第5章微機的存儲器

第五章微機的存儲器存儲器是微機的重要組成部分之一，它的種類很多，各種存儲器存儲信息的媒體、存儲原理和方法也各不相同。本章主要以各種微機中廣泛應(yīng)用的半導(dǎo)體存儲器為對象，在研究存儲器及其基本電路、基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，著重研究存儲芯片及其與CPU之間的連接與擴充問題。此外還簡要介紹了磁表面存儲器、光盤存儲器以及一些新型的存儲器。微機的存儲器5.1存儲器的分類與組成5.2隨機存取存儲器（ＲＡＭ）5.3讀存儲器（ＲＯＭ）5.4存儲器的連接5.5幾種新型的半導(dǎo)體存儲器5.6磁表面存儲器5.7光盤存儲器5.1存儲器的分類與組成存儲器按它與CPU的連接方式不同，可分為內(nèi)存儲器和外存儲器。

通過CPU的外部總線直接與CPU相連的存儲器稱為內(nèi)存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）。CPU要通過I/O接口電路才能訪問的存儲器稱為外存儲器（簡稱外存或二級存儲器）。按存儲器信息的器件和媒體來分，有半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器、磁泡存儲器和磁芯存儲器以及光盤存儲器等。

圖5.1為CPU與存儲器的連接結(jié)構(gòu)示意圖。圖中內(nèi)存由半導(dǎo)體存儲器芯片組成，外存則有磁帶、硬磁盤和軟磁盤等。一、半導(dǎo)體存儲器的分類半導(dǎo)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)。RAM在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內(nèi)容根據(jù)程序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故可稱讀／寫存儲器。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所存儲的信息在斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。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)和動態(tài)(Dynamic)RAM兩種。雙極型RAM的特點是存取速度快，但集成度低，功耗大，主要用于速度要求高的位片式微機中；靜態(tài)MOSRAM的集成度高于雙極型RAM,功耗低于雙極型RAM；動態(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存信息，由于電容器上的電荷會泄漏，它需要定時進(jìn)行刷新。

只讀存儲器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。二、半導(dǎo)體存儲器的組成

半導(dǎo)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。（一）存儲體

存儲體是存儲1或0信息的電路實體，它由許多存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址單元號。而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。存儲器的地址用一組二進(jìn)制數(shù)表示，其地址線的位數(shù)n與存儲單元的數(shù)量N之間的關(guān)系為：

2=Nn地址線數(shù)與存儲單元數(shù)的關(guān)系列于下表中：（二）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：1.單譯碼方式（或稱字結(jié)構(gòu)）它的全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對應(yīng)地址碼的存儲單元。2.雙譯碼方式（或稱重合譯碼）雙譯碼方式如圖5.4所示。它將地址碼分為X和Y兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。

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

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向的選擇線同時選中的那一位存儲單元,才能進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌?/p>

（三）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。外界對存儲器的控制信號有讀信號（ＲＤ）、寫信號（ＷＲ）和片選信號（ＣＳ）等，通過控制電路以控制存儲器的讀或?qū)懖僮饕约捌x。只有片選信號處于有效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。5.2隨機存取存儲器（RAM）一、靜態(tài)隨機存取存儲器（一）靜態(tài)ＲＡＭ的基本存儲電路靜態(tài)ＲＡＭ的基本存儲電路，是由６個ＭＯＳ管組成的ＲＳ觸發(fā)器.如圖5.5所示：T5、T6為行選通門，T7、T8為列選通門。寫操作時，被寫入的信息從I/O、I/O至A、B。讀操作時，被讀入的信息從A、B至I/O、I/O。

A點電平高，B點電平低，代表存1，反之，存0.（二）靜態(tài)RAM的組成靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu)組成原理圖如圖5.6所示：（三）靜態(tài)RAM的讀/寫過程

1.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，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，經(jīng)一定時間，出現(xiàn)在I／O電路的輸入端。Ｉ／Ｏ電路對讀出的信號進(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，所存數(shù)據(jù)還不能送到DB上。（2）在送上地址碼的同時，還要送上讀/寫控制信號（R/W或RD、WR）和片選信號（CS）。讀出時，使R/W＝１，CS＝０，這時，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，存儲單元中的信息被讀出。

2.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CS＝０及寫入信號R/W＝０。這兩個有效控制信號打開三態(tài)門使DB上的數(shù)據(jù)進(jìn)入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。（四）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：(一）動態(tài)基本存儲電路１．三管動態(tài)基本存儲電路三管動態(tài)基本存儲電路如圖5.8所示，它由３個管子和兩條字選擇線，兩條數(shù)據(jù)線組成。二、動態(tài)隨機存儲器

動態(tài)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。由于它所需要的管子較少，故可以擴大每片存儲器芯片的容量，并且其功耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數(shù)采用動態(tài)RAM芯片。寫入操作時，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，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，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，就可以得到原存儲信息了。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ＲＤ為高電平來保證），經(jīng)三態(tài)門（由刷新信號ＲＦＳＨ為低電平時使其導(dǎo)通）反相，再寫入Cg，就可實現(xiàn)刷新。對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉電，Cg的電荷也會在幾毫秒之內(nèi)逐漸泄漏掉，而丟失原存１信息。為此，必須每隔１ms～３ms定時對Cg充電，以保持原存信息不變，此即動態(tài)存儲器的刷新（或叫再生）。２．單管動態(tài)基本存儲電路

單管動態(tài)基本存儲電路如圖5.9所示，它由Ｔ1管和寄生電容Cs組成。寫入時，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，同樣使字選線上為高電平，T1管導(dǎo)通，則存儲在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，其上的電壓由0.2V下降為0.1V。這是一個破壞性讀出，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。（二）動態(tài)RAM芯片舉例Intel2116單管動態(tài)RAM芯片的引腳和邏輯符號如圖5.10所示。16K*1Intel2116單管動態(tài)RAM芯片引腳名稱見表5.2。

Intel2116芯片的存儲容量為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WE為低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。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，動態(tài)基本存儲電路所需管子的數(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單。究竟選用哪種ＲＡＭ，要綜合比較各方面的因素決定。一、只讀存儲器存儲信息的原理和組成

５.3只讀存儲器（ＲＯＭ）ＲＯＭ的存儲元件如圖5.12所示：它可以看作是一個單向?qū)ǖ拈_關(guān)電路。當(dāng)字線上加有選中信號時，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。

ROM的組成結(jié)構(gòu)與RAM相似，一般也是由地址譯碼電路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。圖5.13是有16個存儲單元、字長為1位的ROM示意圖。16個存儲單元，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)片選信號有效時，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個存儲單元的1位，8個這樣的陣列，才能組成一個16×8位的ROM存儲器。（一）不可編程掩模式MOS只讀存儲器不可編程掩模式MOSROM又稱為固定存儲器，其內(nèi)部存儲矩陣的結(jié)構(gòu)如圖5.13所示。它是由器件制造廠家根據(jù)用戶事先編好的機器碼程序，把0、1信息存儲在掩模圖形中而制成的ROM芯片。這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中每個MOS管所存儲的信息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。二、只讀存儲器的分類

（二）可編程存儲器

為了克服上述掩模式MOSROM芯片不能修改內(nèi)容的缺點，設(shè)計了一種可編程序的只讀存儲器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，每一單元都由熔絲接通，則存儲的都是０信息。如果用戶在使用前根據(jù)程序的需要，利用編程寫入器對選中的基本存儲電路通以２０mA－５０mA的電流，將熔絲燒斷，則該單元將存儲信息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。

（三）可擦除、可再編程的只讀存儲器

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，它是未編程的。若EPROM中寫入的信息有錯或不需要時，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的信息全部擦除后再重新寫入，它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時間也很長。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器，即EEPROM，這種只讀存儲器能解決上述問題。但是，EEPROM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，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的EEPROM技術(shù)。三、EPROM芯片實例----Intel2716（一）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、邏輯符號及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖5.14（a）、（b）及（c）。（二）2716的工作方式2716的工作方式見表5.3所示：5.4存儲器的連接

本章要解決兩個問題：一個是如何用容量較小、字長較短的芯片，組成微機系統(tǒng)所需的存儲器；另一個是存儲器與ＣＰＵ的連接方法與應(yīng)注意的問題。一、存儲器芯片的擴充（一）位數(shù)的擴充用１位或４位的存儲器芯片構(gòu)成８位的存儲器，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位的存儲器，如圖5.15所示。這時，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位的存儲器的情況。這時，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。

例：圖5.18是用4片16K×8位的存儲器芯片（或是經(jīng)過位擴充的芯片組）組成64K×8位存儲器連接線路。16K存儲器芯片的地址為14位，而64K存儲器的地址碼應(yīng)有16位。連接時，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。

（二）地址的擴充

當(dāng)擴充存儲容量時，采用地址串聯(lián)的方法。這時，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具有相同低位地址的幾片存儲器芯片進(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)控制信號的電路。有2-4譯碼器，3-8譯碼器等。例如圖5.17是一個2-4譯碼器，輸入端為A0、A1位地址碼，輸出為4根控制線，對應(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。輸入輸出GBAY0Y1Y2Y30000001101010111101111011110圖5.172-4譯碼器2-4譯碼器GBY0Y1Y2Y3A

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

在第3章中，對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)合存儲器的分類及其與8086CPU的具體連接給予較詳細(xì)的說明。圖5.19兩片2732組成4K字程序存儲器二、存儲器與CPU的連接

1.只讀存儲器與8086CPU的連接ROM、PROM或EPROM芯片都可以與8086系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)程序存儲器。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，為了存儲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。該存儲器子系統(tǒng)提供了4K字的程序存儲器(即存放指令代碼的只讀存儲器)。2.靜態(tài)RAM與8086CPU芯片的連接一般，當(dāng)微機系統(tǒng)的存儲器容量少于16K字時，宜采用靜態(tài)RAM芯片，因為大多數(shù)動態(tài)RAM芯片都是以16K×1位或64K×1位來組織的，并且，動態(tài)RAM芯片還要求動態(tài)刷新電路，這種附加的支持電路會增加存儲器的成本。8086CPU無論是在最小方式或最大方式下，都可以尋址1MB的存儲單元，存儲器均按字節(jié)編址。圖5.20給出了2K字的讀寫存儲器子系統(tǒng)。存儲器芯片選用靜態(tài)RAM6116(2K×8位)。3.EPROM、靜態(tài)RAM與8086CPU連接的實例

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)機器復(fù)位時，8086將執(zhí)行FFFF0H單元的指令。p67—68中關(guān)于奇數(shù)庫和偶數(shù)庫的敘述;組別2732（EPROM）地址范圍偶地址奇地址第1組第2組第3組第4組U32U34U36U38U33U35U37U39F8000H-F9FFFHFA000H-FBFFFHFC000H-FDFFFHFE000H-FFFFFH組別6116（靜態(tài)RAM）地址范圍偶地址奇地址第1組第2組第3組第4組U24U26U28U30U25U27U29U3100000H-00FFFH01000H-01FFFH02000H-02FFFH03000H-03FFFH

三、存儲器與CPU連接應(yīng)該注意的一些問題

存儲器與CPU連接時，原則上可將存儲器的地址線、數(shù)據(jù)線與控制信號線分別接到CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線上去。但在實用中，有些問題必須加以考慮。（一）CPU外部總線的負(fù)載能力CPU外部總線的負(fù)載能力，即能帶一個標(biāo)準(zhǔn)的TTL負(fù)載。對于MOS存儲器來說，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可以與存儲器直接相連。而在較大的存儲系統(tǒng)中，連接的存儲器芯片片數(shù)較多，就會造成總線過載，故應(yīng)增加總線的驅(qū)動能力。通常采用加緩沖器或總線驅(qū)動器等方法來實現(xiàn)。（二）各種信號線的配合與連接通常，由于CPU的各種信號要求與存儲器的各種信號要求有所不同，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)。對于共用的數(shù)據(jù)線，由于芯片內(nèi)部有三態(tài)驅(qū)動器，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。而大容量的動態(tài)RAM，為了減少引線的數(shù)目，往往采用分時輸入的方式，這時，需在CPU與存儲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器。

控制線：CPU通過控制線送出命令，以控制存儲器的讀寫操作，以及送出片選信號、定時信號等。（三）CPU的時序與存儲器的存儲速度之間的匹配

CPU在取指和存儲器讀、寫操作時，其時序是固定的，由此來選擇存儲器的存取速度。對速度較慢的存儲器，需要增加等待周期Ｔw，以滿足快速CPU的要求。（四）存儲器的地址分配及片選信號的產(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)的存儲器芯片，其單片的存儲容量有限，需要若干片存儲器芯片才能組成一個存儲器，故要求正確解決芯片的片選信號。5.5幾種新型的半導(dǎo)體存儲器

20世紀(jì)90年代中后期以來，計算機及其相關(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)展相對就比較緩慢了。一般286、386和486微機采用的是單面內(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，這種單面內(nèi)存就必須成對地安裝才能使用。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。

1.帶高速緩存動態(tài)隨機存儲器：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作為高速緩沖存儲器Cache和同步控制接口，來提高存儲器的性能。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，可以實現(xiàn)100MHz的數(shù)據(jù)訪問。流水線式存取時間為7ns。2.DirectRambus接口動態(tài)隨機存儲器：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)需要擴展芯片容量時，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。同時通過把單個內(nèi)存芯片的數(shù)據(jù)輸出通道從8位擴展成16位，這樣在100MHz時就可以使最大數(shù)據(jù)輸出率達(dá)16GB/S。3.雙數(shù)據(jù)傳輸率同步動態(tài)隨機存儲器：DDRDRAM（DoubleDataRateDRAM）在同步動態(tài)讀寫存儲器SDRAM的基礎(chǔ)上，采用延時鎖定環(huán)（Delay－1ockedLoop）技術(shù)提供數(shù)據(jù)選通信號對數(shù)據(jù)進(jìn)行精確定位，在時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需要新的高速時鐘同步電路和符合JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的存儲器模塊，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存儲器，顯示效果成倍提升。4.虛擬通道存儲器：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。在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸（即“帶寬”增大）的同時，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)計上，系統(tǒng)（主要是主板）不需要作大的改動，便能提供對VCM的支持。VCM可從存前端進(jìn)程的外部對所集成的這種“通道緩沖”執(zhí)行讀寫操作。對于內(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要求它獨立于前端進(jìn)程進(jìn)行，即后臺處理與前臺處理可同時進(jìn)行。由于專為這種“并行處理”創(chuàng)建了一個支撐架構(gòu)，所以VCM能保持一個非常高的平均數(shù)據(jù)傳輸速度，同時不用對傳統(tǒng)內(nèi)存架構(gòu)進(jìn)行大的更改。5.快速循環(huán)動態(tài)存儲器：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最主要的特點便是行、列地址同時（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)）。5.6磁表面存儲器

微機系統(tǒng)除了需要存取速度快，可靠性高的內(nèi)存儲器外，還需要配備容量大的外存儲器。外存儲器主要用來存放大量當(dāng)前暫時還不運行的程序和尚待處理的數(shù)據(jù)。外存儲器有磁表面存儲器和光盤存儲器。本節(jié)簡要介紹磁表面存儲器中目前常用的磁盤。一、磁表面存儲信息原理(一)磁性材料的物理特性在計算機中，作為存儲信息的磁性材料，具有矩形磁滯回線特性，如圖5.23所示。（二）磁表面存儲信息的讀寫原理

磁表面存儲器寫入和讀出信息，都是由磁頭來實現(xiàn)的，磁頭的結(jié)構(gòu)如圖5.24所示。

1.寫操作

當(dāng)線圈1某瞬間通過方向由a至b的電流時，在磁頭鐵芯里將產(chǎn)生一順時針方向的磁通，于是，磁頭兩端空隙處形成一個如小箭頭所示的定向磁場。當(dāng)載磁體在這個磁場作用下作相對運動時，在磁層表面就被磁化成相應(yīng)極性的磁化單元，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運動來實現(xiàn)的。當(dāng)磁頭與被磁化了的磁層表面作相對運動時，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。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)電勢方向也不同，從而可以讀出在磁表面上的信息是1或是0。（三）磁表面存儲器的記錄方式

記錄方式就是磁表面存儲器記錄二進(jìn)制信息的方式。為了提高磁表面存儲器的記錄密度和增強記錄的可靠性，采用了多種記錄方式。但目前磁表面存儲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)信號和時鐘信號的編碼方式。二、磁盤存儲器磁盤存儲器主要由3部分組成:磁盤、磁盤驅(qū)動器和磁盤控制器。（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。（二）軟盤驅(qū)動器

軟盤在使用時必須由面板上狹縫插入軟盤驅(qū)動器內(nèi)，由驅(qū)動器實現(xiàn)讀/寫操作，驅(qū)動器結(jié)構(gòu)如圖5.27所示。軟盤驅(qū)動器一般由轉(zhuǎn)動磁盤的驅(qū)動機構(gòu)，讀/寫磁頭的定位機構(gòu)，讀/寫磁頭，讀/寫邏輯，驅(qū)動電機和步進(jìn)電機的控制邏輯等組成。（三）軟盤控制器

軟盤控制器ＦＤＣ（FloppyDiskController)是實現(xiàn)軟盤驅(qū)動器與主機之間信息交換的接口電路，應(yīng)用ＦＤＣ設(shè)計的軟磁盤接口一般如圖5.28所示。

圖5.28軟磁盤接口框圖軟盤控制器的型號很多，但功能相似，其主要功能是將主機的命令翻譯成控制驅(qū)動器的各種信息；將磁盤上的串行信息轉(zhuǎn)換為并行信息輸入計算機，或把來自計算機的信息變成寫入磁盤的串行信息；寄存軟盤驅(qū)動器的各種狀態(tài)，供主機讀出；對信息進(jìn)行校驗等。（四）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。三、硬盤存儲器

硬盤是計算機最重要的外部存儲設(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。隨著PC機的快速騰飛，硬盤也進(jìn)入了一個飛速發(fā)展的階段，接口、容量、轉(zhuǎn)速、磁頭等等都經(jīng)歷了數(shù)次更新?lián)Q代，一度還對上百兆容量的硬盤驚嘆不已的我們，現(xiàn)在已經(jīng)擁有了幾G至幾十G容量的硬盤。用更快、更大、更強來形容硬盤的發(fā)展始終適用，在今后的很長一段時間內(nèi)也會如此。下面我們主要介紹硬盤的一些基本知識。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。硬盤磁頭的發(fā)展先后經(jīng)歷了“亞鐵鹽類磁頭（MonolithicHead）”、“MIG（MetalInGAP）磁頭”和“薄膜磁頭（ThinfilmHead）”、MR磁頭(MagnetoResistiveHeads，即磁阻磁頭)等幾個階段。前3種傳統(tǒng)的磁頭技術(shù)都是采取了讀寫合一的電磁感應(yīng)式磁頭，在設(shè)計方面因為同時需要兼顧／寫兩種特性，因此也造成了硬盤在設(shè)計方面的局限性。

第4種磁阻磁頭在設(shè)計方面引入了全新的分離式磁頭結(jié)構(gòu)，寫入磁頭仍沿用傳統(tǒng)的磁感應(yīng)磁頭，而讀取磁頭則應(yīng)用了新型的MR磁頭，即所謂的感應(yīng)寫、磁阻讀，針對讀寫的不同特性分別進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到最好的讀／寫性能。除上述幾種磁頭外，技術(shù)更為創(chuàng)新的是采用多層結(jié)構(gòu),用磁阻效應(yīng)更好的材料制作的GMR磁（GiantMagnetoResistiveHeads）也已經(jīng)在2000年問世，應(yīng)用這種技術(shù)，可以使目前硬盤的容量在此基礎(chǔ)上再提高10倍以上。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，與我們平時使用的那些普通軟磁盤存儲介質(zhì)的不連續(xù)顆粒相比，這種特殊物質(zhì)的金屬磁盤具有更高的記錄密度和更強的安全性能。目前市場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。

除金屬薄膜磁盤以外，目前已經(jīng)有一些硬盤廠商開始嘗試使用玻璃作為磁盤基片。與金屬薄膜磁盤相比，用玻璃作為盤片有利于把硬盤盤片做得更平滑，單位磁盤密度也會更高，同時由于玻璃的堅固特性，新一代的玻璃硬磁盤在性能方面也會更加穩(wěn)定。不過，這也帶來了新的問題，最主要的就是一旦用玻璃材質(zhì)作為盤片，玻璃材質(zhì)較之金屬材質(zhì)的脆性就會突出地體現(xiàn)出來。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。硬盤正因為有了馬達(dá)才得以帶動盤片在真空封閉的環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，馬達(dá)高速運轉(zhuǎn)時所產(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，通過馬達(dá)的轉(zhuǎn)動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間也就越短。從這個意義上講，硬盤馬達(dá)的轉(zhuǎn)速在很大程度上決定了硬盤最終的速度。在當(dāng)今硬盤不斷向著超大容量邁進(jìn)的同時，硬盤的速度也在不斷提高，這當(dāng)然也就要求硬盤的馬達(dá)必須能夠跟上技術(shù)時代飛速發(fā)展的步伐。4.硬盤的平均訪問時間、平均尋道時間和平均潛伏時間硬盤的平均尋道時間是指硬盤在盤面上移動讀寫頭至指定磁道尋找相應(yīng)目標(biāo)數(shù)據(jù)所用的時間。我們在描述硬盤讀取數(shù)據(jù)能力的時候，目前主要以ms為計算單位，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，磁頭的尋道動作和移動距離會相應(yīng)減少，這樣也就導(dǎo)致硬盤本身的平均尋道時間減少，從而提高了硬盤的速度。

所謂平均潛伏時間，其含意是指相應(yīng)磁道旋轉(zhuǎn)到磁頭下方的時間，一般情況下在2ms～6ms之間。而平均訪問時間指的就是平均尋道時間與平均潛伏時間的總和。平均訪問時間基本上也就代表了硬盤找到某一數(shù)據(jù)所用的時間。平均訪問時間越短越好，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。而所謂內(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)未用時的性能。

從實際應(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，在這兩個速度之間有一緩沖區(qū)以緩解二者的速度差距。而從硬盤緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)的速度又稱為突發(fā)數(shù)據(jù)傳輸率(BurstDataTransferRate)。傳統(tǒng)的普通EIDE硬盤理論上的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了17.5MB／s左右，而采用后來的UltraDMA33／UltraDMA66技術(shù)后，傳輸率瞬間便可以達(dá)到33.3MB／s和66MB／s

。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166MB／s。

SCSI接口硬盤的基本數(shù)據(jù)傳輸率是20MB／s(8bit,50線)。

8.硬盤數(shù)據(jù)保護技術(shù)

（1）SMART技術(shù)（2）DataLifeguard技術(shù)（3）SPS和DPS技術(shù)（4）ShockBlock和MaxSafe技術(shù)（5）Seashield和DST技術(shù)（6）DFT技術(shù)

5.7光盤存儲器

一、概述相對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。光盤存儲技術(shù)是采用磁盤以來最重要的新型數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，它具有容量大、速度高、工作穩(wěn)定可靠以及耐用性強等許多獨特的優(yōu)良性能。光盤存儲器現(xiàn)已有一系列結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)光盤讀寫方式可分為以下幾種：（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。其主要特點是盤上信息一次制成，可以復(fù)讀而不能再寫。現(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。這種光盤的存儲容量一般在650MB--700MB左右。（2）DVD數(shù)字視盤

DVD是1996年推出的一種數(shù)字視盤，主要由于存儲視頻圖像。一張DVD盤片可存儲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器。目前流行的3.5寸MO光盤容量有230MB、640MB和1.5GB幾種。二、光盤