài)RAM集成度高、功耗低和價(jià)格便宜，所以在大容量的存儲(chǔ)器中普遍采用。

②單管動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路

單管動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路如圖5.9所示，它Ｔ1管和寄生電容Cs組成。

寫入時(shí)，使字選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，待寫入的信息由位線D（數(shù)據(jù)線）存入Cs。

讀出時(shí)，同樣使字選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，則存儲(chǔ)在Cs上的信息通過T1管送到D線上，再通過放大，即可得到存儲(chǔ)信息。

為了節(jié)省面積，電容Cs不可能做得很大，一般使Cs＜Cd。這樣，讀出“1”和“0”時(shí)電平差別不大，故需要鑒別能力高的讀出放大器。此外，Cs上的信息被讀出后，其記存的電壓由0.2V下降為0.1V。這是一個(gè)破壞性讀出，要保持原存信息，讀出后必須重寫。因此，使用單管電路，其外圍電路比較復(fù)雜。但由于使用管子最少，4K以上容量較大的RAM，大多采用單管電路。（2）動(dòng)態(tài)RAM芯片舉例Intel2116單管動(dòng)態(tài)RAM芯片的引腳和邏輯符號(hào)如圖5.10所示。Intel2116單管動(dòng)態(tài)RAM芯片引腳名稱見表5.2。

Intel2116芯片的存儲(chǔ)容量為16K×1位，需要14條地址輸入線，但2116只有16條引腳。由于受封裝引線的限制，只用了A0到A67條地址輸入線，數(shù)據(jù)線只有1條(1位)，而且數(shù)據(jù)輸入(DIN)和輸出(DOUT)端是分開的，他們有各自的鎖存期。寫允許信號(hào)WE為低電平時(shí)表示允許寫入，為高電平時(shí)可以讀出。如表5.2指出，它需要3種電源。Intel2116的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5.11所示：

綜上所述，動(dòng)態(tài)基本存儲(chǔ)電路所需管子的數(shù)目比靜態(tài)的要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。但由于要刷新，需要增加刷新電路，外圍控制電路比較復(fù)雜。靜態(tài)ＲＡＭ盡管集成度低些，但靜態(tài)基本存儲(chǔ)電路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較簡(jiǎn)單。究竟選用哪種ＲＡＭ，要綜合比較各方面的因素決定。ROM的存儲(chǔ)元件如圖5.12所示：它可以看作是一個(gè)單向?qū)ǖ拈_關(guān)電路。當(dāng)字線上加有選中信號(hào)時(shí)，如果電子開關(guān)Ｓ是斷開的，位線Ｄ上將輸出信息１；如果Ｓ是接通的，則位線Ｄ經(jīng)Ｔ１接地，將輸出信息0。6.4只讀存儲(chǔ)器6.4.1只讀存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的原理和組成

ROM的組成結(jié)構(gòu)與RAM相似，一般也是由地址譯碼電路、存儲(chǔ)矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。圖5.13是有16個(gè)存儲(chǔ)單元、字長(zhǎng)為1位的ROM示意圖。16個(gè)存儲(chǔ)單元，地址碼應(yīng)為4位，因采用復(fù)合譯碼方式，其行地址譯碼和列地址譯碼各占兩位地址碼。

對(duì)某一固定地址單元而言，僅有一根行選線和一根列選線有效，其相交單元即為選中單元，再根據(jù)被選中單元的開關(guān)狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上將讀出0或1信息例如，若地址Ａ3～Ａ0為0110，則行選線Ｘ2及列選線Ｙ1有效（輸出低電平），圖中，有*號(hào)的單元被選中，其開關(guān)Ｓ是接通的，故讀出的信息為０。當(dāng)片選信號(hào)有效時(shí)，打開三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數(shù)據(jù)總線上。圖中所示僅是16個(gè)存儲(chǔ)單元的1位，8個(gè)這樣的陣列，才能組成一個(gè)16×8位的ROM存儲(chǔ)器。（1）不可編程掩模式MOS只讀存儲(chǔ)器不可編程掩模式MOSROM又稱為固定存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存儲(chǔ)矩陣的結(jié)構(gòu)如圖5.13所示。它是由器件制造廠家根據(jù)用戶事先編好的機(jī)器碼程序，把0、1信息存儲(chǔ)在掩模圖形中而制成的ROM芯片。這種芯片制成以后，它的存儲(chǔ)矩陣中每個(gè)MOS管所存儲(chǔ)的信息0或1被固定下來，不能再改變，而只能讀出。如果要修改其內(nèi)容，只有重新制作。因此，它只適用于大批量生產(chǎn)，不適用于科學(xué)研究。6.4.2只讀存儲(chǔ)器的分類

（2）可編程存儲(chǔ)器

為了克服上述掩模式MOSROM芯片不能修改內(nèi)容的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可編程序的只讀存儲(chǔ)器PROM(ProgrammableROM），用戶在使用前可以根據(jù)自己的需要編制ROM中的程序。熔絲式PROM的存儲(chǔ)電路相當(dāng)于圖5.12的元件原理圖，其中的電子開關(guān)S改為一段熔絲，熔絲可用鎳鉻絲或多晶硅制成。

假定在制造時(shí)，每一單元都由熔絲接通，則存儲(chǔ)的都是０信息。如果用戶在使用前根據(jù)程序的需要，利用編程寫入器對(duì)選中的基本存儲(chǔ)電路通以20mA－50mA的電流，將熔絲燒斷，則該單元將存儲(chǔ)信息１。這樣，便完成了程序修改。由于熔絲燒斷后，無法再接通，所以，PROM只能一次編程.編程后，不能再修改。

（3）可擦除、可再編程的只讀存儲(chǔ)器

PROM芯片雖然可供用戶進(jìn)行一次修改程序，但仍很局限。為了便于研究工作，試驗(yàn)各種ROM程序方案，就研制了一種可擦除、可再編程的ROM，即EPROM（ErasablePROM）。

在EPROM芯片出廠時(shí)，它是未編程的。若EPROM中寫入的信息有錯(cuò)或不需要時(shí)，可用兩種方法來擦除原存的信息。一種是利用專用的紫外線燈對(duì)準(zhǔn)芯片上的石英窗口照射10－20分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復(fù)出廠的狀態(tài)，經(jīng)過照射后的EPROM，就可再寫入信息。寫好信息的EPROM為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口上。這種方法只能把存儲(chǔ)的信息全部擦除后再重新寫入，它不能只擦除個(gè)別單元或某幾位的信息，而且擦除的時(shí)間也越長(zhǎng)。紫外線擦除EPROM的時(shí)間較長(zhǎng)，并且不能只擦除個(gè)別單元的信息。

近幾年來，采用金屬－氮－氧化物－硅（MNOS）工藝生產(chǎn)的MNOS型PROM，它是一種利用電來改寫的可編程只讀存儲(chǔ)器，即EEPROM（E2PROM），這種只讀存儲(chǔ)器的E2PROM的主要特點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線讀寫，并可按字節(jié)進(jìn)行擦除和改寫。E2PROM除了并行傳送數(shù)據(jù)芯片外，還有各種容量串行傳送數(shù)據(jù)芯片。串行E2PROM具有體積小、成本低、電路連接簡(jiǎn)單、占用系統(tǒng)地址線和數(shù)據(jù)線少等優(yōu)點(diǎn)。

但是，E2PROM有存取速度慢，完成改寫程序需要較復(fù)雜的設(shè)備等缺點(diǎn)，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的E2PROM技術(shù)。（1）Intel2716的引腳與內(nèi)部結(jié)構(gòu)2716EPROM芯片的容量為2K×8位，采用NMOS工藝和雙列直插式封裝，其引腳、邏輯符號(hào)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5.14（a）、（b）及（c）。6.4.3EPROM芯片實(shí)例----Intel2716（2）2716的工作方式2716的工作方式見表5.3所示：

本章要解決兩個(gè)問題：一個(gè)是如何用容量較小、字長(zhǎng)較短的芯片，組成微機(jī)系統(tǒng)所需的存儲(chǔ)器；另一個(gè)是存儲(chǔ)器與ＣＰＵ的連接方法與應(yīng)注意的問題。6.5存儲(chǔ)器的連接（1）位數(shù)的擴(kuò)充用１位或４位的存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成８位的存儲(chǔ)器，可采用位并聯(lián)的方法。例如，可以用８片２Ｋ×１位的芯片組成容量為２Ｋ×８位的存儲(chǔ)器，如圖5.15所示。這時(shí)，各芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的各位，而地址線的相應(yīng)位及各控制線，則并聯(lián)在一起。圖5.16則是用２片１Ｋ×４位的芯片，組成１Ｋ×８位的存儲(chǔ)器的情況。這時(shí)，一片芯片的數(shù)據(jù)線接數(shù)據(jù)總線的低4位，另一片芯片的數(shù)據(jù)線則接數(shù)據(jù)總線的高4位。而兩片芯片的地址線及控制線則分別并聯(lián)在一起。6.5.1存儲(chǔ)器芯片的擴(kuò)充技術(shù)

（2）地址的擴(kuò)充

當(dāng)擴(kuò)充存儲(chǔ)容量時(shí)，采用地址串聯(lián)的方法。這時(shí)，要用到地址譯碼電路，以其輸入的地址碼來區(qū)分高位地址，而以其輸出端的控制線來對(duì)具有相同低位地址的幾片存儲(chǔ)器芯片進(jìn)行片選。地址譯碼電路是一種可以將地址碼翻譯成相應(yīng)控制信號(hào)的電路。有2-4譯碼器，3-8譯碼器等。例如圖5.17是一個(gè)2-4譯碼器，入端為A0、A12位地址碼，輸出用1K×4位芯片組成1K×8位存儲(chǔ)器4根控制線，對(duì)應(yīng)于地址碼的4種狀態(tài)，不論地址碼A0、A1為何值，輸出總是只有一根線處于有效狀態(tài)，如邏輯關(guān)系表中所示，輸出以低電平為有效。

例：圖5.18是用4片16K×8位的存儲(chǔ)器芯片（或是經(jīng)過位擴(kuò)充的芯片組）組成64K×8位存儲(chǔ)器連接線路。16K存儲(chǔ)器芯片的地址為14位，而64K存儲(chǔ)器的地址碼應(yīng)有16位。連接時(shí)，各芯片的14位地址線可直接接地址總線的A0～A13，而地址總線的A15，A14則接到2-4譯碼器的輸入端，其輸出端4根選擇線分別接到4片芯片的片選CS端。

因此，在任一地址碼時(shí)，僅有一片芯片處于被選中的工作狀態(tài)，各芯片的取值范圍如表5.４所示。

在上一章中，對(duì)8086最小方式與最大方式的典型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及8086存儲(chǔ)器高低位庫的連接，曾作過一些概略的介紹。這里，將結(jié)合存儲(chǔ)器的分類及其與8086CPU的具體連接給予較詳細(xì)的說明。6.5.2存儲(chǔ)器與CPU的連接

1.只讀存儲(chǔ)器與8086CPU的連接

ROM、PROM或EPROM芯片都可以與8086系統(tǒng)總線連接，實(shí)現(xiàn)程序存儲(chǔ)器。例如，2716、2732、2764和27128這一類EPROM芯片，由于它們屬于以1字節(jié)寬度輸出組織的，因此，在連接到8086系統(tǒng)時(shí)，為了存儲(chǔ)16位指令字，要使用兩片這類芯片并聯(lián)組成一組。圖5.19給出了兩片2732EPROM與8086系統(tǒng)總線的連接示意圖。該存儲(chǔ)器子系統(tǒng)提供了4K字的程序存儲(chǔ)器(即存放指令代碼的只讀存儲(chǔ)器)。2.靜態(tài)RAM與8086CPU芯片的連接

一般，當(dāng)微機(jī)系統(tǒng)的存儲(chǔ)器容量少于16K字時(shí)，宜采用靜態(tài)RAM芯片，因?yàn)榇蠖鄶?shù)動(dòng)態(tài)RAM芯片都是以16K×1位或64K×1位來組織的，并且，動(dòng)態(tài)RAM芯片還要求動(dòng)態(tài)刷新電路，這種附加的支持電路會(huì)增加存儲(chǔ)器的成本。8086CPU無論是在最小方式或最大方式下，都可以尋址1MB的存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)器均按字節(jié)編址。圖5.20給出了2K字的讀寫存儲(chǔ)器子系統(tǒng)。存儲(chǔ)器芯片選用靜態(tài)RAM6116(2K×8位)。

3.EPROM、靜態(tài)RAM與8086CPU連接的實(shí)例

圖5.21給出了8086CPU組成的單處理器系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)。圖中，8086接成最小工作方式（MN/MX引腳置邏輯高電平）。當(dāng)機(jī)器復(fù)位時(shí)，8086將執(zhí)行FFFF0H單元的指令。

存儲(chǔ)器與CPU連接時(shí)，原則上可將存儲(chǔ)器的地址線、數(shù)據(jù)線與控制信號(hào)線分別接到CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線上去。但在實(shí)用中，有些問題必須加以考慮。（1）CPU外部總線的負(fù)載能力CPU外部總線的負(fù)載能力，即能帶一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TTL負(fù)載。對(duì)于MOS存儲(chǔ)器來說，它的直流負(fù)載很小，主要是電容負(fù)載，故在小系統(tǒng)中，CPU可以與存儲(chǔ)器直接相連。而在較大的存儲(chǔ)系統(tǒng)中，連接的存儲(chǔ)器芯片片數(shù)較多，就會(huì)造成總線過載，故應(yīng)增加總線的驅(qū)動(dòng)能力。通常采用加緩沖器或總線驅(qū)動(dòng)器等方法來實(shí)現(xiàn)。6.5.3存儲(chǔ)器與CPU連接應(yīng)該注意的一些問題（2）各種信號(hào)線的配合與連接通常，由于CPU的各種信號(hào)要求與存儲(chǔ)器的各種信號(hào)要求有所不同，往往要配合以必要的輔助電路。

數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)傳送一般是雙向的。存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)線有輸入輸出共用的和分開的數(shù)據(jù)線的連接兩種結(jié)構(gòu)。對(duì)于共用的數(shù)據(jù)線，由于芯片內(nèi)部有三態(tài)驅(qū)動(dòng)器，故它可以直接與CPU數(shù)據(jù)總線連接。而輸入線與輸出線分開的芯片，則要外加三態(tài)門，才能與CPU數(shù)據(jù)總線相連,如圖5.22所示：

地址線：存儲(chǔ)器的地址線一般可以直接接到CPU的地址總線。而大容量的動(dòng)態(tài)RAM，為了減少引線的數(shù)目，往往采用分時(shí)輸入的方式，這時(shí)，需在CPU與存儲(chǔ)器芯片之間加上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，用CAS與RAS分別將地址的高位與低位送入存儲(chǔ)器。

控制線：CPU通過控制線送出命令，以控制存儲(chǔ)器的讀寫操作，以及送出片選信號(hào)、定時(shí)信號(hào)等。（3）CPU的時(shí)序與存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)速度之間的匹配CPU在取指和存儲(chǔ)器讀、寫操作時(shí)，其時(shí)序是固定的，由此來選擇存儲(chǔ)器的存取速度。對(duì)速度較慢的存儲(chǔ)器，需要增加等待周期Ｔw，以滿足快速CPU的要求。（4）存儲(chǔ)器的地址分配及片選信號(hào)的產(chǎn)生

內(nèi)存包括RAM和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)（即監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的內(nèi)存區(qū)域）和用戶區(qū)，因而，要合理地分配內(nèi)存地址空間。此外，由于目前生產(chǎn)的存儲(chǔ)器芯片，其單片的存儲(chǔ)容量有限，需要若干片存儲(chǔ)器芯片才能組成一個(gè)存儲(chǔ)器，故要求正確解決芯片的片選信號(hào)。20世紀(jì)90年代中后期以來，計(jì)算機(jī)及其相關(guān)設(shè)備的技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，但作為重要組件之一的內(nèi)存的發(fā)展相對(duì)就比較緩慢了。一般286、386和486微機(jī)采用的是單面內(nèi)存(SIMM)，總共僅有30線，這些單面內(nèi)存只有32位的內(nèi)存總線帶寬，容量從256KB到4MB不等。但當(dāng)內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)總線拓展到64位時(shí)，這種單面內(nèi)存就必須成對(duì)地安裝才能使用。換句話說，如果要安裝4MB內(nèi)存，就必須使用兩條2MB的單面內(nèi)存。6.6幾種新型的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1.帶高速緩存動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：CDRAM（CachedDRAM）

CDRAM是日本三菱電氣公司開發(fā)的專有技術(shù)，通過在DRAM芯片上集成一定數(shù)量的高速SRAM作為高速緩沖存儲(chǔ)器Cache和同步控制接口，來提高存儲(chǔ)器的性能。這種芯片使用單一的＋3V電源，低壓TTL輸入輸出電平。目前三菱公司可以提供的CDRAM為4MB和16MB版本，其片內(nèi)Cache為16KB，與128位內(nèi)部總線配合工作，可以實(shí)現(xiàn)100MHz的數(shù)據(jù)訪問。流水線式存取時(shí)間為7ns。

2.DirectRambus接口動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：DRDRAM（DirectRambusDRAM）從1996年開始，Rambus公司就在Intel公司的支持下制定出新一代RDRAM標(biāo)準(zhǔn)，這就是DRDRAM。它與傳統(tǒng)的DRAM的區(qū)別在于引腳定義會(huì)隨命令而變，同一組引腳線可以被定義成地址，也可以被定義成控制線。其引腳數(shù)僅為正常DRAM的1/3。當(dāng)需要擴(kuò)展芯片容量時(shí)，只需要改變命令，不需要增加芯片引腳。這種芯片可以支持400MHz外頻，再利用上升沿和下降沿兩次傳輸數(shù)據(jù)，可以使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到800MHz。同時(shí)通過把單個(gè)內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)輸出通道從8位擴(kuò)展成16位，這樣在100MHz時(shí)就可以使最大數(shù)據(jù)輸出率達(dá)16GB/S。

3.雙數(shù)據(jù)傳輸率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器：DDRDRAM（DoubleDataRateDRAM）在同步動(dòng)態(tài)讀寫存儲(chǔ)器SDRAM的基礎(chǔ)上，采用延時(shí)鎖定環(huán)（Delay－1ockedLoop）技術(shù)提供數(shù)據(jù)選通信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位，在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿都可傳輸數(shù)據(jù)（而不是第一代SDRAM僅在時(shí)鐘脈沖的下降沿傳輸數(shù)據(jù)，“DDR”即是“雙數(shù)據(jù)率”的意思），這樣就在不提高時(shí)鐘頻率的情況下，使數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍。由于DDRDRAM需要新的高速時(shí)鐘同步電路和符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的存儲(chǔ)器模塊，所以主板和芯片組的成本較高，一般只能用于高檔服務(wù)器和工作站上。另外，最新出品的GeForce256顯卡大量采用了DDR存儲(chǔ)器，顯示效果成倍提升。

4.虛擬通道存儲(chǔ)器：VCM（VirtualChannelMemory）VCM由NEC公司開發(fā)，是一種新興的“緩沖DRAM”，該技術(shù)將在大容量SDRAM中采用。它集成了所謂的“通道緩沖”，由高速寄存器進(jìn)行配置和控制。在實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸（即“帶寬”增大）的同時(shí)，VCM還維持著與傳統(tǒng)SDRAM的高度兼容性，所以通常也把VCM內(nèi)存稱為VCMSDRAM。在設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)（主要是主板）不需要作大的改動(dòng)，便能提供對(duì)VCM的支持。VCM可從存前端進(jìn)程的外部對(duì)所集成的這種“通道緩沖”執(zhí)行讀寫操作。對(duì)于內(nèi)存單元與通道緩沖之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及內(nèi)存單元的預(yù)充電和刷新等內(nèi)部操作，VCM要求它獨(dú)立于前端進(jìn)程進(jìn)行，即后臺(tái)處理與前臺(tái)處理可同時(shí)進(jìn)行。由于專為這種“并行處理”創(chuàng)建了一個(gè)支撐架構(gòu)，所以VCM能保持一個(gè)非常高的平均數(shù)據(jù)傳輸速度，同時(shí)不用對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)存架構(gòu)進(jìn)行大的更改。

5.快速循環(huán)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器：FCRAM（FastCycleRAM）FCRAM由富士通和東芝聯(lián)合開發(fā)，數(shù)據(jù)吞吐速度可達(dá)普通DRAM/SDRAM的4倍。FCRAM將目標(biāo)定位在需要極高內(nèi)存帶寬的應(yīng)用中，比如業(yè)務(wù)繁忙的服務(wù)器以及3D圖形及多媒體處理等。FCRAM最主要的特點(diǎn)便是行、列地址同時(shí)（并行）訪問，而不像普通DRAM那樣，以順序方式進(jìn)行（首先訪問行數(shù)據(jù)，再訪問列數(shù)據(jù)）。由于動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)集成度高且價(jià)格低，因此微機(jī)系統(tǒng)中主存儲(chǔ)器均采用DRAM構(gòu)成。近幾年來推出的高檔CPU的速度越來越快，而一般的低價(jià)DRAM速度很難滿足CPU對(duì)速度的要求。靜態(tài)RAM(SRAM)雖速度高，但價(jià)格高，用它構(gòu)成大容量主存儲(chǔ)器是根本不可能的。

6.7高速緩沖存儲(chǔ)器6.7.1概述

高速緩沖存儲(chǔ)器(CacheMemory,簡(jiǎn)稱高速緩存)由小容量的高速SRAM和高速緩存控制器組成。它的功能是把CPU將要使用的指令和數(shù)據(jù)從DRAM主存儲(chǔ)器中復(fù)制到高速緩存SRAM中，而由高速緩存SRAM向CPU直接提供它所需要的大多數(shù)的指令和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)零等待狀態(tài)。

DRAM構(gòu)成的主存儲(chǔ)器和高速緩存一起構(gòu)成了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器系統(tǒng)。這種動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器系統(tǒng)可以構(gòu)成模擬大量高速緩存的方式，使得整個(gè)系統(tǒng)以近乎DRAM的價(jià)格，提供近乎大容量SRAM的性能。命中率高的高速緩沖存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存取速度接近于SRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

在高速緩沖存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，所有信息都存儲(chǔ)于主存儲(chǔ)器內(nèi)，而其中一部分則拷貝一份存儲(chǔ)在高速緩存內(nèi)。每當(dāng)CPU要存取存儲(chǔ)器時(shí)，都先檢查高速緩存。若所要的指令或數(shù)據(jù)在高速緩存內(nèi)，則CPU直接存取高速緩存。這種情況稱為高速命中。反之，若CPU所要的指令或數(shù)據(jù)不在高速緩存內(nèi)，則需存取較慢速的主存儲(chǔ)器，這種情況稱為高速未命中。在高速未命中，CPU在等待存取主存儲(chǔ)器時(shí)，高速緩存控制器就將這些數(shù)據(jù)由主存儲(chǔ)器取入高速緩存內(nèi)。

由于使用高速緩存的主要目的在于提高訪問存儲(chǔ)器的速度，因而高速命中率愈高，高速緩沖存儲(chǔ)器系統(tǒng)的性能愈好理想的情況是如果我們能完全預(yù)測(cè)CPU未來要存取的存儲(chǔ)位置，而預(yù)先將這些存儲(chǔ)位置的內(nèi)容送入高速緩存內(nèi)，則高速緩存的命中率可達(dá)百分之百。不過，這是不可能的。但是，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)程序都有一個(gè)基本特性，即程序緊接著需存取的存儲(chǔ)位置通常都位于目前其所存取的存儲(chǔ)位置附近。這一原則即稱為程序局部性(programlocality)或存取局部性(localityofreference)原理。

程序局部性是明顯的。例如，一般程序的執(zhí)行都是順序地一一執(zhí)行相鄰的指令，因而彼此都很靠近。還有循環(huán)的執(zhí)行亦是CPU在一段期間內(nèi)均一直重復(fù)執(zhí)行同一組在一起的指令。此外，諸如數(shù)據(jù)變量的存取亦經(jīng)常是連續(xù)存取幾次。堆棧只能由棧頂一端存取，故一串的壓棧與彈出操作均存取距離目前棧頂不遠(yuǎn)的存儲(chǔ)位置。字符串或數(shù)組的存取亦經(jīng)常是循序地一一經(jīng)過每一元素。

根據(jù)局部性原理，在預(yù)測(cè)程序的存取類型不可能的情況下，提高高速命中率最可靠的方法即以高速緩存存取CPU在最近的過去一直在使用的指令與數(shù)據(jù)。因?yàn)?，根?jù)局部性原理，這些指令與數(shù)據(jù)，亦是在最近的未來CPU所最可能用到的。在CPU第1次存取到某些位置時(shí)，我們即將這些位置以及附近位置的內(nèi)容送入高速緩存內(nèi)，若無意外，則這些新送入的存儲(chǔ)內(nèi)容應(yīng)當(dāng)是CPU稍后就會(huì)再存取到的。

每次在CPU存取到不在高速緩存里面的新存儲(chǔ)區(qū)時(shí)，我們都這樣做。而在高速緩存已經(jīng)存滿時(shí)，我們即把現(xiàn)有高速緩存內(nèi)很久沒用到的部分刪除，讓高速緩存永遠(yuǎn)保存著最新的最常用的數(shù)據(jù)內(nèi)容。

高速緩存控制器將主存儲(chǔ)器分成若干個(gè)塊，每一塊為2、4、8、16或32個(gè)字節(jié)，并在需要時(shí)，每次取入一個(gè)塊，而不是一個(gè)字節(jié)。這樣的塊可以包含處在所需字節(jié)前后的數(shù)據(jù)。塊的大小要適宜，否則影響系統(tǒng)的性能。

高速SRAM均含有兩部分。其中，數(shù)據(jù)部分即含由主存儲(chǔ)器取入的存儲(chǔ)內(nèi)容。另外，標(biāo)志部分則含這些已取入的存儲(chǔ)內(nèi)容在主存儲(chǔ)器中的地址。常所指的高速緩存大小，即指其存儲(chǔ)數(shù)據(jù)那一部分的大小，而忽略標(biāo)志部分。高速緩存的大小也影響系統(tǒng)的性能。

另外，在CPU更新了高速緩存中某一存儲(chǔ)位置的內(nèi)容后，若對(duì)應(yīng)的主存儲(chǔ)器相應(yīng)位置的內(nèi)容未立即更新，則稍后新取入高速緩存的數(shù)據(jù)很可能正好存入剛被CPU更新過的高速緩存位置。

這種情況稱為高速緩存更新內(nèi)容丟失。為防止此種現(xiàn)象發(fā)生，可采用通寫(writethrough)與回寫(writeback)兩種方式處理。對(duì)于通寫方式，每當(dāng)CPU對(duì)高速緩存某一位置進(jìn)行寫操作時(shí)，高速緩存控制器會(huì)立即將這項(xiàng)新內(nèi)容寫入主存儲(chǔ)器所對(duì)應(yīng)的位置內(nèi)。對(duì)于回寫方式，高速緩存的每一存儲(chǔ)塊的標(biāo)志字段上都附有一更新位。若高速緩存某一存儲(chǔ)塊所含的數(shù)據(jù)曾被CPU更新過，但未同時(shí)更新主存儲(chǔ)器的對(duì)應(yīng)位置內(nèi)容時(shí)，則該塊的更新位的值置為1。

每當(dāng)要將新的內(nèi)容寫入高速緩存任一存儲(chǔ)塊時(shí)，高速緩存控制器即檢查該塊的更新位。若為0，則直接寫入；否則，先將該存儲(chǔ)塊現(xiàn)有內(nèi)容寫回主存儲(chǔ)器對(duì)應(yīng)位置后，再將新內(nèi)容寫入該存儲(chǔ)塊。

高速緩存有3種類型，即全相關(guān)式高速緩存、直接映像式高速緩存和多路成組相關(guān)式高速緩存。80486CPU設(shè)置了8KB的內(nèi)部高速緩存，用于存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)。CPU訪問內(nèi)部高速緩存比訪問主存儲(chǔ)器要大大節(jié)省時(shí)間，減少了對(duì)外部總線的使用，因而提高了系統(tǒng)的性能。Pentium片內(nèi)設(shè)置了兩個(gè)8KB內(nèi)部高速緩存，一個(gè)作為指令高速緩存，另一個(gè)作為數(shù)據(jù)高速緩存。指令和數(shù)據(jù)分別使用不同的高速緩存，使Pentium的性能大大超過80486。6.7.2內(nèi)部高速緩存

在80386CPU系統(tǒng)中設(shè)置了外部高速緩存，而80486CPU也支持外部高速緩存，其引腳信號(hào)PWT和PCD支持外部高速緩存的實(shí)施。外部高速緩存的容量通常比內(nèi)部高速緩存的容量大得多，一般為32～256KB。在80486系統(tǒng)中，當(dāng)內(nèi)部高速緩存沒有命中時(shí)，則在外部高速緩存中大多能命中，只有當(dāng)外部高速緩存也沒有命中時(shí)，才去訪問速度較低的主存儲(chǔ)器。這樣，使CPU訪問存儲(chǔ)器的平均等待時(shí)間幾乎趨于零。外部高速緩存在存儲(chǔ)器系統(tǒng)中的位置如圖所示。外部高速緩存由高速緩存SRAM和高速緩存控制器兩部分組成。高速緩存控制器含有控制邏輯和標(biāo)志存儲(chǔ)器。高速緩存采用直接映像方式或2路成組相關(guān)方式。6.7.3外部高速緩沖

系統(tǒng)程序和各種應(yīng)用程序以及數(shù)據(jù)存放在硬盤中，系統(tǒng)中需要常駐內(nèi)存的程序以及當(dāng)前執(zhí)行的程序由操作系統(tǒng)調(diào)入主存儲(chǔ)器(DRAM)中，CPU經(jīng)常要使用的主存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)被拷貝到高速緩存中。外部高速緩存位于CPU和主存儲(chǔ)器(DRAM)之間，它一般由幾片高速小容量的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器SRAM組成，讀寫周期一般為15--35ns。高速緩存控制器根據(jù)高速緩存的結(jié)構(gòu)控制高速緩存的操作。

為什么需要高速緩存？CPU工作速度與內(nèi)存工作速度不匹配例如，800MHz的PIIICPU的一條指令執(zhí)行時(shí)間約為1.25ns，而133MHz的SDRAM存取時(shí)間為7.5ns，即83%的時(shí)間CPU都處于等待狀態(tài)，運(yùn)行效率極低。解決：CPU插入等待周期——降低了運(yùn)行速度；采用高速RAM——成本太高；在CPU和RAM之間插入高速緩存——成本上升不多、但速度可大幅度提高?？偨Y(jié)DBCPUCache控制部件CacheRAMAB①送主存地址②檢索(用主存地址作為關(guān)鍵字,查找CAM)—前提：每次訪問的主存地址都保留在CAM內(nèi)。CAM—ContentAccessMemory③命中則發(fā)出讀Cache命令,從Cache取數(shù)據(jù)④不命中則發(fā)出讀RAM命令,從RAM取數(shù)據(jù)6.7.4Cache的工作原理

取指令、數(shù)據(jù)時(shí)先到CACHE中查找：找到（稱為命中）——直接取出使用；沒找到——到RAM中取，并同時(shí)存放到CACHE中，以備下次使用。只要命中率相當(dāng)高，就可以大大提高CPU的運(yùn)行效率，減少等待?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)中CACHE的命中率都在90%以上。命中率影響系統(tǒng)的平均存取速度系統(tǒng)的平均存取速度≈

Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×不命中率例如：RAM的存取時(shí)間為8ns，CACHE的存取時(shí)間為1ns，CACHE的命中率為90%。則存儲(chǔ)器整體訪問時(shí)間由沒有CACHE的8ns減少為： 1ns×90%+8ns×10%=1.7ns速度提高了近4倍。在一定的范圍內(nèi)，Cache越大，命中率就越高，但相應(yīng)成本也相應(yīng)提高Cache與內(nèi)存的空間比一般為1128不命中時(shí)有以下幾種替換算法：隨機(jī)替換先進(jìn)先出FIFO最近最少使用LRU（LeastRecentlyUsed）最久沒有使用LFU（LeastFrequentlyUsed）Cache與主存的一致性兩種常用的更新算法：寫穿式（WT，WriteThrough）——同時(shí)更新回寫式（WB，WriteBack）——僅當(dāng)替換時(shí)才更新主存一般有兩級(jí)CACHE（有的具有三級(jí)）L1CACHE——容量一般為8KB～64KBL2CACHE——容量一般為128KB～2MB

新型CPU一般將這兩級(jí)CACHE都做在CPU內(nèi)核中。而且運(yùn)行速度與CPU內(nèi)核相同，使CPU的整體性能有了極大的提高。6.7.5PC機(jī)中的Cache

（1）磁表面存儲(chǔ)信息原理

在計(jì)算機(jī)中，作為存儲(chǔ)信息的磁性材料，具有矩形磁滯回線特性，如圖7.25所示。當(dāng)外加電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度H(或-H)建立時(shí)，磁性材料將相應(yīng)地產(chǎn)生一磁感應(yīng)強(qiáng)度B(或-B)；當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H(或-H)等于0時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度不等于0而等于+Br(或-Br)。這就是磁性材料的剩磁現(xiàn)象。我們將+Br與-Br分別稱為正向剩磁和負(fù)向剩磁。正是利用磁性材料的兩種不同剩磁狀態(tài)來表示二進(jìn)制信息。

6.8磁盤存儲(chǔ)器6.8.1磁表面存儲(chǔ)信息基礎(chǔ)

規(guī)定+Br表示1，則-Br表示0。如要使磁性材料存1，則加正向脈沖電流；若存0，則加反向脈沖電流。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，變化磁場(chǎng)穿過閉合線圈時(shí)，可以在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)或電流。如果讓已被磁化的磁性材料在繞有線圈回路的磁頭空隙處運(yùn)動(dòng)，使穿過線圈回路中的磁通量發(fā)生變化，那么在線圈中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)，這樣就可以把通過磁性材料的不同剩磁狀態(tài)所表示的二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這就是磁性材料存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的基本原理。

無論哪種磁表面存儲(chǔ)器，記錄信息的過程都是一種電磁信息轉(zhuǎn)換過程，它是通過磁頭和與磁頭作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的磁介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)的。

磁表面存儲(chǔ)器的讀寫設(shè)備能把數(shù)據(jù)脈沖序列轉(zhuǎn)換為磁表面介質(zhì)上的不同磁化狀態(tài)，這就是寫過程；反過來也可以把磁表面介質(zhì)上不同的磁化狀態(tài)還原為數(shù)據(jù)脈沖序列，即讀過程。工作過程可用下頁圖表示。

（2）磁表面存儲(chǔ)信息的讀寫原理

磁表面存儲(chǔ)器寫入和讀出信息，都是由磁頭來實(shí)現(xiàn)的，磁頭的結(jié)構(gòu)如圖所示。

①寫操作由圖可見，寫過程就是把數(shù)據(jù)序列經(jīng)過寫電路形成寫電流，寫電流流經(jīng)寫線圈，產(chǎn)生與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，磁化磁頭縫隙下的磁層，完成“電—磁”轉(zhuǎn)換。載磁體在磁頭下面作恒速運(yùn)動(dòng)，輸入的脈沖序列不斷改變磁頭中電流的方向，也就是不斷改變磁場(chǎng)的方向，則在表面磁介質(zhì)上形成一串與輸入脈沖序列相對(duì)應(yīng)的有規(guī)律的小磁化單元。若假定該磁化單元的極性表示為二進(jìn)制信息0，則其相反的極性就表示為1。

②讀操作讀過程就是把對(duì)應(yīng)于二進(jìn)制數(shù)據(jù)序列的階躍脈沖序列從磁表面介質(zhì)中還原出來，完成“磁—電”轉(zhuǎn)換。讀出記錄在磁表面上的信息，是通過磁頭與載磁體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)磁頭與被磁化了的磁層表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁頭鐵芯中的磁力線發(fā)生變化，在磁頭線圈回路中便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)信號(hào)（由于磁化單元中剩余磁感應(yīng)的方向不同，因而磁頭線圈回路中的感應(yīng)電勢(shì)方向也不同，從而可以讀出在磁表面上的信息是1或是0），這個(gè)信號(hào)經(jīng)過讀電路放大和處理后，就還原出原來寫進(jìn)去的那種數(shù)據(jù)脈沖序列，完成了對(duì)磁表面介質(zhì)的讀過程。

（3）磁表面存儲(chǔ)器的記錄方式

記錄方式就是磁表面存儲(chǔ)器記錄二進(jìn)制信息的方式。為了提高磁表面存儲(chǔ)器的記錄密度和增強(qiáng)記錄的可靠性，采用了多種記錄方式。但目前磁表面存儲(chǔ)器常用的記錄方式是調(diào)頻制FM（frequencymodulation）方式和改進(jìn)型調(diào)頻制MFM（modifiedfrequencymodulation）方式。采用何種方式取決于數(shù)據(jù)信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)的編碼方式。

磁盤存儲(chǔ)器主要由3部分組成:磁盤、磁盤驅(qū)動(dòng)器和磁盤控制器。（一）磁盤磁盤分為兩種，若磁盤盤片用鋁合金制成，稱為硬磁盤；若磁盤盤片用塑料制成，則稱為軟磁盤。在磁盤盤片表面上涂以極薄的磁性氧化物層，作為存儲(chǔ)信息的載體。1）軟磁盤簡(jiǎn)稱軟盤。在微機(jī)系統(tǒng)中使用的軟盤主要有5.25英寸和3.5英寸兩種。5.25英寸軟盤封裝在方形的保護(hù)套內(nèi)，3.5英寸軟盤封裝在一個(gè)保護(hù)磁盤的硬塑料套中。6.8.2磁盤存儲(chǔ)器的組成

通常把一張軟盤片的兩個(gè)面都分成若干條磁道，每條磁道又分成若干個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可存放一定字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于存取文件是以扇區(qū)為單位進(jìn)行的。因此，必須對(duì)每個(gè)扇區(qū)地址進(jìn)行編號(hào)，這種編號(hào)稱為軟盤地址。軟盤地址一般由磁道號(hào)、面(頭)號(hào)、區(qū)段號(hào)組成。①磁道號(hào)。在軟盤上，從最外側(cè)00道開始，依照順序向里排列。再向里排列還有10道左右的備份磁道，用來替換壞磁道。

②面(磁頭)號(hào)。對(duì)雙面軟盤驅(qū)動(dòng)器而言，0面對(duì)應(yīng)的讀/寫磁頭，編號(hào)記作00；1面對(duì)應(yīng)的讀/寫磁頭，編號(hào)記作01。③扇區(qū)號(hào)。通常將每一條磁道劃分為若干個(gè)扇區(qū)，盡管外磁道和內(nèi)磁道的記錄密度不同，但扇區(qū)數(shù)相同。

軟盤的格式化出廠的軟盤都是空白磁盤，它不能寫入信息。為了寫入信息必須對(duì)盤片表面劃分磁道和扇區(qū)，登記各扇區(qū)的地址標(biāo)志，這種操作稱為軟盤格式化。格式化操作由專用軟件（如磁道操作系統(tǒng)中的FORMAT文件）來完成。格式化后的軟盤叫空盤，在空盤上就可以寫入信息了。

2）硬盤

硬盤是計(jì)算機(jī)最重要的外部存儲(chǔ)設(shè)備，包括操作系統(tǒng)在內(nèi)的各種軟件、程序、數(shù)據(jù)都需要保存在硬盤上。①硬盤的磁頭

一塊硬盤存取數(shù)據(jù)的工作完全是依靠磁頭來進(jìn)行的，磁頭是硬盤進(jìn)行讀寫的“筆尖”，通過全封閉式的磁阻感應(yīng)讀寫，將信息記錄在硬盤內(nèi)部特殊的介質(zhì)上。

②硬盤的盤面

硬盤內(nèi)部是由金屬磁盤組成的，分為單碟、雙碟與多碟。它們通過表面的磁性物質(zhì)結(jié)合在一起，具有更高的記錄密度和更強(qiáng)的安全性能。目前市場(chǎng)上主流硬盤的盤片大都是由金屬薄膜磁盤構(gòu)成，這種金屬薄膜磁盤較之普通的金屬磁盤具有更高的剩磁和高頑力，因此也被大多數(shù)硬盤廠商所普遍采用。

③硬盤的馬達(dá)

硬盤主軸上的馬達(dá)控制磁頭在盤片上高速工作。硬盤正因?yàn)橛辛笋R達(dá)才得以帶動(dòng)盤片在真空封閉的環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的浮力使磁頭飄浮在盤片上方進(jìn)行工作。硬盤在工作時(shí)，通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)將用戶需要存取的數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)帶到磁頭下方，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速越快，用戶等待存取記錄的時(shí)間也就越短。④硬盤的平均訪問時(shí)間、平均尋道時(shí)間和平均潛伏時(shí)間硬盤的平均尋道時(shí)間是指硬盤在盤面上移動(dòng)讀寫頭至指定磁道尋找相應(yīng)目標(biāo)數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。我們?cè)诿枋鲇脖P讀取數(shù)據(jù)能力的時(shí)候，目前主要以ms為計(jì)算單位，而硬盤讀取數(shù)據(jù)一般在6ms～14ms之間。當(dāng)硬盤的單碟容量增大時(shí)，磁頭的尋道動(dòng)作和移動(dòng)距離會(huì)相應(yīng)減少，這樣也就導(dǎo)致硬盤本身的平均尋道時(shí)間減少，從而提高了硬盤的速度。

所謂平均潛伏時(shí)間，其含意是指相應(yīng)磁道旋轉(zhuǎn)到磁頭下方的時(shí)間，一般情況下在2ms～6ms之間。而平均訪問時(shí)間指的就是平均尋道時(shí)間與平均潛伏時(shí)間的總和。平均訪問時(shí)間基本上也就代表了硬盤找到某一數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。平均訪問時(shí)間越短越好，一般情況下應(yīng)該控制在11ms～18ms之間，建議用戶選擇那些平均訪問時(shí)間在15ms以下的硬盤。

⑤硬盤的外部傳輸率和內(nèi)部傳輸率

硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率(ExternalTransferRate)是指電腦通過接口將數(shù)據(jù)傳給硬盤的傳輸速度。所謂內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率(InternalTransferRate)就是指硬盤將這些數(shù)據(jù)記錄在盤片上的速度，也稱最大或最小持續(xù)傳輸率(SustainedTransferRate)，反映硬盤緩沖區(qū)未用時(shí)的性能。從實(shí)際應(yīng)用方面分析，硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率比內(nèi)部傳輸率要快很多，在這兩個(gè)速度之間有一緩沖區(qū)以緩解二者的速度差距。

⑥硬盤的緩沖區(qū)

硬盤的緩沖區(qū)是指硬盤本身的高速緩存（Cache)，它能夠大幅度地提高硬盤整體性能。高速緩存其實(shí)就是指硬盤控制器上的一塊存取速度極快的DRAM內(nèi)存,分為寫通式和回寫式。

⑦硬盤的接口類型

硬盤的接口類型主要分為EIDE(EnhancedIntegratedDriveElectronics)和SCSI(SmallComputerSystemInterface)兩種。早期的EIDE接口硬盤采用了PIOMode4模式，其傳輸速率可以達(dá)到16－6MB／s。SCSI接口硬盤的基本數(shù)據(jù)傳輸率是20MB／s(8bit,50線)。

（二）磁盤驅(qū)動(dòng)器

1）軟盤驅(qū)動(dòng)器

軟盤控制器ＦＤＣ（FloppyDiskController)是實(shí)現(xiàn)軟盤驅(qū)動(dòng)器與主機(jī)之間信息交換的接口電路，應(yīng)用ＦＤＣ設(shè)計(jì)的軟磁盤接口一般如圖所示。

上頁圖軟磁盤接口框圖軟盤控制器的型號(hào)很多，但功能相似，其主要功能是將主機(jī)的命令翻譯成控制驅(qū)動(dòng)器的各種信息；將磁盤上的串行信息轉(zhuǎn)換為并行信息輸入計(jì)算機(jī)，或把來自計(jì)算機(jī)的信息變成寫入磁盤的串行信息；寄存軟盤驅(qū)動(dòng)器的各種狀態(tài)，供主機(jī)讀出；對(duì)信息進(jìn)行校驗(yàn)等。

軟盤在使用時(shí)必須由面板上狹縫插入軟盤驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，由驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)讀/寫操作，驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖所示。軟盤驅(qū)動(dòng)器一般由轉(zhuǎn)動(dòng)磁盤的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，讀/寫磁頭的定位機(jī)構(gòu)，讀/寫磁頭，讀/寫邏輯，驅(qū)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的控制邏輯等組成。

軟盤驅(qū)動(dòng)器的工作原理當(dāng)軟盤插入驅(qū)動(dòng)器后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)在2秒內(nèi)帶動(dòng)軟盤以300轉(zhuǎn)每分鐘的速度在保護(hù)套內(nèi)快速旋轉(zhuǎn)。主機(jī)發(fā)出控制命令，通過磁盤控制電路的控制邏輯，由索引孔檢測(cè)磁道的起始位置；同時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過磁頭定位機(jī)構(gòu)帶動(dòng)磁頭沿磁盤徑向移動(dòng)，以便尋找需要讀寫的磁道及扇區(qū)。一旦找到所尋磁道及扇區(qū)的起始位置，讀寫邏輯電路按程序控制命令對(duì)磁盤進(jìn)行信息的存取。而對(duì)于寫保護(hù)缺口被封貼的盤，禁止寫電流通過磁頭線圈，使信息只能讀出，不能寫入。雙面驅(qū)動(dòng)器有上下兩個(gè)磁頭，分別對(duì)上下兩個(gè)盤面進(jìn)行讀/寫操作。軟盤驅(qū)動(dòng)器由軟盤控制器進(jìn)行控制。軟盤驅(qū)動(dòng)器提供給控制器的信號(hào)有：讀數(shù)據(jù)信號(hào)、索引信號(hào)(表示盤片磁道起始位置，每轉(zhuǎn)一圈，發(fā)出一次)、00道信號(hào)(表示磁頭正在0號(hào)磁道)和準(zhǔn)備就緒信號(hào)。軟盤控制器送給驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)有：

驅(qū)動(dòng)器選擇信號(hào)(使驅(qū)動(dòng)器和控制器邏輯上接通)；

電機(jī)接通信號(hào)(控制主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)或停止)；步進(jìn)信號(hào)(使讀/寫磁頭按指定方向移動(dòng)，每個(gè)步進(jìn)信號(hào)使磁頭移過一個(gè)磁道)；方向選擇信號(hào)(指向磁頭移動(dòng)方向)；寫數(shù)據(jù)及寫允許信號(hào)(允許把數(shù)據(jù)寫入磁盤)；磁頭選擇信號(hào)(選兩個(gè)磁頭之一)等。

2)硬盤驅(qū)動(dòng)器

微機(jī)中的硬盤驅(qū)動(dòng)器主要是溫徹斯特磁盤驅(qū)動(dòng)器(WinchesterDiskDrive)，簡(jiǎn)稱溫盤驅(qū)動(dòng)器，俗稱溫盤。溫盤技術(shù)的主要特點(diǎn)是：①溫盤驅(qū)動(dòng)器的HAD(HeadDiskAssembly)組件和定位機(jī)構(gòu)采用全封閉方式。

②磁頭采用接觸式起停在磁盤表面起停區(qū)(設(shè)在盤片最內(nèi)圈)。上述技術(shù)使溫盤具有高密度大容量、高可靠性及小巧、對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)，目前的微機(jī)幾乎全部使用溫盤作為系統(tǒng)的外存儲(chǔ)器。

硬盤驅(qū)動(dòng)器主要由兩大部分組成：①頭盤組件(HDA)。將磁頭、盤片密封在一個(gè)腔體中。它包括磁頭組件、磁頭驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng))、盤片及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng))、讀寫前置電路和循環(huán)過濾器等。②印刷電路板組件(PCBA)。包括控制電路、主軸電機(jī)伺服電路和音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及硬盤驅(qū)動(dòng)器讀寫電路等。硬盤的基本工作原理與軟磁盤相同，都是利用磁表面存儲(chǔ)信息，當(dāng)磁頭在旋轉(zhuǎn)著的盤片表面的磁性介質(zhì)上移動(dòng)時(shí)進(jìn)行讀/寫操作。

但又有許多新特點(diǎn)，除了全密封特點(diǎn)外，磁頭工作時(shí)不與盤面接觸，靠空氣浮力使磁頭浮在盤面上，其間隙很小，約為0.3μm,只有在停機(jī)與啟動(dòng)時(shí)磁頭與盤面接觸，主軸轉(zhuǎn)速為3600轉(zhuǎn)/分以上，尋道速度、位密度及道密度等指標(biāo)均比軟盤驅(qū)動(dòng)器高得多。另一個(gè)重要區(qū)別是，硬盤驅(qū)動(dòng)器由多個(gè)盤片構(gòu)成盤片組，由主軸統(tǒng)一控制旋轉(zhuǎn)。一般為雙面磁盤片，每個(gè)盤片需兩個(gè)磁頭，磁頭數(shù)一般為2、4、6、8等。每個(gè)盤片上的每條磁道可分為16個(gè)或32個(gè)扇區(qū)。當(dāng)分為16個(gè)扇區(qū)時(shí)，則每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)512B信息；當(dāng)分為32個(gè)扇區(qū)時(shí)，則每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)256B信息。每個(gè)盤片對(duì)應(yīng)的同心圓磁道構(gòu)成若干個(gè)圓柱面，稱為柱面。顯然每個(gè)柱面上存儲(chǔ)的信息量相等。

（三）磁盤控制器

1)軟盤控制器

軟盤控制器FDC(FloppyDiskController)是實(shí)現(xiàn)軟盤驅(qū)動(dòng)器與主機(jī)之間信息交換的接口電路。從軟盤控制器的結(jié)構(gòu)上看，它與系統(tǒng)總線相連，一般用34芯扁平電纜連接到軟盤驅(qū)動(dòng)器上。

軟盤控制器主要功能是采用DMA方式使軟盤驅(qū)動(dòng)器中磁盤與內(nèi)存儲(chǔ)器快速交換信息。將主機(jī)的命令翻譯成控制軟盤驅(qū)動(dòng)器的各種信號(hào)；從磁盤上讀回的串行信息轉(zhuǎn)換成并行信息輸入主機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中，或者把主機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中讀出的并行信息變成寫入磁盤的串行信息；寄存軟盤驅(qū)動(dòng)器的各種狀態(tài)，供主機(jī)讀??；對(duì)信息進(jìn)行校驗(yàn)等。

2)硬盤控制器硬盤控制器一般由專用控制芯片、調(diào)制解調(diào)器、狀態(tài)字及I/O接口等組成。硬盤控制器與系統(tǒng)總線的接口應(yīng)包括并行數(shù)據(jù)線、地址線、DMA請(qǐng)求以及磁盤操作后向系統(tǒng)發(fā)出的中斷請(qǐng)求信號(hào)等。

硬盤控制器與硬盤驅(qū)動(dòng)器的接口標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展很快。常用的控制器接口有：ST506/412接口IDE(IntegratedDriveElectronics)接口ESDI(EnhancedSmallDeviceInterface)接口

SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口無論哪種接口，它都要通過內(nèi)部調(diào)制解調(diào)等功能部件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)與硬盤驅(qū)動(dòng)器串行數(shù)據(jù)兩種格式的轉(zhuǎn)換并傳送。

1)軟盤驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的連接

驅(qū)動(dòng)器自成體系，是相對(duì)獨(dú)立的部件，通過總線電纜與適配器相連接。驅(qū)動(dòng)器主要由3大功能系統(tǒng)組成：①讀寫系統(tǒng)，用于將數(shù)據(jù)寫在盤片上或從盤片上讀出數(shù)據(jù)，主要由電子線路實(shí)現(xiàn)。②磁頭定位系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)磁頭對(duì)磁道的尋找和定位，由電子線路和機(jī)械部件混合組成。其尋道時(shí)間及定位精度是十分重要的。③主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用來保證磁盤片以一定的速度穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)。6.8.3磁盤驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的連接圖軟盤驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的連接

2)硬盤驅(qū)動(dòng)器與系統(tǒng)的連接在軟盤驅(qū)動(dòng)器中，讀寫磁頭與盤片接觸在一起，以便讀寫數(shù)據(jù)。在硬盤驅(qū)動(dòng)器中，磁頭和盤片是非接觸式的。主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使盤片高速旋轉(zhuǎn)，通常達(dá)3600r/min，從而在盤片表面產(chǎn)生一層氣墊，磁頭便浮在這層氣墊上。磁頭與盤片間具有μm級(jí)的空隙。

相對(duì)于利用磁通變化和磁化電流進(jìn)行讀寫的磁盤，人們把用光學(xué)原理讀寫信息的圓盤叫做光盤。光盤存儲(chǔ)技術(shù)是采用磁盤以來最重要的新型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，它具有容量大、速度高、工作穩(wěn)定可靠以及耐用性強(qiáng)等許多獨(dú)特的優(yōu)良性能。6.9光盤存儲(chǔ)器

(1)尺寸。標(biāo)準(zhǔn)的CDROM和CDDA盤片的直徑均為120mm,中心裝卡孔為15mm，厚度為1.2mm。

(2)記錄密度（107－108位/cm2）,存貯容量（580或680MB）。

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率。以原始的150MB/s傳輸速率為基礎(chǔ)，出現(xiàn)了2倍速、4倍速、8倍速、12倍速的光盤驅(qū)動(dòng)器。.

(4)緩沖器的大小。為了提高光盤驅(qū)動(dòng)器的效率，每個(gè)光驅(qū)都配有自己的緩沖區(qū)（即一個(gè)用電池供電的RAM區(qū)），緩沖區(qū)的大小直接影響光驅(qū)的性能。一般在64KB-1MB。

(5)平均存取時(shí)間。早期的單速150KB/s光驅(qū)存取信息的平均時(shí)間為350ms,二倍速光驅(qū)為200ms左右，四倍速光驅(qū)大約在100－160ms。6.9.1光盤的主要技術(shù)指標(biāo)

1）只讀光盤

只讀光盤是一次成型的產(chǎn)品，由一種稱為母盤的原盤壓制而成。其主要特點(diǎn)是盤上信息一次制成，可以復(fù)讀而不能再寫?，F(xiàn)在人們廣泛使用的CD音樂盤、VCD影碟以及存放多媒體信息的光盤CDROM等都屬此類。這種光盤的存儲(chǔ)容量一般在650MB--700MB左右。6.9.2典型光盤

2）DVD數(shù)字視盤DVD是1996年推出的一種數(shù)字視盤，主要由于存儲(chǔ)視頻圖像。一張DVD盤片可存儲(chǔ)47GB--177GB的數(shù)據(jù)。目前，DVD的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2MB/s左右。

3）一次性刻錄光盤CD-RCD-R是只能寫入一次的光盤。它需要專門的刻錄機(jī)來刻錄信息，一旦將信息刻錄好之后就再也不能更改。這種光盤的容量一般為650MB。

4）可擦寫光盤

可擦寫光盤與CD-ROM光盤的本質(zhì)區(qū)別是可以重復(fù)讀寫信息，如MO,PD,CD-RW等均屬此類光盤。其中，MO（magnetoopticaldisk，磁光盤）是利用磁性材料作為記錄介質(zhì)而用激光作為記錄、讀出和擦除手段的存儲(chǔ)器。目前流行的3.5寸MO光盤容量有230MB、640MB和1.5GB幾種。（一）光盤存儲(chǔ)器的組成下圖是光盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作原理圖。該系統(tǒng)的功能部件包括：6.9.3盤存儲(chǔ)器的組成及寫讀原理該系統(tǒng)的功能部件包括：(1)激光源和與之相連的形成讀／寫光點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)，通過它可將數(shù)據(jù)寫入光盤或由其中讀出。(2)檢測(cè)和校正讀／寫光點(diǎn)與數(shù)據(jù)道之間的定位誤差的光電系統(tǒng)。通過光檢測(cè)器產(chǎn)生聚焦伺服與跟蹤伺服信號(hào)，根據(jù)這些信號(hào)在與光盤垂直的方向上移動(dòng)聚焦透鏡，在光盤的半徑方向上移動(dòng)聚焦透鏡或使跟蹤反射鏡偏轉(zhuǎn)，即可相應(yīng)地實(shí)現(xiàn)聚焦控制和跟蹤控制，把激光聚焦在光盤的記錄層上，使光點(diǎn)中心與信道中心吻合。(3)檢測(cè)和讀出數(shù)據(jù)的光電系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)光檢測(cè)器產(chǎn)生數(shù)據(jù)信號(hào)，在記錄過程中還產(chǎn)生形成凹坑（或其他信息標(biāo)志）的監(jiān)測(cè)信號(hào)。以上3部分組成小巧的光學(xué)讀／寫頭，簡(jiǎn)稱光頭，即圖中的點(diǎn)劃線內(nèi)部分。(4)移動(dòng)光頭的機(jī)構(gòu)。光頭安置在平臺(tái)或小車上，并與直流電機(jī)連接，以便在徑向讀／寫數(shù)據(jù)，校正光盤的偏心。(5)寫／讀數(shù)據(jù)通道中的編碼／譯碼，以及誤差檢驗(yàn)與校正（即ＥＣＣ）電路。(6)光盤，即數(shù)據(jù)存儲(chǔ)媒體。(7)光盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。由直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)光盤，通過旋轉(zhuǎn)編碼器產(chǎn)生伺服信號(hào)，控制光盤轉(zhuǎn)速，以便進(jìn)行寫／讀操作。(8)光盤機(jī)的電子線路，包括所有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的伺服電路，和把數(shù)據(jù)傳送到光盤以及從光盤上輸出數(shù)據(jù)的通道電路。光盤存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道如圖示。

用戶數(shù)據(jù)通過接口被送進(jìn)輸入緩沖器，緩沖器可提供“彈性”存儲(chǔ)能力，以適應(yīng)變化著的輸入數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)從輸入緩沖器以稱為子塊的字符組形式進(jìn)入記錄格式器。每個(gè)子塊要通過錯(cuò)誤檢測(cè)與校正編碼器，加入奇偶校驗(yàn)位，以便隨后讀出時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤保護(hù)。記錄格式器將子塊組成地址塊，在其上加入地址信息，以便于讀出時(shí)的數(shù)據(jù)檢索。最后，記錄格式器將地址塊編組成若干字節(jié)的面向用戶的數(shù)據(jù)塊，這是讀出時(shí)可隨機(jī)檢索的最小數(shù)據(jù)單位。

(二)盤片的構(gòu)造

盤片是一個(gè)圓形薄片,其外尺寸有多種，最常見的標(biāo)準(zhǔn)尺寸是外徑120mm，內(nèi)孔徑15mm，厚度1.2mm，其剖面圖見下頁。盤片由3層組成：一層是用透明的聚碳酸脂構(gòu)成的襯底；一層是記錄著信息的鋁反射層