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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流微型计算机存储器系统结构.精品文档.第5章 微型计算机存储器系统结构本章学习要点 存储器的分类及存储器系统的层次结构 随机存取存储器RAM和只读存储器ROM的基本结构 存储器扩展接口 辅助存储器及新型存储器技术51 本章知识重点5-11 存储器的概念和基本结构1存储器的概念 存储器是计算机中用来存储信息的部件，是微型计算机系统不可缺少的组成部分，是计算机中各种信息的存储和交流中心。2存储器的分类 存储器按照其制造材料、读写功能、信息的保存情况及其在微型计算机系统中的作用来区分，可以有以下4种分类方法： (1)按照存储介质分类 采用半导体材料半
2、导体存储器。 采用磁性材料磁表面存储器。 采用光学材料光表面存储器。 (2)按照读写功能分类 存储内容固定不变，只能读出不能写入只读存储器ROM。 存储内容可以改变，既可以读出又能够写入随机存取存储器RAM(又称为读写存储器)。 (3)按照信息的可保存性分类 断电后信息即消失非永久性记忆的存储器。 断电后仍能保存信息永久性记忆的存储器。 (4)按照在微型计算机系统中的作用分类 存放当前正在运行的程序和数据主存储器。 存储CPU当前操作暂时用不到的程序或数据辅助存储器。 暂存CPU正在使用的指令和数据高速缓冲存储器(Cache)。3存储器的基本性能指标(1)存储容量：存储器可以存储的二进制信息总
3、量称为存储容量。 存储容量=存储器单元数每单元二进制位数。应该注意：通常8位二进制数称为一个字节，用B(Byte)表示，存储容量可以字节(B)为单位来表示，对于大容量存储器还可以用千字节(KB)、兆字节(MB)、 吉字节(GB)、太字节(TB)等表示。 其换算关系为：1KB=2100B=1024B IMB=210B=1024KB 1GB=230B=1024MB 1TB=240B=1024GB(2)存取时间：指启动次存储器操作到完成该操作所用的时问。(3)存取周期：指连续两次独立的存储器操作之间的最小时间间隔。注意：存取时间和存取周期都是衡量存取速度的性能指标。(4)价格：常用每位的价格来衡量。
4、一般来说，主存储器的价格较高，辅助存储器的价格则低得多。 存储器总价格正比于存储容量，反比于存取速度。一般来说，速度较快的存储器，其价格也较高，容量也不可能太大。因此，容量、速度、价格3个指标之间是相互制约的。 所以，用户在设计和选用存储器时还要综合考虑这些因素，要根据实际需要全面衡量，尽可能满足主要要求并兼顾其他，尽量提高性能价格比。4存储系统的层次结构 所谓存储系统的层次结构，就是把各种不同存储容量、存取速度和价格的存储器按层次结构组成多层存储器，并通过管理软件和辅助硬件有机组合成统一的整体，使所存放的程序和数据按层次分布在各种存储器中。目前，在计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系
5、统，主要由高速缓冲存储器Cache、主存储器和辅助存储器组成，如图5-1所示。 在图5-1所示的存储系统多级层次结构中，由上向下分三级，其容量逐渐增大，速度逐级降低，成本则逐次减少。整个结构又可以看成两个层次：它们分别是主存一辅存层次和cache一主存层次。这个层次系统中的每一种存储器都不再是孤立的存储器，而是一个有机的整体。它们在辅助硬件和计算机操作系统的管理下，可把主存一辅存层次作为一个存储整体，形成的可寻址存储空间比主存储器空间大得多。由于辅存容量大，价格低，使得存储系统的整体平均价格降低。由于Cache的存取速度可以和CPU的工作速度相媲美，故cache一主存层次可以缩小主存和cPu之
6、间的速度差距，从整体上提高存储器系统的存取速度。尽管Cache成本高，但由于容量较小，故不会使存储系统的整体价格增加很多。综上所述，一个较大的存储系统是由各种不同类型的存储设备构成，是一个具有多级层次结构的存储系统。该系统既有与CPU相近的速度，又有极大的容量，而成本又是较低的。其中高速缓存解决了存储系统的速度问题，辅助存储器则解决了存储系统的容量问题。采用多级层次结构的存储器系统可以有效的解决存储器的速度、容量和价格之间的矛盾。图5-1存储系统的多级层次结构5-1-2 IRAM与ROM 1随机存取存储器RAM 现代微型计算机的主存储器已普遍采用半导体存储器。其特点是容量大、存取速度快、体积小
7、、功耗低、集成度高、价格便宜。半导体存储器可分为两大类：随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)。 所谓随机存取是指通过指令可以随机地对每个存储单元进行访问，其访问时间都是相同的，与存储单元的地址无关。通常随机存取存储器中每个存储单元的内容，可根据程序要求随时读写，所以实际上称它为读写存储器更确切，但习惯上都把它叫做随机存取存储器。 随机存取存储器根据存储原理又可分为静态RAM和动态RAM。 (1)静态RAM(sRAM) 静态RAM的基本存储电路如图5-2所示。图5-2静态RAM的基本存储电路 静态BAM的主要优点是工作稳定，不需外加刷新电路，从而简化了外部电路设计。但由于静态RAM的基
8、本存储电路中所含晶体管较多，故集成度较低。另外，由T1、T2管组成的双稳态触发器总有一个管子处于导通状态，所以会持续地消耗功率，从而使静态RAM的功耗较大，这是静态RAM的两个缺点。 静态RAM的结构一般采用基本存储电路排成阵列，再加上地址译码电路和读写控制电路就可以构成静态RAM。 (2)动态RAM(DRAM) 图53单管动态存储电路 动态RAM的基本存储电路如图5-3所示。 动态RAM是利用电容存储电荷的原理来保存信息的，但由于任何电容都存在漏电。因此，当电容C存储有电荷时，过一段时间由于电容的放电过程会导致电荷流失，使保存信息丢 失。解决的办法是“刷新”，即每隔一定时间(一般为2ms)就
9、必须对动态RAM进行读出和再写入，使原来处于逻辑电平“l”的电容上所释放的电荷又得到补充，而原来处于电平“0”的电容仍保持“0”，这个过程叫动态RAM的刷新。 动态RAM的刷新操作不同于存储器读写操作，主要表现在以下几点： 刷新地址通常由刷新地址计数器产生，而不是由地址总线提供。 由于动态RAM的基本存储电路可按行同时刷新，所以刷新只需要行地址，不需要列地址。 刷新操作时，存储器芯片的数据线呈高阻状态，即片内数据线与外部数据线完全隔离。 动态RAM的缺点是需要刷新逻辑电路，而月刷新操作时不能进行正常的读写操作。但动态RAM与静态RAM相比，具有集成度高、功耗低、价格便宜等优点，所以在大容量的存
10、储器中普遍采用。 2只读存储器ROM 只读存储器(ROM)是一种工作时只能读出，不能写入信息的存储器。在使用ROM时，其内部信息是不能被改变的，故一般只能存放固定程序，如监控程序、BIOS程序等。 只读存储器(ROM)的特点是非易失性，即它所存储的信息一经写入，就可以长久保存，不受电源断电的影响，即使掉电后存储信息仍不会改变，十分可靠。 按存储单元的结构和生产工艺的不同，只读存储器ROM又可分为：掩膜只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、光可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(E2PROM)。 (1)掩膜只读存储器(ROM) 掩膜只读存储器(ROM)示意
11、图如图5-4所示。 掩膜只读存储器(ROM)中的信息是在制造过程中写入的。生产厂家在制造这种存储器时，采用光刻掩膜技术，将程序置入其中。掩膜ROM制成后，存储的信息就不能再改写了，用户在使用时，不能修改，只能进行读出操作，所以这种存储器称为掩膜只读存储器。 (2)可编程只读存储器(PROM) 可编稃只读存储器(PROM)大多采用熔丝式，其基本存储电路如图55所示。图54掩膜只读存储器(ROM)示意图图5-5熔丝式PROM基本存储电路可编程只读存储器(PROM)一般由晶体管阵列组成，用户在使用前一次性写入信息，写入后只能读出，不能修改。 可编程只读存储器(PROM)在出厂时，晶体管阵列的熔丝均为
12、完好状态。当用户写入信息时，可在vcc端加高于正常工作电平的“写入电平”，通过编程地址使选中的行线为该电平。若某位写0，写入逻辑使相应位线呈低电平，较人的电流使该位熔丝烧断，即存入0，；若某位写1，相应位线呈高电平，使熔丝保持原状，即存入1。显然，熔丝一旦烧断，就不能再复原。因此，用户对这种PROM只能进行次编程。 PROM的电路和工艺比ROM复杂，又具有可编程逻辑，所以价格较贵。 一般在非批量使用时，用PROM合算；在批量使用时，则用掩膜ROM比较适宜。(3)光可擦除可编程只读存储器(EPROM) 光可擦除可编程只读存储器(EPROM)是利用浮栅MOS管构成，其结构如图5-6所示。图5-6浮
13、栅MOS管EPROM存储电路 在原始状态，栅极上没有电荷，该管没有导通沟道，D和s是不导通的，管子处于截止状态。如果将源极和衬底接地，在衬底和漏极形成的PN结j加一个约24V的反向电压，首先在漏极引起雪崩击穿，产生许多高能量的电子。这些高能电子比较容易越过绝缘薄层进入浮栅，使浮栅带上负电荷，等效于栅极上加负电压。注入浮栅的电子数量由所加电压脉冲的幅度和宽度来控制。如果注入的电子足够多，这些负电子在硅表面上感应出一个连接源、漏极的反型层，使源、漏极之间形成一层正电荷的导电沟道，管子呈导通状态。 当外加电压取消后，积累在浮栅上的电子没有放电回路，因而在室温和无光照的条件下可长期地保存在浮栅中。我们
14、以浮栅是否积存电荷来区别管子存储内容是0，还是1。若浮栅无积存电荷，则源、漏极是不导通的。当行选线选中该存储单元时，列线输出高电平，即读出信息1；若在浮栅中注入了电子，则MOS管就有导电沟道存在。当承受正偏压时，源、漏极导通，可在列线得到低电平，即读出信息0。EPROM在出厂时，未经过编程，浮栅中没有积存电荷，位线上总是“l”，即存储内容为FFH。 消除浮栅电荷的办法是利用紫外线光照射，由于紫外线光子能量较高，从而可使浮栅中的电子获得能量，形成光电流从浮栅流入基片，使浮栅恢复初态。EPROM芯片上方有一个石英玻璃窗口，只要将EPROM芯片用紫外线照射20分钟即可擦除EPROM芯片中所存储的内容
15、。擦除后的EPROM可再写入新的信息。 光可擦除可编程只读存储器(EPROM)的优点是芯H可多次使用，缺点是以整个芯片为单位的擦掉重写。尽管擦除后可以重新编程，但擦除时需要紫外线光照射，这对于实际使用是很不方便的。在实际应用中，大多数情况下需要以字节为单位的擦写。而且一块芯片经多次插拔之后，可能会使其外部管脚损坏。 (4)电可擦除可编程只读存储器(E2PROM) E2pROM是近年来被广泛应用的种可用电擦除和编程的只读存储器，其主要特点是能在应用系统中进行在线读写，并在断电情况下保存的数据信息不会丢失，它既能像RAM那样随机地进行改写，又能像ROM那样在掉电的情况下非易失地保存数据，可作为系统
16、中可靠保存数据的存储器。因为E2PROM兼有RAM和ROM的双重优点，所以在计算机系统中使用E2PROM后，可使整机的系统应用变得方便灵活。5-1-3存储器容量与存储器的连接 1存储器容量的形成 单个存储芯月的存储容量是有限的，因此，常常需要将多片存储器按一定方式组成具有一定存储单元数的存储器。通常有以下3种方法： (1)位扩展法 适用于存储单元数满足要求，但数据位数不满足要求的情况。 具体方式为：地址线和片选信号线共用，数据线单独接。 (2)字扩展法 适用于数据位数满足要求，但存储单元数不满足要求的情况。 具体方式为：数据线共用，地址线和片选信号线单独接。 (3)混合扩展法 适用于数据位数和
17、存储单元数均不满足要求的情况。 具体方式为：将存储芯片分组，然后采用位扩展法、字扩展法分别连接每一组存储芯片。 2存储器容量的寻址 存储器容量的寻址方式主要有以下3种： (1)线选法 用单根地址线作片选信号，每个存储芯片或每个IO端口只用一根地址线选通。适用于存储容量小、存储器芯片数少的情况。 优点：连接简单，无需专门的译码电路。 缺点：地址不连续，CPU寻址能力的利用率太低，会造成大量的地址空间浪费，并且会与其他芯片出现地址重叠，使一个地址码可能选中两个以上的存储单元。 (2)全译码片选法 这种方法除了将低位地址总线直接连至各芯片的地址线外，余下的高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片
18、的片选信号。 优点：可以提供对全部存储空间的寻址能力。 缺点：可能出现多余的译码输出。 (3)局部译码片选法 该方法只对部分高位地址总线进行译码，以产生片选信号，剩余高位线或空着，或直接用作其他存储芯片的片选控制信号。所以，它是介于全译码法和线选法之间的一种选址方法。 3微处理器与存储器的连接 微处理器与存储器连接时，地址总线、数据总线和控制总线都要连接。连接时应注意以下问题： (1)CPU总线的带负载能力问题。 (2)存储器与CPU之间的速度匹配问题。 (3)存储器组织、地址分配和译码问题。5-1-4辅助存储器 辅助存储器用来存放当前暂时不用的程序或数据，需要时再成批地调入主存。它属于外部设
19、备，因此，又称其为外存储器。常用的辅助存储器有软盘、硬盘和光盘存储器等。 1软盘存储器及其接口软盘存储器是在聚脂薄膜圆形基片上涂一层磁性材料而形成。以体积小、价格低、结构简单、易于维护、携带方便和对环境要求不高等优点而得到广泛应用。按软盘驱动器的性能可分为单面盘和双面盘。 (1)主要技术指标如下： 磁道：磁盘上的记录面分成许多以盘片中心为圆心的同心圆，每个圆称为一个磁道 (Track)。 道密度：沿磁盘径向单位长度上的磁道数称为“道密度”。常用每英寸上的磁道数来表示。 位密度：磁道上数据的记录密度称为“位密度”。常用每英寸长度上所记录的的位单元数来表示。 扇区：磁道再划分成许多小的存储区，每个
20、存储区称为扇区(sector)。 (2)软盘驱动器(FDD) 软盘驱动器主要完成对磁盘的读写工作，由软盘驱动机构和读写控制电路组成。 软盘驱动机构可分为：盘片定位机构；软盘驱动装置；控制磁头寻道定位部件；状态检测部件。 读写控制电路可分为：读出放大电路；写电路；抹电路。 (3)软盘控制器 软盘控制器的功能是解释来自主机的命令并向软盘驱动器发出各种控制信号，同时还要检测驱动器的状态，按规定的数据格式向驱动器读写数据等。具体操作如下： 寻道操作：将磁头定位在目标磁道上。寻道前，主机将目标道号送往磁盘控制器暂存，目标道号与磁头所在道号进行比较，决定磁头运动的道数和方向。 地址检测：主机将目标地址送往
21、软盘控制器，控制器从驱动器上按记录格式读取地址信息并与目标地址进行比较，找到读写信息的磁盘地址。 读数据：首先检测数据标志是否正确，然后将数据字段的内容送入内存，最后进行CRC校验。 写数据：写数据时不仅要将原始信息经编码后写入磁盘，同时要写上数据区标志和CRC校验码以及间隙。如果原始信息写不满一个区段，自动插入全0。 初始化：在盘片上写格式化信息，对每个磁道划分区段。 软盘控制器主要由以下几部分组成： 数据总线缓冲器：用于缓冲主机送来的并行数据。缓冲器中的数据再通过内部总线与寄存器中的信息进行传送。 读写DMA控制逻辑：主要功能是进行读写和DMA控制。采用DMA方式传送数据时，此部分可产生数
22、据请求(DRQ)信号，借助DMA控制芯片向CPU申请总线控制。CPU响应后，让出总线控制权，接着转入DMA数据传送。 串行接口控制器：主要用来控制读写的各种信号。当采用双密记录方式写入数据时，引入补偿电路；读出时，引入锁相电路，分离出数据。 驱动器接口控制器：用来控制输入输出的各种信号。 内部寄存器：用来存放软盘控制器芯片的状态、数据、命令和参数。 2硬盘存储器及其接口 硬盘是一种磁表面存储器，是以厚度为1-2mm的非磁性的铝合金材料或玻璃基片作为盘基，在表面涂抹一层磁性材料作为记录介质。磁层可以采用甩涂工艺制成，此时磁粉呈不连续的颗粒存在，也可以用电镀、化学镀或溅射等方法制成。盘面上由外向里
23、有许多同心圆构成相互分离的磁道，通过磁化磁道可以存储信息。盘片以3600转分钟或更高的速度旋转，通过悬浮在盘片上的磁头进行读写操作。 (1)硬盘分类 硬盘根据磁头和盘片的不同结构和功能，可分为固定磁头磁盘机、活动磁头固定盘片磁盘机和活动磁头可换盘片磁盘机3类。 固定磁头磁盘机：盘片的每条磁道上方固定安装一个磁头，以完成对该磁道盼读写操作。这种磁盘机结构简单、可靠性高、存取速度极快。但所需磁头数量多，由于磁头机械尺寸的限制使磁道密度受到影响，因此总存储容量不大，适合于快速存取的专用机械系统。 活动磁头固定盘片磁盘机：每个盘面上只安装个或两个磁头，存取数据时磁头可沿盘卣径向移动到各个磁道完成读写操
24、作，磁头与盘面不接触且随气流浮动，称为浮动磁头。这种磁盘机可大大减少磁头数量，有效提高磁道密度，存储容量明显增大。新型的固定盘式磁盘机一般采用温彻斯特技术，称为温彻斯特磁盘，简称为“温盘”。这种磁盘机的盘片组也是由一个盘片或多个盘片组成，固定在主轴上，不可拆卸。 活动磁头可换盘片磁盘机：不但磁头可移动，而且盘片也由 片或多片磁盘构成盘盒或盘组形式，用户可方便地将它们从磁盘机上卸下或装上。一日盘片上装满了信息，可卸下供长期保存，使脱机容量不受限制，成为名副其实的“海量存储器”。这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器问交换数据，具有脱机保存、存储容量几乎无限制的优点。为了达到可靠交换数据的目的，磁盘的道密
25、度要适当降低，从而使可换磁盘记录密度的提高受到限制。 (2)温彻斯特技术 所谓温彻斯特技术是将硬盘盘片、读写磁头、小车、导轨、主轴以及控制电路等组装在一起，制成一个密封式不可拆卸的整体的技术。它具有防尘性能好、工作可靠，对使用环埔要求不高的突出优点，是磁盘技术向高密度、大容量、高可靠性发展的产物。 温彻斯特技术的主要特点如下： 密封的头一盘组合体(HAD组合件) 轻浮力的接触浮动式磁头 盘片表面有润滑剂 (3)硬盘驱动器 硬盘驱动器(HDD)又称磁盘机或磁盘子系统，它是独立于主机之外的一个完整装置，用来完成对硬盘的读写工作。 硬盘驱动器(HDD)由主轴系统、数据转换系统、磁头驱动和定位系统、空
26、气净化系统和接口电路等五部分组成。 主轴系统：由主轴电机、主轴部件、盘片和控制电路等组成，作用主要是安装并固定盘片和盘盒，并驱动它们以额定转速稳定旋转。 数据转换系统：包括磁头、磁头选择电路、读写电路、索引、区标电路等，作用是接收主机通过接口送来的数据并写入到盘片上，或从盘片上读出信息并送到接口电路。 磁头驱动和定位系统：包括磁头驱动和磁头定位两部分。在可移动磁头的磁盘驱动器中，驱动磁头沿盘面径向位置运动以寻找目标磁道位置的机构叫磁头驱动定位机构。 磁头驱动系统由驱动部件和运载部件(也称为磁头小车)组成。存磁盘存取数据时，磁头小车的运动驱动磁头进入指定磁道的中心位置，并精确地跟踪该磁道。 磁头
27、驱动系统的驱动方式丰要有步进电机驱动和音圈电机驱动两种，现在普遍采用音圈电机驱动。 空气净化系统：南风机、空气过滤器、印刷电机及其控制电路组成，作用是防尘和冷却，往盆腔内送入干净的、冷却的空气，并清洁盘面。 接口电路：由接收门电路和发送门电路组成，作用是完成硬盘驱动器和硬盘控制器之间的数据传输。 硬盘驱动器的工作过程是：写入时由控制器送来要写入的数据，通过接口送到写入电路，磁头选择电路选择要写入的磁头，磁头驱动和定位系统把该磁头定位在要写入的磁道位置卜，然后数据就可以写入到选定的盘而、磁道和扇区上；读出时，由磁头选择电路选定磁头，磁头驱动和定位系统使之定位在要读出的磁道位置上，然后由该磁头读出
28、相应扇区的信息，通过读电路将读出信息进行放大、滤波、鉴零、整形后，再送到接口电路。 (4)硬盘控制器 硬盘控制器是主机与硬盘驱动器之间的接口，一般指插在主机总线插槽中的一块电路板。作用是接受主机发送的命令和数据，并转换成驱动器的控制命令和驱动器可以接受的数据格式，以控制驱动器的读写操作。 硬盘控制器主要由以下几部分组成，如图5-7所示。图57硬盘控制器组成示意图 IO接LI电路：主要用来和主机连接，实现控制器和主机之间的信息传送，其中包括主机对控制器的寄存器读写，对ROM芯片的直接寻址等。 智能控制器：包括一个CPU芯片、一个DMA芯片和一个专用的硬盘控制器芯片，主要用来实现对温盘的智能控制和
29、信号的传送、处理等。 状态和控制电路：是智能控制器的外围电路，智能控制器通过它们监测温盘的状态并发出控制信号。 读写控制电路：用来控制主机对温盘的数据读写操作。 (5)硬盘驱动器接口 IDE接口：IDE是Integrated Drive Electronics的缩写，即集成驱动器电子部件。它的最大特点是把控制器集成到驱动器内。由于把控制器和驱动器电路集成在一起，可以消除驱动器和控制器之间的数据丢失问题，使数据传输十分可靠，但它对硬盘管理不允许超过528MB的存储容量。 EIDE接口：是增强型IDE接口，它允许更大存储容量，支持硬盘的最高容量可达8,4GB。允许连接更多的外设，一个系统可连接4个
30、EIDE设备。支持多种外设，具有更高的数据传输速率。 SCSI接口：是小型计算机标准接口的缩写。SCSI接口可提供大量、快速的数据 传输，支持更多数量和更多类型的外围设备，使其能广泛应用于工作站、高档微机系统中。 3光盘存储器及其接口 光盘片一般采用丙烯树脂，在盘片上溅射碲合金薄膜或涂上其他物质。利用激光能量可以高度集中的特点，在记录信息时，使用功率较强的激光光源，聚焦成小于1 um的光点照射到介质表面上，根据写入的信息来调制光点的强弱，从而介质表面的微小区域温度升高，产生微小凹凸或其他几何变形，即改变表面的光反射性质。在从光盘中读出信息时，利用光盘驱动器中功率较小的激光光源照射，根据反射光强
31、弱的变化经信号处理即可读出数据。因此，一般的光盘在写入信息时是一次性的，永久保存在盘片上，具有大容量、高速度、携带方便、耐用的特点。 (1)种类 光盘存储器主要有只读型光盘(CD-ROM)；只写一次型光盘(WORM)；可擦写型光盘；DVD光盘。 (2)光盘驱动器 光盘的读写原理有形变、相变和MO存储等。 形变：对于只读型和只写一次型光盘，写入时依靠激光束的热作用融化盘表面上的光存储介质薄膜，在薄膜上形成凹坑。有凹坑的位置表示记录r“1”，没有凹坑的位置表示“0”。读出时，依靠反射光强的不同就可以读出二进制信息。 相变：有些光存储介质在激光照射下，晶体结构会发生变化。利用介质处于晶态和非晶态区域
32、内反射特性不同，而记录和读取信息的技术，称之为“相变可重写技术”。 磁光(M0)存储：利用激光在磁性薄膜上产生热磁效应来记录信息，称为磁光存储。它利用激光照射磁性薄膜，被照射处温度上升，矫顽力下降，在外加磁场的作用下发生磁通翻转，使该处的磁化方向与外加磁场一致。 光盘驱动器一般由光学头、主轴电机、步进电机、光驱伺服定位系统、微控制器组成，如图5-8所示。图5-8光盘驱动器结构框图5-1-5新型存储器技术 1多体交叉存储器 多体交叉存储器的设计思想是在物理上将主存分成多个模块，每一个模块都包括一个存储体、地址缓冲寄存器和数据缓冲寄存器等，即它们都是一个完整的存储器。因此，CPU就能同时访问各个存
33、储模块，任何时候都允许对多个模块并行地进行读写操作，从而提高整个存储系统的平均访问速度。 多体交叉存储器是利用主存地址的低K位来选择模块(可确定2K个模块)，高m位用来指定模块中的存储单元，这样连续的几个地址就位于相邻的几个模块中，而不是在同一个模块中，故称为“多体交叉编址”。于是CPU要访问主存的几个连续地址时，可使这几个模块同时工作，使整个主存的平均利用率得到提高。 2闪速存储器 闪速存储器的英文名称为Flash Memory，有时也译为“快闪存储器”。它既有EPROM价格便宜、集成度高的优点，又有E2PROM的电可擦除性、可重写性，具有可靠的非易失性，重写速度较快，对于需要实施代码或数据
34、更新的嵌入性应用是一种理想的存储器。 3高速缓冲存储器Cache 高速缓冲存储器(Cache)位于CPU与存储容量较大但操作速度较慢的主存之问，可以提高CPU访问存储器时的存取速度，减少处理器的等待时间，使程序员能使用一个速度与CPU相当而容量与主存相当的存储器。 高速缓冲存储器(Cache)是根据程序的局部性原理，即在一个较小时间间隔内，程序所要用到的指令或数据的地址往往集中在一个局部区域内，因而对局部范围内的存储器地址频繁访问，而对此范围外的地址则访问甚少，这就称为程序访问的局部性原理。 如果数据在Cache中，则CPU对Cache进行读写操作，称为“命中”。若是读操作，则CPU可以直接从
35、Cache中读取数据。若是写操作，则需改变Cache和主存中相应两个单元内容。这时有两种处理办法：一种是Cache单元和主存中相应单元同时被修改，称为“直通存储法”；另一种方法是只修改Cache单元的内容，同时用一个标志位作为标志，当有标志位的信息块从Cache中移去时再修改相应的主存单元，把修改信息一次写回主存，称“写回发”。显然直通存储法比较简单，但对于需要多次修改的单元来说，可能导致不必要的主存复写工作。 若数据不在Cache中，则CPU直接对主存进行操作，称为“不命中”。若是读操作，则把主存中相应的信息块送到Cache rI(若Cache中已满时，则需根据替换算法移去某一块)，在送字块
36、到Cache的同时就把所需的字送CPU，不必等待整个块都装入Cache，这种方法称为“盲通取数”。若足写操作，则将信息直接写入内存。一般情况下，此时主存中的相应块并不调入缓存，因为一个写操作所涉及的往往是程序中某个数据区的一个单元，其访问的局部性并不明显。 替换算法在有冲突发生，即新的主存页需要调入Cache，而它的可用位置已被占用时发生。替换算法主要有4个： (1)随机替换算法：当需要找替换的信息块时它是用随机数发生器产生一个随机数，它就是被替换的块号。出于这种算法没有考虑信息块的历史情况和使用情况，故其命中率很低，己无人使用。 (2)先进先出算法(FIFO)：这种算法是把最早进入Cache
37、的信息块给替换掉。这种算法在一定程度上能反映程序的局部性特点，比随机算法好，但由于这种方法只考虑了历史情况，并没有反映出信息的使用情况，所以其命中率也并不高。原因很简单，最先进来的信息块，或许就是经常要用的块。 (3)近期最少使用算法(LRU)；这种算法是把最近使用最少的信息块替换掉，这就要求随时记录Cache中各信息块的使用情况。为r反映每个信息块的使用情况，要为每个信息块设置一个计数器，以便确定哪个信息块是近期最少使用的。 (4)优化替换算法：这是一种理想算法，实现起来难度较大。因此，只作为衡量其他算法的标准，这种算法需让程序运行两次，第一次分析地址流，第二次才真正运行程序。 4虚拟存储器
38、 虚拟存储器(VirtualMemory)是以存储器访问的局部性为基础，建立在主存一辅存物理体系结构上的存储管理技术。它是为了扩大存储容量，把辅存当作主存使用，在辅助软、硬件的控制下，将主存和辅存的地址空问统编址，形成个庞大的存储空间。程序运行时，用户可以访问辅存中的信息，可以使用与访问主存同样的寻址方式，所需要的程序和数据由辅助软件和硬件自动调入主存，这个扩大了的存储空间，就称为虚拟存储器。 程序员编程所用的地址叫做“虚拟地址”或“逻辑地址”，虚地址的全部集合构成“虚存空问”或“逻辑空间”。实际的主存储器地址称为“真实地址”或“物理地址”，实地址对应的空间称为“主存空间”或叫物理空间”。 丰
39、存一辅存层次的虚拟存储和cache一主存层次有很多相似之处，但虚拟存储器和Cache仍有很重要的区别： (1)Cache用于内存与CPU的速度差距，而虚拟存储器是用来弥补主存和辅存之问的容量差距。 (2)Cache每次传送的信息块是定长的，只有几十字节，而虚拟存储器信息块划分方案有很多，有分页、分段等，长度可以很大，达几百或几百K字节。 (3)CPU可以直接访问Cache，而CPU不能直接访问辅存。 (4)Cache存取信息的过程、地址变换和替换算法等全部由辅助硬什实现，并对程序员是透明的，而虚拟存储器是由辅助软件(操作系统的存储管理软件)和硬件相结合来进行信息块的划分和程序的调度。常用的虚拟
40、存储器有： 页式虚拟存储器：以页为信息传送单位的的虚拟存储器。在页式虚拟存储器中，将虚拟空间和主存空间机械地分成大小固定的页。页的大小通常随机器而异，一般为512B或几KB不等。 虚存空间中所划分的页被称为“虚页”，而主存空间中所划分的页被称为“实页”。虚实地址的转换主要是虚页号向实页号的转换，这个转换关系由页表给出，页表记录程序的虚页面调入主存时被安排在主存中的位置。 段式虚拟存储器：段式虚拟存储器就是以程序的逻辑结构所自然形成的段作为主存分配的单位，来进行存储器管理的一种虚拟存储器。其中每个段的长度可不同，可以独立编址。有的段甚至可以事先不确定大小，而在执行时动态地决定。 程序运行时，以段
41、为单位整段从辅存调入主存，一段占用一个连续的存储空间，CPU访问时仍需段表进行虚实地址的转换。 段页式虚拟存储器：将存储空间仍按程序的逻辑模块分段，以保证每个模块的独立性和便于用户公用。每段又划分为若干个页，页面大小与实存页面相同。虚存与实存之间信息调度以页为基本单位。每个程序有一张段表，每段对应有一张页表。CPU访问时，由段表指出每段对应的页表的起始地址，而每一段的页表可指出该段的虚页在实存空间的存放位置(实页号)，最后与页内地址拼接即可确定CPU要访问的信息的实存地址。这是一种较好的虚拟存储器管理方式。52 经典例题1.8086系统中存储器的逻辑地址由哪两部分组成？物理地址由何器件生成？如
42、何生成？每个段的逻辑地址与寄存器之间有何对应关系？答：8086系统中存储器的逻辑地址由段地址（段首址）和段内偏移地址（有效地址）两部分组成；存储单元的物理地址由地址加法器生成，寻址时，CPU首先将段地址和段内偏移地址送入地址加法器，地址加法器将段地址左移4位并与段内偏移地址相加，得到一个20位的物理地址。数据段的段地址在DS寄存器中，段内偏移地址可能在BX、BP、SI或DI寄存器中。代码段的段地址在CS寄存器中，段内偏移地址在IP寄存器中。堆栈段的段地址在SS寄存器中，段内偏移地址在SP寄存器中。扩展段的段地址在ES寄存器中，段内偏移地址可能在BX、BP、SI或DI寄存器中。2.设CPU中各有
43、关寄存器的当前状况为：SS=0a8bH、DS=17ceH、CS=dc54H、BX=394bH、IP=2f39H、SP=1200H，BX 给出的是某操作数的有效地址，请分别写出该操作数、下一条要取的指令及当前栈顶的逻辑地址和物理地址。答：该操作数的逻辑地址为DS：BX=17CE：394BH，物理地址=17CEH*10H+394BH=1B62BH；下一条要取的指令的逻辑地址为CS：IP=DC54：2F39H，物理地址=DC54H*10H+2F39H=DF479H；当前栈顶的逻辑地址=SS：SP=0A8B：1200H，物理地址=0A8BH*10H+1200H=0BAB0H。3.若DS=157DH时，某操作数的物理地址是215FAH，当DS=18DEH时，该操作数的物理地址是多少？答：该操作数的段内偏移地址=该操作数的物理地址-DS=215FAH-157D0H=BE2AH, 故当DS=18DEH时，该操作数的物理地址=DS*10H+BE2AH=18DE0H+BE2AH=24C0AH