計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ)課件Chapter3

第三章存儲(chǔ)器§3.1存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述§3.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器§3.3主存儲(chǔ)器§3.4計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存管理§3.5外存儲(chǔ)設(shè)備§3.6計(jì)算機(jī)中的文件管理3.1存儲(chǔ)器系統(tǒng)概述3.1.1存儲(chǔ)器的分類3.1.2存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.按在系統(tǒng)中的作用分類3.1.1存儲(chǔ)器的分類主存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱主存)用來(lái)存放CPU當(dāng)前運(yùn)行時(shí)所需要的程序和數(shù)據(jù)，以便向CPU快速提供信息。輔存是用來(lái)存放一些永久保留的程序、數(shù)據(jù)和文件，在CPU需要處理時(shí)再同主存交換，輔存又稱外存儲(chǔ)器。主存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器2.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類3.1.1存儲(chǔ)器的分類根據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)的材料和器件不同，可將存儲(chǔ)器分為磁存儲(chǔ)器、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器。在微型計(jì)算機(jī)中，通常采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器作為內(nèi)存儲(chǔ)器，用硬磁盤、軟磁盤、光盤和磁帶作為外存儲(chǔ)器。3.按信息存儲(chǔ)方式分類3.1.1存儲(chǔ)器的分類1.存儲(chǔ)容量3.1.2存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)指存儲(chǔ)器可以容納的二進(jìn)制信息量的多少，通常以存儲(chǔ)單元的總位數(shù)來(lái)表示。即容量=字?jǐn)?shù)×字長(zhǎng)。字?jǐn)?shù)即存儲(chǔ)單元數(shù)，字長(zhǎng)即一個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)。如某存儲(chǔ)器有2048個(gè)存儲(chǔ)單元，每個(gè)單元存放8位二進(jìn)制數(shù)，則其容量為2048×8位。2.最大存取時(shí)間3.1.2存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的存取時(shí)間為訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器(對(duì)該存儲(chǔ)器中指定單元的一次寫入或讀出)所需的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間的上限即為最大存取時(shí)間。最大存取時(shí)間越短，則存儲(chǔ)器的工作速度越快。3.其它指標(biāo)可靠性、集成度、價(jià)格等也是需要我們關(guān)心的性能指標(biāo)。4、計(jì)量單位位：一個(gè)cell，記做bit字節(jié)：8bit，記做Byte，簡(jiǎn)寫B(tài)1KB=1024B1MB=1024KB1GB=1024MB1TB=1024GB1PB=1024TB……

00001H00000HFFFFFH…………5、存儲(chǔ)器地址空間

8086地址總線有20位，可以尋址220=1M字節(jié)的存儲(chǔ)器地址空間，按照00000H~FFFFFH來(lái)編址。

■編址的單位為字節(jié)3.1.2存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)+段寄存器值偏移量物理地址IPCSSI、DI、BXDSSP、BPSS代碼段數(shù)據(jù)段堆棧段存儲(chǔ)單元物理地址的計(jì)算

物理地址=段地址+偏移量8086運(yùn)行過(guò)程中，取指令時(shí)，CPU就會(huì)選擇CS和IP中內(nèi)容形成指令所在的20位物理地址；進(jìn)行內(nèi)存操作是，CPU會(huì)選擇DS和SI、DI或BX形成操作數(shù)所在的20位物理地址。作用:存儲(chǔ)程序和被處理的數(shù)據(jù)以及運(yùn)算的結(jié)果。

1、主存、輔存、高速緩存按存儲(chǔ)器在微機(jī)中的不同地位，可以分為：主存：或稱內(nèi)存，它用來(lái)存放當(dāng)前正在使用的或經(jīng)常要使用的程序和數(shù)據(jù)，CPU可以直接對(duì)其進(jìn)行訪問(wèn)。程序只有被放入內(nèi)存，才能被CPU執(zhí)行。輔存：或稱外存，它用來(lái)永久存放各種信息。高速緩沖存儲(chǔ)器：介于CPU與主存之間的容量更小、而速度更快的存儲(chǔ)器。3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2、多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)-主存與高速緩存多級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的形成:CPU不斷的訪問(wèn)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的存取速度將直接影響計(jì)算機(jī)的工作效率。在某一段時(shí)間內(nèi)，CPU只運(yùn)行存儲(chǔ)器中部分程序和訪問(wèn)部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中大部分是暫時(shí)不用的。增加高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）目的：提高CPU運(yùn)行速度，提高運(yùn)行效率。位置：CPU與主存之間CPU輔存Cache主存CPU輔存主存3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)主存先將某一小數(shù)據(jù)塊移入Cache中，當(dāng)CPU對(duì)主存某地址進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，先通過(guò)地址映像變換機(jī)制判斷該地址所在的數(shù)據(jù)塊是否已經(jīng)在Cache中，若在則訪問(wèn)Cache，稱為“命中”，若不在則CPU直接訪問(wèn)主存，并同時(shí)將主存中包含該地址的數(shù)據(jù)塊調(diào)入Cache中，以備CPU的進(jìn)一步訪問(wèn)。主存地址地址映象變換Cache主存CPU譯碼命中未命中3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)3、虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器是在“主存—輔存”層次結(jié)構(gòu)上的進(jìn)一步發(fā)展和完善，它指的是基于“主存—輔存”的物理結(jié)構(gòu)，由負(fù)責(zé)信息劃分以及“主存—輔存”之間信息調(diào)動(dòng)的輔助硬件和操作系統(tǒng)中的存儲(chǔ)管理軟件所組成的存儲(chǔ)體系。3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)具有虛擬存儲(chǔ)體系的機(jī)器在運(yùn)行時(shí)，先要把運(yùn)行程序的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，再到內(nèi)存中取出指令或數(shù)據(jù)。3、虛擬存儲(chǔ)器非虛擬存儲(chǔ)體系與虛擬存儲(chǔ)體系的本質(zhì)區(qū)別(1)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)允許用戶使用比主存容量大得多的地址空間來(lái)訪問(wèn)主存；而非虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)只允許用戶至多用主存容量，而實(shí)際上只用比主存容量小的、分配給它使用的那部分空間來(lái)訪問(wèn)主存。3.1.3存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)(2)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)每次訪問(wèn)主存時(shí)，都要進(jìn)行虛、實(shí)地址的變換；而非虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)則不必，只在某段程序運(yùn)行之前由操作系統(tǒng)分配主存工作區(qū)，將該段程序從輔存調(diào)至主存。3.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器3.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器與只讀存儲(chǔ)器3.2.2DDR系列存儲(chǔ)器按存取方式分類：雙極型RAM靜態(tài)SRAMMOS動(dòng)態(tài)DRAMROM掩模ROM電可擦除(E2PROM)可編程ROM(PROM)光可擦除(EPROM)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器3.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器

RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器包含兩重含義:1.對(duì)存儲(chǔ)器的訪問(wèn)是隨機(jī)的，即能以任意的順序訪問(wèn)一存儲(chǔ)單元。

2.存儲(chǔ)器可讀可寫。

RAM主要用于主存儲(chǔ)器和高速緩沖存儲(chǔ)器。RAM按工藝分為晶體管雙極型和MOS型（金屬氧化物半導(dǎo)體）。MOS型又可分為靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器（DRAM）。MOS型示意圖（MOSFET金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）Substratematerial基底材料Currentchannel電流溝道Source

源極Drain

漏極Gate

門電極Metal-oxidelayerMOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）——一種集成電路技術(shù)，在金屬門電極和半導(dǎo)體通道之間采用二氧化硅作為絕緣層來(lái)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。MOSFET:Metal-OxideSemiconductorField-EffectTransistor3.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器

ROM只讀存貯器

CPU正常操作時(shí)，只能讀取ROM中的內(nèi)容，但對(duì)它的訪問(wèn)也是隨機(jī)的。一般在ROM中存放固定的程序和數(shù)據(jù)，如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引導(dǎo)程序、監(jiān)控程序、基本輸入輸出（BIOS）程序等，使計(jì)算機(jī)能夠開(kāi)機(jī)運(yùn)行。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在加電以后，馬上就運(yùn)行ROM中的引導(dǎo)程序，將復(fù)雜的系統(tǒng)程序從輔存中引入主存。3.2.1隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROM掩模ROM是由廠家按用戶要求制作的，制成后，只能讀不能改寫；

PROM稱為可編程的只讀存儲(chǔ)器，PROM允許用戶寫一次，寫完后就無(wú)法再改動(dòng)，應(yīng)用于高速計(jì)算機(jī)的微程序存儲(chǔ)器；

EPROM稱為可擦寫的只讀存儲(chǔ)器，EPROM允許用戶將寫入的內(nèi)容整個(gè)擦除掉，擦掉后還可以重寫，這樣可以反復(fù)多次。最后一次寫成后仍是一個(gè)只讀存儲(chǔ)器；E2PROM稱為可在線擦寫只讀存儲(chǔ)器，它和RAM的讀、寫方式完全類似，只是寫操作時(shí)，需等待E2PROM內(nèi)部操作完成后再寫入下一個(gè)字節(jié)，常用作計(jì)算機(jī)的BIOS芯片。按存儲(chǔ)介質(zhì)（紀(jì)錄0、1信息的物質(zhì)）分類半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：用半導(dǎo)體材料制成的存儲(chǔ)器，大多用作主存。磁表面存儲(chǔ)器：利用磁層來(lái)紀(jì)錄信息，工作時(shí)由磁頭在磁層上的移動(dòng)，來(lái)進(jìn)行讀或?qū)懖僮鳌３Ｓ米鬏o存，如硬盤、軟磁盤、磁帶等。注意：磁介質(zhì)通常要避免粉塵、高溫、煙霧的影響。磁介質(zhì)的磁性會(huì)隨著時(shí)間的流逝而慢慢降低，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。一般，存儲(chǔ)在磁介質(zhì)上的數(shù)據(jù)可靠的生命是三年。1.DDR3.2.2DDR、DDRII與DDRIIIDDR內(nèi)存的電壓標(biāo)準(zhǔn)是SSTL2標(biāo)準(zhǔn)（2.5V），允許在時(shí)鐘脈沖的上升沿和下降沿讀出數(shù)據(jù)，采用了DLL（DelayLockedLoop，延時(shí)鎖定回路）技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)有效的時(shí)候，存儲(chǔ)控制器能夠使這個(gè)數(shù)據(jù)濾波信號(hào)精確定位數(shù)據(jù)。DDR是內(nèi)存的專業(yè)術(shù)語(yǔ)，全稱為DDRSDRAM，

DoubleDataRateSDRAM的縮寫，是雙倍速同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器。2.DDRII3.2.2DDR、DDRII與DDRIII核心頻率與時(shí)鐘頻率相等的情況下，DDRII在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)兩次，也就是說(shuō)，DDRII的數(shù)據(jù)頻率是DDR的數(shù)據(jù)頻率的二倍。DDRII（DoubleDataRate2）是JEDEC（JointElectronDeviceEngineeringCouncil，電子元件工業(yè)聯(lián)合會(huì)）為全球各大生產(chǎn)廠商制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。2.DDRII3.2.2DDR、DDRII與DDRIIIDDRII的主要參數(shù)指標(biāo)核心頻率（MHz）總線頻率（MHz）等效數(shù)據(jù)傳輸頻率（MHz）對(duì)應(yīng)內(nèi)存?zhèn)鬏攷挘℅B/sec）商品標(biāo)注DDRII4001002004003.2PC23200DDRII5331332665334.3PC24300DDRII6671663336675.3PC25300DDRII8002004008006.4PC26400DDRII106626653310668.6PC286003.DDRIII3.2.2DDR、DDRII與DDRIII內(nèi)存控制器與DDRIII內(nèi)存模組之間是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P，PointtoPoint）的關(guān)系，或者是點(diǎn)對(duì)雙點(diǎn)（P22P，Point-to-two-Point）的關(guān)系，從而大大地減輕了地址/命令/控制與數(shù)據(jù)總線的負(fù)載。DDRIII（DoubleDataRate3）也是JEDEC（JointElectronDeviceEngineeringCouncil，電子元件工業(yè)聯(lián)合會(huì)）為全球各大生產(chǎn)廠商制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。3.DDRIII3.2.2DDR、DDRII與DDRIII（1）DDRII為4bit預(yù)取，DDRIII采用了8bit預(yù)取設(shè)計(jì)。DDRIII采用了下面的設(shè)計(jì)。（2）DDRIII的工藝更精巧。（3）DDRIII的電壓從DDRII的的1.8V降低到了1.5V。（4）DDRIII新增了Reset引腳和ZQ校準(zhǔn)引腳。（5）采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓樸架構(gòu)，減輕地址/命令與控制總線的負(fù)擔(dān)。3.3主存儲(chǔ)器3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)3.3.2主存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器CPU存儲(chǔ)體MB2N個(gè)單元地址譯碼器讀寫驅(qū)動(dòng)器MDR數(shù)據(jù)緩沖寄存器MAR地址寄存器時(shí)序/控制N位地址總線M位數(shù)據(jù)總線控制信號(hào)線3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)1、地址線(A19~A0)

用來(lái)輸入選擇存儲(chǔ)器中一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址信號(hào)。2、數(shù)據(jù)線(D7~D0)

用來(lái)存取數(shù)據(jù)，一個(gè)存儲(chǔ)單元存放8位數(shù)據(jù)。3、控制線

ROM:芯片允許CE,輸出允許OE.RAM:芯片允許CE,輸出允許OE，寫允許WR.3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)1.主存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器主要是由存儲(chǔ)體MB、地址寄存器MAR、地址譯碼器電路、讀寫電路、數(shù)據(jù)寄存器MDR和控制線路所組成。CPU與主存之間的信息傳送是通過(guò)存儲(chǔ)器總線進(jìn)行的，存儲(chǔ)器總線包括M位地址總線、N位數(shù)據(jù)總線和若干條控制信號(hào)線。M位地址總線與存儲(chǔ)器的地址寄存器MAR相連，通過(guò)地址譯碼器可訪問(wèn)2M個(gè)存儲(chǔ)單元。N位數(shù)據(jù)總線與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寄存器相連，CPU與存儲(chǔ)器一次最多可交換N位信息。3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器時(shí)，通常都通過(guò)地址寄存器MAR和存儲(chǔ)器緩沖寄存器MBR進(jìn)行。當(dāng)CPU需要從某一存儲(chǔ)單元中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，首先將該單元地址送入MAR，并向存儲(chǔ)器發(fā)讀控制信號(hào)。存儲(chǔ)器此時(shí)開(kāi)始進(jìn)行讀操作，將MAR經(jīng)過(guò)地址譯碼器選中的存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容經(jīng)讀寫驅(qū)動(dòng)器送入MBR，CPU通過(guò)數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)讀入。當(dāng)CPU要向某單元中寫入信息時(shí)，首先將該單元的地址送入MAR，要寫入的數(shù)據(jù)送入MBR。然后通過(guò)控制信號(hào)線發(fā)出寫信號(hào)，將MBR的內(nèi)容寫入由MAR經(jīng)地址譯碼器選中的存儲(chǔ)單元。3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)2.主存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)1)并行多字存儲(chǔ)器CPU每次訪問(wèn)可同時(shí)讀出多個(gè)存儲(chǔ)字。若將存儲(chǔ)器分成四個(gè)體，每個(gè)體存放一個(gè)字，每次讀寫時(shí)四個(gè)體同時(shí)動(dòng)作，一次就可以讀出四個(gè)字，即BM＝4W/TM。3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)2)多體單字交叉存取存儲(chǔ)器采用多體單字順序分時(shí)起動(dòng)的方式，可使CPU能夠快速地在不同的存儲(chǔ)體之間輪流訪問(wèn)而不必等待，以一次傳送一個(gè)字為宜。3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)3)

DRAM的存儲(chǔ)體及外圍電路將存儲(chǔ)矩陣設(shè)計(jì)成128行×128列的形式，在存儲(chǔ)矩陣的每一列中都設(shè)有一個(gè)讀出放大器，讀出放大器既能將讀出的信號(hào)放大輸出，又能將讀出的信號(hào)回寫，起到再生刷新的作用。3.3.1主存儲(chǔ)器的基本組成與結(jié)構(gòu)1.位擴(kuò)展位擴(kuò)展是指存儲(chǔ)芯片與所組合成的存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)相同，而只是進(jìn)行位數(shù)的擴(kuò)充。3.3.2主存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展2.字?jǐn)U展字?jǐn)U展就是對(duì)存儲(chǔ)地址空間(字?jǐn)?shù)上)的擴(kuò)充，而位數(shù)不變。3.3.2主存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展3.字位擴(kuò)展每個(gè)芯片組由兩個(gè)2114芯片位擴(kuò)展組成，容量為1K×8為，字?jǐn)U展成4K×8位共需要4組8片(Z=(4/1)×(8/4)=8)。3.3.2主存儲(chǔ)器的容量擴(kuò)展1.地址總線的連接整個(gè)存儲(chǔ)器的容量要求系統(tǒng)的地址總線要有N條(2N=存儲(chǔ)量容量)，而每個(gè)存儲(chǔ)芯片的地址線引腳有n條(2n=芯片內(nèi)單元的個(gè)數(shù))。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接用位擴(kuò)展方法組成存儲(chǔ)器時(shí)(n=N)，各芯片的地址引線要并接到系統(tǒng)地址總線AN-1～A0上(各芯片的地址范圍相同)。用字?jǐn)U展方法組成存儲(chǔ)器，各芯片地址引線并接到系統(tǒng)地址總線An-1～A0線上，系統(tǒng)剩余地址總線AN-1～An則接到地址譯碼器的輸入端，輸出端(共2(N-n)條)分別接到各芯片的片選輸入端。對(duì)字?jǐn)U展法來(lái)說(shuō)，要確定各芯片的地址范圍，首先要查看連接到地址譯碼器輸入端的高位地址線的信息。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接高位地址線各個(gè)位的一組數(shù)值組合就對(duì)應(yīng)了某一個(gè)被選用芯片，高位地址組合數(shù)目2(N-n)決定了能選中多少片芯片，即相當(dāng)于把存儲(chǔ)空間劃分成了順序排列的2(N-n)組，而每組中的n位地址范圍是相同的。在進(jìn)行位和字同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，可以先進(jìn)行位擴(kuò)展。把每組芯片當(dāng)成一片看待，其字?jǐn)U展的方法與上述單芯片的相同。2.地址總線的位數(shù)多于存儲(chǔ)器需求時(shí)的連接將多出的高位地址線全部接到具有相同數(shù)量輸入端的地址譯碼器上，稱作全譯碼方法。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接全譯碼法不會(huì)產(chǎn)生地址重復(fù)問(wèn)題，存儲(chǔ)器中每個(gè)單元的地址唯一。需要大規(guī)模的譯碼器，費(fèi)用高、譯碼器的輸出線有許多空閑不用，造成浪費(fèi)。部分譯碼法會(huì)產(chǎn)生地址重復(fù)的問(wèn)題，因?yàn)橹灰臀坏刂废嗤?，空閑的高位地址部分的所有的取值(共2k個(gè)k位空閑的地址線根數(shù))都會(huì)選中同一個(gè)存儲(chǔ)單元。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接如果不使用地址譯碼器，而將多出的高位地址總線作為各存儲(chǔ)芯片的片選信號(hào)，實(shí)際上當(dāng)高位地址的幾個(gè)位同時(shí)為0(或1)時(shí)，會(huì)同時(shí)選中兩個(gè)以上的芯片，就會(huì)產(chǎn)生地址沖突。由于存在上述地址沖突或不連續(xù)的問(wèn)題，故通常僅適用于小系統(tǒng)中，且多用于I/O譯碼。在存儲(chǔ)器系統(tǒng)中一般適用于只有兩組芯片需要選擇的場(chǎng)合，用一根地址線的兩個(gè)狀態(tài)分別選擇兩組芯片，就不會(huì)產(chǎn)生地址沖突和地址不連續(xù)的問(wèn)題。3.數(shù)據(jù)總線的連接字?jǐn)U展時(shí)，每一個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線都能提供一個(gè)完整的字節(jié)(或字)，應(yīng)將各片的數(shù)據(jù)線都并接到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接位擴(kuò)展時(shí)，每個(gè)芯片的數(shù)據(jù)線只提供了一位(或幾位)。應(yīng)將其接到一條對(duì)應(yīng)位的數(shù)據(jù)總線上。字位同時(shí)擴(kuò)展時(shí)，應(yīng)先進(jìn)行位擴(kuò)展，將芯片組成一組組的具有與系統(tǒng)總線相同位數(shù)的多個(gè)芯片組，再將所有各芯片組相同的數(shù)據(jù)位線并聯(lián)完成字?jǐn)U展，最后將并聯(lián)的數(shù)據(jù)線全部對(duì)位接于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上。4.控制總線的連接對(duì)存儲(chǔ)器控制總線的連接，只需將系統(tǒng)控制總線中的(讀命令)和(寫命令)線接到所有芯片的

和

引線端。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接5.

8086系統(tǒng)的存儲(chǔ)器物理結(jié)構(gòu)8086CPU外部的數(shù)據(jù)總線是16位的，與存儲(chǔ)器交換數(shù)據(jù)的寬度可以是字節(jié)也可以是字。CPU訪問(wèn)存儲(chǔ)器就有四種情況：從偶數(shù)地址訪問(wèn)字節(jié)、從偶數(shù)地址訪問(wèn)字，從奇數(shù)地址訪問(wèn)字節(jié)和從奇數(shù)技術(shù)地址訪問(wèn)字。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接5.

8086系統(tǒng)的存儲(chǔ)器物理結(jié)構(gòu)將8086所能尋址的1MB容量的存儲(chǔ)器均分成偶地址體和奇地址體，每個(gè)體容量為512KB。3.3.3存儲(chǔ)器與CPU的連接5.

8086系統(tǒng)的存儲(chǔ)器物理結(jié)構(gòu)CPU提供的20位地址信號(hào)A0～A19經(jīng)地址鎖存器8282/8283分離鎖存之后，再將總線A1～A19同時(shí)接到兩個(gè)存儲(chǔ)體地址線A0～A18上。A0則接到偶地址體的片選端，CPU的高位字節(jié)讀/寫允許控制信號(hào)線要接到奇地址體的片選端。偶地址體的數(shù)據(jù)線(8位)接到系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的低8位D0～D7上，奇地址的則接到數(shù)據(jù)總線的高8位D8～D15上。3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器1.

邏輯結(jié)構(gòu)高速緩沖存儲(chǔ)器是由小容量的SRAM和高速緩存控制器構(gòu)成的。3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器1.

邏輯結(jié)構(gòu)高速緩存控制器每次從主存中讀取一個(gè)塊而不是一個(gè)字，塊可以包含所需字(節(jié))前后的數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU對(duì)一個(gè)主存字地址進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，首先經(jīng)過(guò)“主存―Cache”的地址映像變換機(jī)構(gòu)判斷該訪問(wèn)字所在的塊是否已在Cache中。若在則為“命中”，經(jīng)地址映像變換機(jī)構(gòu)，將主存地址變換成Cache地址訪問(wèn)Cache，Cache與CPU進(jìn)行單字信息傳送；若不在(未命中)，則產(chǎn)生塊失效，從主存中調(diào)讀含有該字的那一塊數(shù)據(jù)，通過(guò)多字寬通道讀入Cache，同時(shí)也將被訪問(wèn)字直接從單字寬通道送達(dá)CPU。3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器2.地址的映像與變換在“Cache―主存”存儲(chǔ)層次中，其地址映像是將每個(gè)主存塊按照一定規(guī)則裝入Cache中，而地址變換則是每次訪問(wèn)Cache時(shí)，怎樣將主存地址變換成對(duì)應(yīng)的Cache地址。目前，Cache所采用的地址映像和變換方式有三種：全相連、直接相連和組相連方式。3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器3.對(duì)Cache和主存的寫操作CPU向Cache、主存中寫進(jìn)數(shù)據(jù)，主要有三種方式：直寫式系統(tǒng)緩存直寫式系統(tǒng)回寫式系統(tǒng)3.3.4高速緩沖存儲(chǔ)器4.一級(jí)與二級(jí)高速緩存集成到CPU芯片內(nèi)的稱為內(nèi)部Cache或L1，其特點(diǎn)是容量較小但速度與CPU同速。外部Cache也稱為二級(jí)Cache或L2，其特點(diǎn)是容量通常比內(nèi)部Cache大一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。L2起到CPU與主存之間的緩沖作用，可使CPU達(dá)到理想的運(yùn)行速度。目前有些微處理器已把CPU、L1和L2都集成到一個(gè)芯片上。3.4計(jì)算機(jī)中的內(nèi)存管理3.4.1DOS下的內(nèi)存管理3.4.2Windows下的內(nèi)存管理3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理3.4.1DOS下的內(nèi)存管理常規(guī)存儲(chǔ)區(qū)也被稱為基本內(nèi)存，它位于存儲(chǔ)空間的低區(qū)。地址為00000H～9FFFFH的640KB存儲(chǔ)區(qū)域是用戶存儲(chǔ)器的主要工作區(qū)域。另外DOS系統(tǒng)程序也常駐留在這一存儲(chǔ)區(qū)。3.4.1DOS下的內(nèi)存管理與常規(guī)存儲(chǔ)器相鄰其地址為0A0000H～0FFFFFH的384KB存儲(chǔ)區(qū)域被計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)占用，為保留存儲(chǔ)區(qū)域。它被用來(lái)存放系統(tǒng)I/O管理程序(BIOS程序)。在BIOS中有兩個(gè)非常有用的程序，一個(gè)是自檢測(cè)試程序TEST，另一個(gè)是參數(shù)設(shè)置程序SETUP。計(jì)算機(jī)上的主板都留有擴(kuò)充存儲(chǔ)器插槽，可以插入內(nèi)存條，這一區(qū)域習(xí)慣上被稱為擴(kuò)充存儲(chǔ)區(qū)。3.4.2Windows下的內(nèi)存管理在Windows下的內(nèi)存有常規(guī)內(nèi)存、擴(kuò)充內(nèi)存、擴(kuò)展內(nèi)存及虛擬內(nèi)存四種類型。常規(guī)內(nèi)存同DOS下一樣為640KB以下內(nèi)存。擴(kuò)充內(nèi)存為1MB以上的高區(qū)內(nèi)存，此部分必須通過(guò)安裝存儲(chǔ)器管理程序來(lái)進(jìn)行訪問(wèn)。擴(kuò)展內(nèi)存和擴(kuò)充內(nèi)存在物理上均指1MB以上的高區(qū)內(nèi)存。虛擬內(nèi)存采用交換文件方式將主存暫時(shí)不使用的部分?jǐn)?shù)據(jù)、程序暫存到硬盤的交換文件中，騰出主存供其他程序使用，當(dāng)需要時(shí)再調(diào)入主存。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理1.基本知識(shí)進(jìn)程對(duì)內(nèi)存的管理方式是根據(jù)內(nèi)存的使用目的而采取不同的管理機(jī)制。有些內(nèi)存是事先靜態(tài)分配和統(tǒng)一回收的，而有些卻是按需要?jiǎng)討B(tài)分配和回收的。對(duì)任何一個(gè)普通進(jìn)程，它都會(huì)涉及到五種不同的內(nèi)存段，具體包括：程序代碼段、程序數(shù)據(jù)段、BSS段、堆、棧等。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理數(shù)據(jù)段：用來(lái)存放可執(zhí)行文件中已初始化全局變量，它存放程序靜態(tài)分配的變量和全局變量。BSS段：包含程序中未初始化的全局變量，在內(nèi)存中BSS段全部置零。代碼段：用來(lái)存放可執(zhí)行文件的操作指令，它是可執(zhí)行程序在內(nèi)存中的鏡像。代碼段只準(zhǔn)許讀取操作，不允許寫入（修改）操作。堆（heap）：用于存放進(jìn)程運(yùn)行中被動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存段，大小并不固定，可動(dòng)態(tài)擴(kuò)張或縮減。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理由于棧的“先進(jìn)先出”特點(diǎn)，棧特別方便用來(lái)保存/恢復(fù)調(diào)用現(xiàn)場(chǎng)。從這個(gè)意義上講，可以把堆?？闯梢粋€(gè)寄存、交換臨時(shí)數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)。棧（stack）：用戶存放程序臨時(shí)創(chuàng)建的局部變量，它是程序代碼函數(shù)括弧“{}”中定義的變量（不包括static聲明的變量，static是在數(shù)據(jù)段中存放變量）。除此以外，在函數(shù)被調(diào)用時(shí)，其參數(shù)也會(huì)被壓入發(fā)起調(diào)用的進(jìn)程棧中，并且待到調(diào)用結(jié)束后，函數(shù)返回值也會(huì)被存放回棧中。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理2.內(nèi)存地址Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)存主要分為內(nèi)核態(tài)和用戶態(tài)兩部分，內(nèi)存中線性地址為4G，其中，0~3G為用戶空間，3~4G為內(nèi)核空間。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理3.虛擬內(nèi)存在32位CPU的Linux系統(tǒng)上，虛擬地址空間大小為4GB，64位CPU的虛擬地址空間大小為264GB。CPU需要借助進(jìn)程的頁(yè)表（PageTable）將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址，頁(yè)表里面的數(shù)據(jù)由Linux操作系統(tǒng)維護(hù)。Linux系統(tǒng)將虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存的Page都拆分為固定大小的頁(yè)，一般是4k大小，每個(gè)頁(yè)都會(huì)分配一個(gè)唯一的編號(hào)，就是頁(yè)面幀編號(hào)PFN（PageFrameNumber）。3.4.3Linux系統(tǒng)的內(nèi)存管理4.內(nèi)存分配MMU（MemoryManagementUnit，內(nèi)存管理單元）是CPU用來(lái)將進(jìn)程的虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址的模塊，它的輸入是進(jìn)程的頁(yè)表（PageTable）和虛擬地址，輸出是物理地址。Linux系統(tǒng)提供了TLB（TranslationLookasideBuffer，旁路轉(zhuǎn)換緩沖），它存在于CPU的一級(jí)緩存（L1Cache）。節(jié)約物理內(nèi)存的辦法就是只加載當(dāng)前正在使用的虛擬頁(yè)表（Page）對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)到內(nèi)存。3.5外存儲(chǔ)設(shè)備3.5.1外存儲(chǔ)設(shè)備概述3.5.2硬盤存儲(chǔ)器3.5.3固態(tài)硬盤3.5.1外存儲(chǔ)設(shè)備概述1.磁存儲(chǔ)設(shè)備廣泛采用磁表面存儲(chǔ)器作為外存，包括軟盤存儲(chǔ)器（個(gè)人電腦中已經(jīng)很少見(jiàn)）、硬盤存儲(chǔ)器、磁盤陣列存儲(chǔ)器以及磁帶存儲(chǔ)器等。以電信號(hào)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)，表面磁介質(zhì)在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生有規(guī)律的磁化反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。而讀出時(shí)則相反，由磁化記錄轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前，磁表面上的顆粒磁向是隨機(jī)的讀寫磁頭磁化磁表面的顆粒。顆粒的正極指向磁頭負(fù)極

讀寫磁頭可以翻轉(zhuǎn)磁表面顆粒的磁向。磁表面顆粒的磁向排列記錄了數(shù)據(jù)3.5.1外存儲(chǔ)設(shè)備概述2.光存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)光電檢測(cè)儀檢測(cè)出這種高反差狀態(tài)的變化，還原成二進(jìn)制數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)于介質(zhì)上的數(shù)據(jù)的讀取。光存儲(chǔ)技術(shù)采用激光數(shù)字存取方式，其基本記錄和讀出原理是通過(guò)改變光學(xué)媒體上某些存儲(chǔ)單元的某種化學(xué)性質(zhì)，如對(duì)光反射率的大小、反射光的極化方向等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。光存儲(chǔ)器：使用激光在存儲(chǔ)介質(zhì)表面上燒蝕出數(shù)據(jù)。燒蝕在介質(zhì)表面微小的凸凹模式表示了數(shù)據(jù)。光學(xué)介質(zhì)上的數(shù)據(jù)可以永久保存。但是，使用光學(xué)介質(zhì)不像使用磁介質(zhì)那樣可以容易地改變它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。光驅(qū)使用激光從光盤上讀數(shù)據(jù)。當(dāng)燒灼光盤時(shí)，激光將反射層上刻出凹坑。這些凹坑是黑色的，不能反射激光當(dāng)光驅(qū)讀取數(shù)據(jù)的時(shí)候，它使用較弱的激光。激光射在凹坑上，沒(méi)有反射光當(dāng)激光射在反射層上，就會(huì)有激光反射回讀頭。黑點(diǎn)和反射點(diǎn)的排列模式就可以表示數(shù)據(jù)3.5.2硬盤存儲(chǔ)器硬盤存儲(chǔ)器簡(jiǎn)稱為硬盤。3.5.2硬盤存儲(chǔ)器硬盤存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)文件，結(jié)構(gòu)包含盤面、磁道、柱面、扇區(qū)、容量。例如，某硬盤參數(shù)為：磁頭數(shù)16，柱面數(shù)1048，扇區(qū)數(shù)63，每扇區(qū)字節(jié)數(shù)512，則該硬盤的容量為：16×1048×63×512=540MB操作系統(tǒng)讀取文件和刪除文件的過(guò)程：如果你想讀取文件，操作系統(tǒng)通過(guò)目錄找到文件名和包含文件數(shù)據(jù)的首簇編號(hào)。FAT表給出了哪些簇包含了該文件的數(shù)據(jù)。操作系統(tǒng)將磁頭移動(dòng)到文件首簇的位置，讀出數(shù)據(jù)。當(dāng)你刪除一個(gè)文件的時(shí)候，操作系統(tǒng)改變FAT表中相應(yīng)簇的狀態(tài)。例如，如果文件存儲(chǔ)在簇3、4、5和7中，當(dāng)你刪除它的時(shí)候，操作系統(tǒng)把這四個(gè)簇的狀態(tài)改變成“0”。這些簇的數(shù)據(jù)并沒(méi)有在物理上清除。我們?cè)趧h除了一個(gè)文件后仍然能夠通過(guò)操作系統(tǒng)的恢復(fù)工具將文件恢復(fù)。只有在你沒(méi)有寫入新的數(shù)據(jù)時(shí)才可以恢復(fù)。一旦發(fā)現(xiàn)誤刪除文件，就要立刻恢復(fù)。3.5.2硬盤存儲(chǔ)器碎片和碎片整理當(dāng)使用隨機(jī)存取存儲(chǔ)器時(shí)，文件變成片斷。每個(gè)文件存放在不連續(xù)的簇中。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器定位含有文件數(shù)據(jù)的簇比較困難的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)器的性能也就變得很差。要獲得驅(qū)動(dòng)器的最佳性能，可以使用磁盤碎片整理程序來(lái)重新組織文件，使它們連續(xù)存放。

如下圖所示。3.5.2硬盤存儲(chǔ)器

無(wú)碎片磁盤當(dāng)磁盤進(jìn)行碎片整理后，每個(gè)文件的簇變成連續(xù)的。由于磁頭和盤片的移動(dòng)減到了最小，數(shù)據(jù)訪問(wèn)的性能提高了

碎片磁盤在這個(gè)有碎片的盤上，紫色、黃色和藍(lán)色文件存放在不連續(xù)的簇中。訪問(wèn)這些文件的簇性能不高，因?yàn)樗鼈冃枰嗟囊苿?dòng)磁頭和磁盤

整理磁盤的碎片3.5.3固態(tài)硬盤主流固態(tài)硬盤所使用的閃存芯片是一種NAND存儲(chǔ)芯片。傳統(tǒng)硬盤（左）和固態(tài)硬盤（右）3.5.3固態(tài)硬盤固態(tài)硬盤的優(yōu)點(diǎn)：固態(tài)硬盤有更高的可靠性固態(tài)硬盤存取速度快固態(tài)硬盤能耗更低固態(tài)硬盤更輕巧固態(tài)硬盤更安靜固態(tài)硬盤物理安全性更好固態(tài)硬盤工作溫度范圍更大3.6計(jì)算機(jī)中的文件管理1.空間分配策略連續(xù)空間分配策略每一個(gè)文件都有一個(gè)連續(xù)的存儲(chǔ)空間文件目錄文件名起始地址文件長(zhǎng)度abc.txt33def.doc82zed.bok131012345678910111213141501234567891011121314153.6計(jì)算機(jī)中的文件管理1.空間分配策略鏈表空間分配策略每一個(gè)文件都有一張對(duì)應(yīng)的磁盤塊列表0123456789101112131415文件目錄文件名起始地址結(jié)束地址Jackson.mp3273.6計(jì)算機(jī)中的文件管理1.空間分配策略索引空間分配策略所有的文件都有個(gè)索引塊，目錄的每一項(xiàng)包括文件名和文件索引塊的地址。0123456789101112131415文件目錄文件名索引地址Jackson.mp360123456789101112131415磁盤的內(nèi)容{2，8，9，13，-1}3.6計(jì)算機(jī)中的文件管理2.硬盤區(qū)域的劃分和引導(dǎo)區(qū)域的劃分格式化好了的硬盤，按所記錄數(shù)據(jù)的作用不同可分為主引導(dǎo)記錄MBR(MainBootRecord)、DOS引導(dǎo)記錄DBR(DOSBootRecord)、文件分區(qū)表FAT(FileAssignTable)，根