微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第5章微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)

?存儲(chǔ)器的分類及存儲(chǔ)器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

?隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和只讀存儲(chǔ)器ROM的基本結(jié)構(gòu)

?存儲(chǔ)器擴(kuò)展接口

?幫助存儲(chǔ)器及新型存儲(chǔ)器技術(shù)

5-1本章學(xué)問重點(diǎn)

5-1—1存儲(chǔ)器的概念和基本結(jié)構(gòu)

1.存儲(chǔ)器的概念

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)中用來存儲(chǔ)信息的部件，是微型L算機(jī)系統(tǒng)不行缺少的組成部分，是

計(jì)算機(jī)中各種信息的存儲(chǔ)和溝通中心。

2.存儲(chǔ)器的分類

存儲(chǔ)器依據(jù)其制造材料、讀寫功能、信息的保存狀況及其在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用

來區(qū)分，可以有以下4種分類方法：

Q)依據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)分類

采納半導(dǎo)體材料——半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。

采納磁性材料一磁表面存儲(chǔ)器。

采納光學(xué)材料——光表面存儲(chǔ)器。

(2)依據(jù)讀寫功能分類

存儲(chǔ)內(nèi)容固定不變,只能讀出不能寫入——只讀存儲(chǔ)器ROM。

存儲(chǔ)內(nèi)容可以轉(zhuǎn)變，既可以讀出又能夠?qū)懭搿S機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM(又稱為讀寫存

儲(chǔ)器)。

(3)依據(jù)信息的可保存性分類

斷電后信息即消逝——非永久性記憶的存儲(chǔ)器。

斷電后仍能保存信息——永久性記憶的存儲(chǔ)器。

(4)依據(jù)在微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類

存放當(dāng)前正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)——主存儲(chǔ)器。

存儲(chǔ)CPU當(dāng)前操作臨時(shí)用不到的程序或數(shù)據(jù)一幫助存儲(chǔ)器。

暫存CPU正在使用的指令和數(shù)據(jù)一高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)。

3.存儲(chǔ)器的基本性能指標(biāo)

(1)存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量稱為存儲(chǔ)容量。

存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)器單元數(shù)x每單元二進(jìn)制位數(shù).

應(yīng)當(dāng)留意：通常8位二進(jìn)制數(shù)稱為一個(gè)字節(jié)，用B(Byte)表示，存儲(chǔ)容量可以字節(jié)(B)

為單位來表示，對(duì)于大容量存儲(chǔ)器還可以用千字節(jié)(KB)、兆字節(jié)(MB)、

吉字節(jié)(GB)、太字節(jié)(TB)等表示。

其換算關(guān)系為：1KB=21OOB=1O24BIMB=210B=1024KB

1GB=23OB=1O24MB1TB=24OB=1O24GB

(2)存取時(shí)間：指啟動(dòng)次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所用的時(shí)間。

(3)存取周期：指連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作之間的最小時(shí)間間隔。

留意：存取時(shí)間和存取周期都是衡量存取速度的性能指標(biāo)。

(4)價(jià)格：常用每位的價(jià)格來衡量。一般來說，主存儲(chǔ)器的價(jià)格較高，幫助存儲(chǔ)器的價(jià)

格則低得多。

存儲(chǔ)器總價(jià)格正比于存儲(chǔ)容量，反比于存取速度。一般來說，速度較快的存儲(chǔ)器，其

價(jià)格也較高，容量也不行能太大。因此，容量、速度、價(jià)格3個(gè)指標(biāo)之間是相互制約的。

所以，用戶在設(shè)計(jì)和選用存儲(chǔ)器時(shí)還要綜合考慮這些因素，要依據(jù)實(shí)際需要全面衡量,

盡可能滿意主要要求并兼頑其他，盡量提高性能價(jià)格比。

4.存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

所謂存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)，就是把各種不同存儲(chǔ)容量、存取速度和價(jià)格的存儲(chǔ)器按層

次結(jié)構(gòu)組成多層存儲(chǔ)器，并通過管理軟件和幫助硬件有機(jī)組合成統(tǒng)一的整體，使所存放的

程序和數(shù)據(jù)按層次分布在各種存儲(chǔ)器中。目前，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中通常采納三級(jí)層次結(jié)構(gòu)來

構(gòu)成存儲(chǔ)系統(tǒng)，主要由高速緩沖存儲(chǔ)器Cache,主存儲(chǔ)器和幫助存儲(chǔ)器組成，如圖5-1所

在圖5-1所示的存儲(chǔ)系統(tǒng)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中，由上向下分三級(jí)，其容量漸漸增大，速度

逐級(jí)降低，成本則逐次削減。整個(gè)結(jié)構(gòu)又可以看成兩個(gè)層次：它們分別是主存一輔存層次

和cache一主存層次。這個(gè)層次系統(tǒng)中的每一種存儲(chǔ)器都不再是孤立的存儲(chǔ)器，而是一個(gè)

有機(jī)的整體。它們?cè)趲椭布陀?jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的管理下，可把主存一輔存層次作為一個(gè)

存儲(chǔ)整體,形成的可尋址存儲(chǔ)空間比主存儲(chǔ)器空間大得多。由于輔存容量大，價(jià)格］氐,使

得存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體平均價(jià)格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美,

故cache一主存層次可以縮小主存和cPu之間的速度差距，從整體上提高存儲(chǔ)器系統(tǒng)的存

取速度。盡管Cache成本高，但由于容量較小，故不會(huì)使存儲(chǔ)系統(tǒng)的整體價(jià)格增加很多。

綜上所述,一個(gè)較大的存儲(chǔ)系統(tǒng)是由各種不同類型的存儲(chǔ)設(shè)施構(gòu)成,是一個(gè)具有多級(jí)

層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)既有與CPU相近的速度，又有極大的容量，而成本又是較低

的。其中高速緩存解決了存儲(chǔ)系統(tǒng)的速度問題,幫助存儲(chǔ)器則解決了存儲(chǔ)系統(tǒng)的容量問題。

采納多級(jí)層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)可以有效的解決存儲(chǔ)器的速度、容量和價(jià)格之間的沖突。

圖5-1存儲(chǔ)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)

5-1-2IRAM與ROM

1.隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM

現(xiàn)代微型計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器已普遍采納半導(dǎo)體存儲(chǔ)器。其特點(diǎn)是容量大、存取速度快、

體積小、功耗低、集成度高、價(jià)格廉價(jià)。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器可分為兩大類：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)

和只讀存儲(chǔ)器(ROM)。

所謂隨機(jī)存取是指通過指令可以隨機(jī)地對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問，其訪問時(shí)間都是相

同的，與存儲(chǔ)單元的地址無關(guān)。通常隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，可依據(jù)程序

要求隨時(shí)讀/寫，所以實(shí)際上稱它為讀寫存儲(chǔ)器更準(zhǔn)確，但習(xí)慣上都把它叫做隨機(jī)存取存

儲(chǔ)器。

隨機(jī)存取存儲(chǔ)器依據(jù)存儲(chǔ)原理又可分為靜態(tài)RAM和

動(dòng)態(tài)RAM。

⑴靜態(tài)RAM(sRAM)

靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路如圖5-2所示。

圖5-2靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路

靜態(tài)BAM的主要優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定，不需外加刷新電路，從而簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)。

但由于靜態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路中所含晶體管較多，故集成度較低。此外，由Tl、T2

管組成的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器總有一個(gè)管子處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以會(huì)持續(xù)地消耗功率，從而使靜態(tài)

RAM的功耗較大,這是靜態(tài)RAM的兩個(gè)缺點(diǎn)。

靜態(tài)RAM的結(jié)構(gòu)一般采納基本存儲(chǔ)電路排成陣列，再加上地址譯碼電路和讀寫掌握

電路就可以構(gòu)成靜態(tài)RAM。

(2)動(dòng)態(tài)RAM(DRAM)

行選,信號(hào)

.『工

I

.放大器

列選釋油丁一

號(hào)一』

-?歷

數(shù)據(jù)注人/?入線

圖5-3單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)電路

動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路如圖5-3所示。

動(dòng)態(tài)RAM是采用電容存儲(chǔ)電荷的原理來保存信息的，但由于任何電容都存在漏電。

因此，當(dāng)電容C存儲(chǔ)有電荷時(shí)，過一段時(shí)間由于電容的放電過程會(huì)導(dǎo)致電荷流失，使保存

信息丟失。解決的方法是"刷新〃，即每隔肯定時(shí)間（一般為2ms）就必需對(duì)動(dòng)態(tài)RAM

進(jìn)行讀出和再寫入，使原來處于規(guī)律電平"I"的電容上所釋放的電荷又得到補(bǔ)充，而原來

處于電平"0"的電容仍像寺“0"，這個(gè)過程叫動(dòng)態(tài)RAM的刷新。

動(dòng)態(tài)RAM的刷新操作不同于存儲(chǔ)器讀/寫操作，主要表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

?刷新地址通常由刷新地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，而不是由地址總線供應(yīng)。

?由于動(dòng)態(tài)RAM的基本存儲(chǔ)電路可按行同時(shí)刷新，所以刷新只需要行地址，不需要

列地址。

?刷新操作時(shí)，存儲(chǔ)器芯片的數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài),即片內(nèi)數(shù)據(jù)線與外部數(shù)據(jù)線完全隔

離。

動(dòng)態(tài)RAM的缺點(diǎn)是需要刷新規(guī)律電路，而月.刷新操作時(shí)不能進(jìn)行正常的讀/寫操

作。但動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM相比，具有集成度高、功耗低、價(jià)格廉價(jià)等優(yōu)點(diǎn)，所以在

大容量的

存儲(chǔ)器中普遍采納。

2.只讀存儲(chǔ)器ROM

只讀存儲(chǔ)器(ROM)是一種工作時(shí)只能讀出，不能寫入信息的存儲(chǔ)器。在使用ROM時(shí),

其內(nèi)部信息是不能被轉(zhuǎn)變的，故一般只能存放固定程序，如觸程序、BIOS程序等。

只讀存儲(chǔ)器(ROM)的特點(diǎn)是非易失性，即它所存儲(chǔ)的信息一經(jīng)寫入，就可以長(zhǎng)期保存,

不受電源斷電的影響，即使掉電后存儲(chǔ)信息仍不會(huì)轉(zhuǎn)變，非常牢靠。

按存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的不同,只讀存儲(chǔ)器ROM又可分為：掩膜只讀存儲(chǔ)器

(ROM)、可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)、光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)、電可擦除可

編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)。

Q)掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM)

掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM)示意圖如圖5-4所示。

掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM)中的信息是在制造過程中寫入的。生產(chǎn)廠家在制造這種存儲(chǔ)器

時(shí)，采納光刻掩膜技術(shù)，將程序置入其中。掩膜ROM制成后，存儲(chǔ)的信息就不能再改寫

了，用戶在使用時(shí)，不能修改,只能進(jìn)行讀出操作，所以這種存儲(chǔ)器稱為掩膜只讀存儲(chǔ)器。

⑵可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)

可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)大多采納熔絲式，其基本存儲(chǔ)電路如圖5—5所示。

圖5—4掩膜只讀存儲(chǔ)器(ROM)示意圖

付線

圖5-5熔絲式PROM基本存儲(chǔ)電路

可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)一般由晶體管陣列組成,用戶在使用前一次性寫入信息，

寫入后只能讀出，不能修改。

可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)在出廠時(shí)，晶體管陣列的熔絲均為完好狀態(tài)。當(dāng)用戶寫入

信息時(shí)，可在vcc端加高于正常工作電平的"寫入電平"，通過編程地址使選中的行線為

該電平。若某位寫O,寫入規(guī)律使相應(yīng)位線呈低電平，較人的電流使該位熔絲燒斷，即

存入‘0,，；若某位寫‘1',相應(yīng)位線呈高電平，使熔絲保持原狀,即存入2。明顯,

熔絲一旦燒斷，就不能再?gòu)?fù)原。因此，用戶對(duì)這種PROM只能進(jìn)行次編程。

PROM的電路和工藝比ROM簡(jiǎn)單，又具有可編程規(guī)律，所以價(jià)格較貴。一般在非

批量使用時(shí),用PROM合算；在批量使用時(shí)，則用掩膜ROM比較相宜。

(3)光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)

光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)是采用浮柵MOS管構(gòu)成其結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。

位

及

■

?SQ:浮施出

XU?：

NHtt

圖5-6浮柵MOS管EPROM存儲(chǔ)電路

在原始狀態(tài),柵極上沒有電荷，該管沒有導(dǎo)通溝道，D和s是不導(dǎo)通的，管子處于截

止?fàn)顟B(tài)。假如將源極和襯底接地，在襯底和漏極形成的PN結(jié)j.加一個(gè)約24V的反向電

壓，首先在漏極引起雪崩擊穿，產(chǎn)生很多高能量的電子。這些高能電子比較簡(jiǎn)潔越過絕緣

薄層進(jìn)入浮柵，使浮柵帶上負(fù)電荷，等效于柵極上加負(fù)電壓。注入浮柵的電子數(shù)量由所加

電壓脈沖的幅度和寬度來掌握。假如注入的電子足夠多，這些負(fù)電子在硅表面上感應(yīng)出一

個(gè)連接源、漏極的反型層，使源、漏極之間形成一層正電荷的導(dǎo)電溝道，管子呈導(dǎo)通狀態(tài)。

當(dāng)外加電壓取消后，積累在浮棚上的電子沒有放電回路，因而在室溫柔無光照的條件

下可長(zhǎng)期地保存在浮柵中。我們以浮柵是否積存電荷來區(qū)分管子存儲(chǔ)內(nèi)容是‘0’，還是T。

若浮柵無積存電荷，則源、漏極是不導(dǎo)通的。當(dāng)行選線選中該存儲(chǔ)單元時(shí)，列線輸出高電

平,即讀出信息1；若在浮柵中注入了電子，則MOS管就有導(dǎo)電溝道存在。當(dāng)承受正

偏壓時(shí)，源、漏極導(dǎo)通，可在列線得到低電平，即讀出信息。。EPROM在出廠時(shí)，未

經(jīng)過編程，浮柵中沒有積存電荷，位線上總是"I”,即存儲(chǔ)內(nèi)容為FFH。

消退浮柵電荷的方法是采用紫外線光照耀，由于紫外線光子能量較高，從而可使浮柵

中的電子獲得能量，形成光電流從浮柵流入基片，使浮柵恢復(fù)初態(tài)。EPROM芯片上方有

一個(gè)石英玻璃窗口,只要將EPROM芯片用紫外線照耀20分鐘即可擦除EPROM芯片中

所存儲(chǔ)的內(nèi)容。擦除后的EPROM可再寫入新的信息。

光可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(EPROM)的優(yōu)點(diǎn)是芯H可多次使用，缺點(diǎn)是以整個(gè)芯片為

單位的擦掉重寫。盡管擦除后可以重新編程，但擦除時(shí)需要紫外線光照耀，這對(duì)于實(shí)際使

用是很不便利的。在實(shí)際應(yīng)用中，大多數(shù)狀況下需要以字節(jié)為單位的擦寫。而且一塊芯片

經(jīng)多次插拔之后，可能會(huì)使其外部管腳損壞。

(4)電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器(E2PROM)

E2pROM是近年來被廣泛應(yīng)用的種可用電擦麻口編程的只讀存儲(chǔ)器，其主要特點(diǎn)是能

在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線讀寫，并在斷電狀況下保存的數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失，它既能像RAM

刃瞭隨機(jī)地進(jìn)行改寫，又能像ROM那樣在掉電的狀況下非易失地保存數(shù)據(jù),可作為系統(tǒng)

中牢靠保存數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器。由于E2PROM兼有RAM和ROM的雙重優(yōu)點(diǎn),所以在計(jì)算機(jī)

系統(tǒng)中使用E2PROM后，可使整機(jī)的系統(tǒng)應(yīng)用變得便利敏捷。

5-1-3存儲(chǔ)器容量與存儲(chǔ)器的連接

1.存儲(chǔ)器容量的形成

單個(gè)存儲(chǔ)芯月的存儲(chǔ)容量是有限的，因此，常常需要將多片存儲(chǔ)器按肯定方式組成具

有肯定存儲(chǔ)單元數(shù)的存儲(chǔ)器。通常有以下3種方法:

(1)位擴(kuò)展法

適用于存儲(chǔ)單元數(shù)滿意要求，但數(shù)據(jù)位數(shù)不滿意要求的狀況。

詳細(xì)方式為：地址線和片選信號(hào)線共用，數(shù)據(jù)線單獨(dú)接。

(2)字?jǐn)U展法

適用于數(shù)據(jù)位數(shù)滿意要求，但存儲(chǔ)單元數(shù)不滿意要求的狀況。

詳細(xì)方式為：數(shù)據(jù)線共用，地址線和片選信號(hào)線單獨(dú)接。

(3)混合擴(kuò)展法

適用于數(shù)據(jù)位數(shù)和存儲(chǔ)單元數(shù)均不滿意要求的狀況。

詳細(xì)方式為：將存儲(chǔ)芯片分組，然后采納位擴(kuò)展法、字?jǐn)U展法分別連接每一組存儲(chǔ)芯

2.存儲(chǔ)器容量的尋址

存儲(chǔ)器容量的尋址方式主要有以下3種：

Q)線選法

用單根地址線作片選信號(hào)，每個(gè)存儲(chǔ)芯片或每個(gè)1/0端口只用一根地址線選通。適用

于存儲(chǔ)容量小、存儲(chǔ)器芯片數(shù)少的狀況。

優(yōu)點(diǎn)：連接簡(jiǎn)潔，無需特地的譯碼電路。

缺點(diǎn)：地址不連續(xù)，CPU尋址力量的采用率太低,會(huì)造成大量的地址空間鋪張，并且

會(huì)與其他芯片消失地址重疊，使一個(gè)地址碼可能選中兩個(gè)以上的存儲(chǔ)單元。

(2)全譯碼片選法

這種方法除了將低位地址總線直接連至各芯片的地址線外，余下的高位地址總線全部

參與譯碼，譯碼輸出作為各芯片的片選信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：可以供應(yīng)對(duì)全部存儲(chǔ)空間的尋址力量。

缺點(diǎn)：可能消失多余的譯碼輸出。

(3)局部譯碼片選法

該方法只對(duì)部分高位地址總線進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生片選信號(hào)，剩余高位線或空著，或直

接用作其他存儲(chǔ)芯片的片選掌握信號(hào)。所以，它是介于全譯碼法和線選法之間的一種選址

方法。

3.微處理器與存儲(chǔ)器的連接

微處理器與存儲(chǔ)器連接時(shí)，地址總線、數(shù)據(jù)總線和掌握總線都要連接。連接時(shí)應(yīng)留意

以下問題：

(l)CPU總線的帶負(fù)載力量問題。

(2)存儲(chǔ)器與CPU之間的速度匹配問題。

(3)存儲(chǔ)器組織、地址安丹杯口譯碼問題。

5-1-4幫助存儲(chǔ)器

幫助存儲(chǔ)器用來存放當(dāng)前臨時(shí)不用的程序或數(shù)據(jù)，需要時(shí)再成批地調(diào)入主存。它屬于

外部設(shè)施，因此，又稱其為外存儲(chǔ)器。常用的幫助存儲(chǔ)器有軟盤、硬盤和光盤存儲(chǔ)器等。

1.軟盤存儲(chǔ)器及其接口

軟盤存儲(chǔ)器是在聚脂薄膜圓形基片上涂一層磁性材料而形成。以體積小、價(jià)格低、結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)潔、易于維護(hù)、攜帶便利和對(duì)環(huán)境要求不高等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。按軟盤驅(qū)動(dòng)器的

性能可分為單面盤和雙面盤。

(1)主要技術(shù)指標(biāo)如下：

?磁道：磁盤上的紀(jì)錄面分成很多以盤片中心為圓心的同心圓，每個(gè)圓稱為一個(gè)磁道

(Track)e

?道密度：沿磁盤徑向單位長(zhǎng)度上的磁道數(shù)稱為"道密度〃。常用每英寸上的磁道數(shù)

?位密度：磁道上數(shù)據(jù)的紀(jì)錄密度稱為"位密度"。常用每英寸長(zhǎng)度上所紀(jì)錄的的位

單元數(shù)來表示。

?扇區(qū)：磁道再劃分成很多小的存儲(chǔ)區(qū),每個(gè)存儲(chǔ)區(qū)稱為扇區(qū)(sector)。

(2)軟盤驅(qū)動(dòng)器(FDD)

軟盤驅(qū)動(dòng)器主要完成對(duì)磁盤的讀寫工作，由軟盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和讀寫掌握電路組成。

軟盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可分為：盤片定位機(jī)構(gòu)；軟盤驅(qū)動(dòng)裝置；掌握磁頭尋道定位部件；狀態(tài)

檢測(cè)部件。

讀寫掌握電路可分為：讀出放大電路；寫電路；抹電路。

(3)軟盤掌握器

軟盤掌握器的功能是解釋來自主機(jī)的命令并向軟盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出各種掌握信號(hào)，同時(shí)還

要檢測(cè)驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，按規(guī)定的數(shù)據(jù)格式向驅(qū)動(dòng)器讀寫轆等。詳細(xì)操作如下：

?尋道操作：將磁頭定位在目標(biāo)磁道上。尋道前，主棚各目標(biāo)道號(hào)送往磁盤掌握器暫

存，目標(biāo)道號(hào)與磁頭所在道號(hào)進(jìn)行比較，打算磁頭運(yùn)動(dòng)的道教和方向。

?地址檢測(cè)：主機(jī)將目標(biāo)地址送往軟盤掌握器，掌握器從驅(qū)動(dòng)器上按紀(jì)錄格式讀取地

址信息并與目標(biāo)地址進(jìn)行比較，找到讀寫信息的磁盤地址。

?讀數(shù)據(jù)：首先檢測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)志是否正確，然后將數(shù)據(jù)字段的內(nèi)容送入內(nèi)存，最終進(jìn)行

CRC校驗(yàn)。

?寫數(shù)據(jù)：寫數(shù)據(jù)時(shí)不僅要將原始信息經(jīng)編碼后寫入磁盤，同時(shí)要寫上數(shù)據(jù)區(qū)標(biāo)志和

CRC校驗(yàn)碼以及間隙。假如原始信息寫不滿一個(gè)區(qū)段?自動(dòng)插入全O。

?初始化：在盤片上寫格式化信息，對(duì)每個(gè)磁道劃分區(qū)段。

軟盤掌握器主要由以下幾部分組成：

?數(shù)據(jù)總線緩沖器：用于緩沖主機(jī)送來的并行數(shù)據(jù)。緩沖器中的數(shù)據(jù)再通過內(nèi)部總線

與寄存器中的信息進(jìn)行傳送。

?讀寫DMA掌握規(guī)律：主要功能是進(jìn)行讀寫和DMA掌握。采納DMA方式傳送數(shù)

據(jù)時(shí)，此部分可產(chǎn)生數(shù)據(jù)懇求(DRQ)信號(hào)借助DMA掌握芯片向CPU申請(qǐng)總線拿握。CPU

響應(yīng)后，讓出總線掌握權(quán)，接著轉(zhuǎn)入DMA數(shù)據(jù)傳送。

?串行接口掌握器主要用來掌握讀寫的各種信號(hào)。當(dāng)采納雙密紀(jì)錄方式寫入數(shù)據(jù)時(shí),

引入*M嘗電路；讀出時(shí)，引入鎖相電路，分別出數(shù)據(jù)。

?驅(qū)動(dòng)器接口掌握器：用來掌握輸入/輸出的各種信號(hào)。

?內(nèi)部寄存器：用來存放軟盤掌握器芯片的狀態(tài)、數(shù)據(jù)、命令和參數(shù)。

2,硬盤存儲(chǔ)器及其接口

硬盤是一種磁表面存儲(chǔ)器，是以厚度為l-2mm的非磁性的鋁合金材料或玻璃基片作

為盤基，在表面涂抹一層磁性材料作為紀(jì)錄介質(zhì)。磁層可以采納甩涂工藝制成，此時(shí)磁粉

呈不連續(xù)的顆粒存在，也可以用電鍍、化學(xué)鍍或?yàn)R射等方法制成。盤面上由外向里有很多

同心圓構(gòu)成相互分別的磁道，通過磁化磁道可以存儲(chǔ)信息。盤片以3600轉(zhuǎn)/分鐘或更高

的速度旋轉(zhuǎn)，通過懸浮在盤片上的磁頭進(jìn)行讀寫操作。

(1)硬盤分類

硬盤依據(jù)磁頭和盤片的不同結(jié)構(gòu)和功能，可分為固定磁頭磁盤機(jī)、活動(dòng)磁頭固定盤片

磁盤機(jī)和活動(dòng)磁頭可換盤片磁盤機(jī)3類。

?固定磁頭磁盤機(jī)：盤片的每條磁道上方固定安裝一個(gè)磁頭，以完成對(duì)該磁道盼讀寫

操作。這種磁盤機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、牢靠性高、存取速度極快。但所需磁頭數(shù)量多，由于磁頭機(jī)

械尺寸的限制使磁道密度受到影響，因此總存儲(chǔ)容量不大，適合于快速存取的專用機(jī)械系

統(tǒng)。

?活動(dòng)磁頭固定盤片磁盤機(jī)：每個(gè)盤面上只安裝個(gè)或兩個(gè)磁頭，存取數(shù)據(jù)時(shí)磁頭可沿

盤鹵徑向移動(dòng)到各個(gè)磁道完成讀寫操作，磁頭與盤面不接觸且隨氣流浮動(dòng)，稱為浮動(dòng)磁頭。

這種磁盤機(jī)可大大削減磁頭數(shù)量，有效提高磁道密度，存儲(chǔ)容量明顯增大。新型的固定盤

式磁盤機(jī)一般采納溫徹斯絕技術(shù)，稱為溫徹斯特磁盤，簡(jiǎn)稱為"溫盤"。這種磁盤機(jī)的盤

片組也是由一個(gè)盤片或多個(gè)盤片組成,固定在主軸上，不行拆卸。

?活動(dòng)磁頭可換盤片磁盤機(jī)：不但磁頭可移動(dòng)，而且盤片也由片或多片磁盤構(gòu)成盤

盒或盤組形式，用戶可便利地將它們從磁盤機(jī)上卸下或裝上。一日.盤片上裝滿了信息，

可卸下供長(zhǎng)期保存，使脫機(jī)容量不受限制，成為名副其實(shí)的“海量存儲(chǔ)器“。這種磁盤可

以在兼容的磁盤存儲(chǔ)器問交換數(shù)據(jù)，具有脫機(jī)保存、存儲(chǔ)容量幾乎無限制的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)

到牢靠交換數(shù)據(jù)的目的，磁盤的道密度要適當(dāng)降低，從而使可換磁盤紀(jì)錄密度的提高受到

限制。

(2)溫徹斯絕技術(shù)

所謂溫徹斯絕技術(shù)是將硬盤盤片、讀寫磁頭、小車、導(dǎo)軌、主軸以及掌握電路等組裝

在一起，制成一個(gè)密封式不行拆卸的整體的技術(shù)。它具有防塵性能好、工作牢靠，對(duì)使用

環(huán)埔要求不高的突出優(yōu)點(diǎn)，是磁盤技術(shù)向高密度、大容量、高牢靠性進(jìn)展的產(chǎn)物。

溫徹斯絕技術(shù)的主要特點(diǎn)如下：

?密封的頭一盤組合體(HAD組合件)

?輕浮力的接觸/浮動(dòng)式磁頭

?盤片表面有潤(rùn)滑劑

(3)硬盤驅(qū)動(dòng)器

硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)又稱磁盤機(jī)或磁盤子系統(tǒng)，它是獨(dú)立于主機(jī)之外的一個(gè)完整裝置，

用來完成對(duì)硬盤的讀寫工作。

硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)由主軸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、磁頭驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)

和接口電路等五部分組成。

?主軸系統(tǒng)：由主軸電機(jī)、主軸部件、盤片和掌握電路等組成，作用主要是安裝并固

定盤片和盤盒，并驅(qū)動(dòng)它們以額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。

?數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)：包括磁頭、磁頭選擇電路、讀/寫電路、索引、區(qū)標(biāo)電路等，作用

是接收主機(jī)通過接口送來的數(shù)據(jù)并寫入到盤片上，或從盤片上讀出信息并送到接口電路。

?磁頭驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)：包括磁頭驅(qū)動(dòng)和磁頭定位兩部分。在可移動(dòng)磁頭的磁盤驅(qū)動(dòng)

器中，驅(qū)動(dòng)磁頭沿盤面徑向位置運(yùn)動(dòng)以查找目標(biāo)磁道位置的機(jī)構(gòu)叫磁頭驅(qū)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)。

磁頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)部件和運(yùn)載部件(也稱為磁頭小車)組成。存磁盤存取數(shù)據(jù)時(shí)，磁

頭小車的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)磁頭進(jìn)入指定磁道的中心位置，并精確地跟蹤該磁道。

磁頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式豐要有步進(jìn)電楣區(qū)動(dòng)和音圈電棚區(qū)動(dòng)兩種，現(xiàn)在普遍采納音

圈

電棚區(qū)動(dòng)。

?空氣凈化系統(tǒng)：南風(fēng)機(jī)、空氣過濾器、印刷電機(jī)及其掌握電路組成，作用是防塵和

冷卻，往盆腔內(nèi)送入潔凈的、冷卻的空氣，并清潔盤面。

?接口電路：由接收門電路和發(fā)送門電路組成，作用是完成硬盤驅(qū)動(dòng)器和硬盤掌握器

之間的數(shù)據(jù)傳輸。

硬盤驅(qū)動(dòng)器的工作過程是：寫入時(shí)由掌握器送來要寫入的數(shù)據(jù)，通過接口送到寫入電

路，磁頭選擇電路選擇要寫入的磁頭，磁頭驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)把該磁頭定位在要寫入的磁道

位置卜，然后數(shù)據(jù)就可以寫入到選定的盤而、磁道和扇區(qū)上；讀出時(shí)，由磁頭選擇電路選

定磁頭,磁頭驅(qū)動(dòng)和定位系統(tǒng)使之定位在要讀出的磁道位置上,然后由該磁頭讀出相應(yīng)扇

區(qū)的信息，通過讀電路將讀出信息進(jìn)行放大、濾波、鑒零、整形后，再送到接口電路。

(4)硬盤掌握器

硬盤掌握器是主機(jī)與硬盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，一般指插在主機(jī)總線插槽中的一塊電路

板。作用是接受主機(jī)發(fā)送的命令和數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成驅(qū)動(dòng)器的掌握命令和驅(qū)動(dòng)器可以接受的

數(shù)據(jù)格式，以掌握驅(qū)動(dòng)器的讀寫操作。

硬盤掌握器主要由以下幾部分組成，如圖5-7所示。

圖5.7硬盤掌握器組成示意圖

?I/0接LI電路：主要用來和主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)掌握器和主機(jī)之間的信息傳送，其中

包括主機(jī)對(duì)掌握器的寄存器讀/寫，對(duì)ROM芯片的直接尋址等。

?智能掌握器：包括一個(gè)CPU芯片、一個(gè)DMA芯片和一個(gè)專用的硬盤掌握器芯片,

主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫盤的智能掌握和信號(hào)的傳送、處理等。

?狀態(tài)和掌握電路：是智能掌握器的外圍電路，智能掌握器通過它們監(jiān)測(cè)溫盤的狀態(tài)

并發(fā)出掌握信號(hào)。

?讀/寫掌握電路：用來掌握主機(jī)對(duì)溫盤的數(shù)據(jù)讀/寫操作。

(5)硬盤驅(qū)動(dòng)器接口

?IDE接口：IDE是IntegrdledDriveElectronics的縮寫,即集威區(qū)動(dòng)器電子部件。

它的最大特點(diǎn)是把掌握器集成到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)。由于把掌握器和驅(qū)動(dòng)器電路集成在一起，可以

消退驅(qū)動(dòng)器和掌握器之間的數(shù)據(jù)丟失問題，使數(shù)據(jù)傳輸非常牢靠，但它對(duì)硬盤管理不允許

超過528MB的存儲(chǔ)容量。

?EIDE接口：是增加型IDE接口，它允許更大存儲(chǔ)容量，支持硬盤的最高容量可達(dá)

8,4GB。允許連接更多的外設(shè)，一個(gè)系統(tǒng)可連接4個(gè)E1DE設(shè)施。支持多種外設(shè)，具有更高

的數(shù)據(jù)傳輸速率。

?SCSI接口：是小型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口的縮寫。SCSI接口可供應(yīng)大量、快速的數(shù)據(jù)

?傳輸,支持更多數(shù)量和更多類型的外圍設(shè)施，使其能廣泛應(yīng)用于工作站、高檔微機(jī)

系統(tǒng)中。

3.光盤存儲(chǔ)器及其接口

光盤片一般采納丙烯樹脂，在盤片上濺射硅合金薄膜或涂上其他物質(zhì)。采用激光能量

可以高度集中的特點(diǎn)，在紀(jì)錄信息時(shí)，使用功率較強(qiáng)的激光光源，聚焦成小于1um的光

點(diǎn)照耀到介質(zhì)表面上，依據(jù)寫入的信息來調(diào)制光點(diǎn)的強(qiáng)弱，從而介質(zhì)表面的微小區(qū)域溫度

提升，產(chǎn)生微小凹凸或其他幾何變形，即轉(zhuǎn)變表面的光反射性質(zhì)。在從光盤中讀出信息時(shí),

采用光盤驅(qū)動(dòng)器中功率較小的激光光源照耀，依據(jù)反射光強(qiáng)弱的變化經(jīng)信號(hào)處理即可讀出

數(shù)據(jù)。因此，一般的光盤在寫入信息時(shí)是一次性的，永久保存在盤片上，具有大容量、高

速度、攜帶便利、耐用的特點(diǎn)。

(1)種類

光盤存儲(chǔ)器主要有只讀型光盤(CD-ROM);只寫一次型光盤(WORM);可擦寫型光盤;

DVD光盤。

(2)光盤驅(qū)動(dòng)器

光盤的讀寫原理有形變、相變和M0存儲(chǔ)等。

?形變：對(duì)于只讀型和只寫一次型光盤，寫入時(shí)依靠激光束的熱作用溶化盤表面上的

光存儲(chǔ)介質(zhì)薄膜，在薄膜上形成凹坑。有凹坑的位置表示紀(jì)錄r"1",沒有凹坑的位置表

示"0"。讀出時(shí)，依靠反射光強(qiáng)的不同就可以讀出二進(jìn)制信息。

?相變：有些光存儲(chǔ)介質(zhì)在激光照耀下，晶體結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。采用介質(zhì)處于晶態(tài)和非

晶態(tài)區(qū)域內(nèi)反射特性不同，而紀(jì)錄和讀取信息的技術(shù)，稱之為"相變可重寫技術(shù)”.

?磁光(M0)存儲(chǔ)：采用激光在磁性薄膜上產(chǎn)生熱磁效應(yīng)來紀(jì)錄信息，稱為磁光存儲(chǔ)。

它采用激光照耀磁性薄膜，被照耀處溫度提升，矯頑力下降，在外加磁場(chǎng)的作用下發(fā)生磁

通翻轉(zhuǎn)，使該處的磁化方向與外加磁場(chǎng)全都。

光盤驅(qū)動(dòng)器一般由光學(xué)頭、主軸電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、光驅(qū)伺服定位系統(tǒng)、微掌握器組成,

如圖5-8所示。

圖5-8光盤驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)框圖

5-1-5新型存儲(chǔ)器技術(shù)

1.多體交叉存儲(chǔ)器

多體交叉存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)思想是在物理上將主存分成多個(gè)模塊，每一個(gè)模塊都包括一個(gè)

存儲(chǔ)體、地址緩沖寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器等，即它們都是個(gè)完整的存儲(chǔ)器。因此，CPU

就能同時(shí)訪問各個(gè)存儲(chǔ)模塊，任何時(shí)候都允許對(duì)多個(gè)模塊并行地進(jìn)行讀寫操作，從而提高

整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)的平均訪問速度。

多體交叉存儲(chǔ)器是采用主存地址的低K位來選擇模塊（可確定2K個(gè)模塊），高m位用

來指定模塊中的存儲(chǔ)單元，這樣連續(xù)的幾個(gè)地址就位于相鄰的幾個(gè)模塊中，而不是在同一

個(gè)模塊中，故稱為"多體交叉編址二于是CPU要訪問主存的幾個(gè)連續(xù)地址時(shí)，可使這幾

個(gè)模塊同時(shí)工作，使整個(gè)主存的平均采用率得到提高。

2.閃速存儲(chǔ)器

閃速存儲(chǔ)器的英文名稱為FlashMemory,有E寸也譯為"快閃存儲(chǔ)器"。它既有

EPROM價(jià)格廉價(jià)、集成度高的優(yōu)點(diǎn)，又有E2PROM的電可擦除性、可重寫性，具有牢靠

的非易失性，重寫速度較快，對(duì)于需要實(shí)施代碼或數(shù)據(jù)更新的嵌入性應(yīng)用是一種抱負(fù)的存

儲(chǔ)器。

3.高速緩沖存儲(chǔ)器Cache

高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)位于CPU與存儲(chǔ)容量較大但操作速度較慢的主存之問，可以

提高CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)的存取速度，削減處理器的等待時(shí)間,使程序員能使用一個(gè)速度與

CPU相當(dāng)而容量與主存相當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)器。

高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)是依據(jù)程序的局部性原理，即在一個(gè)較小時(shí)間間隔內(nèi)，程序所

要用到的指令或數(shù)據(jù)的地址往往集中在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)，因而對(duì)局部范圍內(nèi)的存儲(chǔ)器地址

頻繁訪問，而對(duì)此范圍外的地址則訪問甚少，這就稱為程序訪問的局部性原理。

假如數(shù)據(jù)在Cache中，則CPU對(duì)Cache進(jìn)行讀寫操作，稱為"命中"。若是讀操作,

則CPU可以直接從Cache中讀取數(shù)據(jù)。若是寫操作，則需轉(zhuǎn)變Cache和主存中相應(yīng)兩個(gè)

單元內(nèi)容。這時(shí)有兩種處理方法：一種是Cache單元和主存中相應(yīng)單元同時(shí)被修改，稱為

”直通存儲(chǔ)法〃；另一種方法是只修改Cache單元的內(nèi)容，同時(shí)用一個(gè)標(biāo)志位作為標(biāo)志，

當(dāng)有標(biāo)志位的信息塊從Cache中移去時(shí)再修改相應(yīng)的主存單元把修改信息一次寫回主存,

稱"寫回發(fā)〃。明顯直通存儲(chǔ)法比較簡(jiǎn)潔，但對(duì)于需要多次修改的單元來說，可能導(dǎo)致不

必要的主存復(fù)寫工作。

若數(shù)據(jù)不在Cache中，則CPU直接對(duì)主存進(jìn)行操作，稱為"不命中"。若是讀操作,

則把主存中相應(yīng)的信息塊送到Cacher}I(若Cache中已滿時(shí)，則需依據(jù)替換算法移去某一

塊)，在送字塊到Cache的同時(shí)就把所需的字送CPU,不必等待整個(gè)塊都裝入Cache,這

種方法稱為"盲通取數(shù)二若足寫操作，則將信息直接寫入內(nèi)存。一般狀況下，此時(shí)主存中

的相應(yīng)塊并不調(diào)入緩存，由于一個(gè)寫操作所涉及的往往是程序中某個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)的一個(gè)單元，

其訪問的局部性并不明顯。

替換算法在有沖突發(fā)生，即新的主存頁需要調(diào)入Cache,而它的可用位置已被占用時(shí)

發(fā)

生。替換算法主要有4個(gè)：

Q)隨機(jī)替換算法：當(dāng)需要找替換的信息塊時(shí).它是用隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)，

它就是被替換的塊號(hào)。出于這種算法沒有考慮信息塊的歷史狀況和使用狀況，故其命中率

很低，己無人使用。

(2)先進(jìn)先出算法(FIFO):這種算法是把最早進(jìn)入Cache的信息塊給替換掉。這種算法

在肯定程度上能反映程序的局部性特點(diǎn)，比隨機(jī)算法好，但由于這種方法只考慮了歷史狀

況,并沒有反映出信息的使用狀況，所以其命中率也并不高。緣由很簡(jiǎn)潔，最先走來的信

息塊，或許就是常常要用的塊。

(3)近期最少使用算法(LRU);這種算法是把最近使用最少的信息塊替換掉，這就要求

隨時(shí)紀(jì)錄Cache中各信息塊的使用狀況.為r反映每人信息塊的使用狀況，要為每個(gè)信息

塊設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，以便確定哪個(gè)信息塊是近期最少使用的。

(4)優(yōu)化替換算法：這是一種抱負(fù)算法，實(shí)現(xiàn)起來難度較大。因此，只作為衡量其他算

法的標(biāo)準(zhǔn)，這種算法需讓程序運(yùn)行兩次，第一次分析地址流，其次次才真正運(yùn)行程序。

4.虛擬存儲(chǔ)器

虛擬存儲(chǔ)器(Vi「tualMernsy)是以存儲(chǔ)器訪問的局部性為基礎(chǔ)，建立在主存一輔存物

理體系結(jié)構(gòu)上的存儲(chǔ)管理技術(shù)。它是為了擴(kuò)大存儲(chǔ)容量，把輔存當(dāng)作主存使用，在幫助軟、

硬件的掌握下，將主存和輔存的地址空問統(tǒng)編址，形成個(gè)浩大的存儲(chǔ)空間。程序運(yùn)行時(shí)，

用戶可以訪問輔存中的信息，可以使用與訪問主存同樣的尋址方式，所需要的程序和數(shù)據(jù)

由幫助軟件和硬件自動(dòng)調(diào)入主存，這個(gè)擴(kuò)大了的存儲(chǔ)空間，就稱為虛擬存儲(chǔ)器。

程序員編程所用的地址叫做〃虛擬地址"或"規(guī)律地址"，虛地址的全部集合構(gòu)成

“虛存空問"或"規(guī)律空間二實(shí)際的主存儲(chǔ)器地址稱為“真實(shí)地址”或〃物理地址"，實(shí)

地址對(duì)應(yīng)的空間稱為“主存空間”或叫物理空間

豐存一輔存層次的虛擬存儲(chǔ)和cache一主存層次有很多相像之處，但虛擬存儲(chǔ)器和

Cache仍有很重要的區(qū)分：

(l)Cache用于內(nèi)存與CPU的速度差距，而虛擬存儲(chǔ)器是用來彌補(bǔ)主存和輔存之問的

容量差距。

(2)Cache每次傳送的信息塊是定長(zhǎng)的，只有幾十字節(jié)，而虛擬存儲(chǔ)器信息塊劃分方案

有很多，有分頁、分段等，長(zhǎng)度可以很大，達(dá)幾百或幾百K字節(jié)。

(3)CPU可以直接訪問Cache,而CPU不能直接訪問輔存。

(4)Cache存取信息的過程、地址變換和替換算法等全部由幫助硬什實(shí)現(xiàn)，并對(duì)程序員

是透亮的，而虛擬存儲(chǔ)器是由幫助軟件(操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)管理軟件)和硬件相結(jié)合來進(jìn)

行信息塊的劃分和程序的調(diào)度。

常用的虛擬存儲(chǔ)器有:

?頁式虛擬存儲(chǔ)器：以頁為信息傳送單位的的虛擬存儲(chǔ)器。在頁式虛擬存儲(chǔ)器中，將

虛擬空間和主存空間機(jī)械地分成大小固定的頁。頁的大小通常隨機(jī)器而異，一般為512B

或幾KB不等