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1、主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：计算机硬件技术基础计算机硬件技术基础主讲：焦明海主讲：焦明海东北大学计算中心东北大学计算中心主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：第三章第三章 存储器存储器3.1 3.1 存储器概述存储器概述3.2 3.2 存储器芯片存储器芯片3.3 3.3 存储器的应用存储器的应用主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：作用作用:存储程序和被处理的数据以及运算的结果。存储程序和被处理的数据以及运算的结果。1、主存、辅存、高速缓存、主存、辅存、高速缓存按存储器在微机中的不同地位，可以分为：按存储器在微机中的不同地位，可以分为：v主存：或称内存，
2、它用来存放当前正在使用的或主存：或称内存，它用来存放当前正在使用的或经常要使用的程序和数据，经常要使用的程序和数据，CPU可以直接对其进行可以直接对其进行访问。程序只有被放入内存，才能被访问。程序只有被放入内存，才能被CPU执行。执行。v辅存：或称外存，它用来永久存放各种信息。辅存：或称外存，它用来永久存放各种信息。v高速缓冲存储器：介于高速缓冲存储器：介于CPU与主存之间的容量更与主存之间的容量更小、而速度更快的存储器。小、而速度更快的存储器。3.1 3.1 存储器概述存储器概述主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：2、多级存储结构、多级存储结构多级存储结构的形成多级存储结构的形成
3、:CPU不断的访问存储器，存储器的存取速度将直接影响计不断的访问存储器，存储器的存取速度将直接影响计算机的工作效率。算机的工作效率。在某一段时间内，在某一段时间内，CPU只运行存储器中部分程序和访问部只运行存储器中部分程序和访问部分数据，其中大部分是暂时不用的。分数据，其中大部分是暂时不用的。增加高速缓冲存储器增加高速缓冲存储器（Cache）目的：提高目的：提高CPU运行速度，提高运运行速度，提高运行效率行效率。位置：位置：CPU与与主存之间主存之间CPU辅辅 存存Cache主主 存存CPU辅辅 存存主主 存存3.1 3.1 存储器概述存储器概述 主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail
4、：3.1 3.1 存储器概述存储器概述主存先将某一小数据块移入主存先将某一小数据块移入Cache中，当中，当CPU对主对主存某地址进行访问时，先通过地址映像变换机制判断该存某地址进行访问时，先通过地址映像变换机制判断该地址所在的数据块是否已经在地址所在的数据块是否已经在Cache中，若在则访问中，若在则访问Cache，称为称为“命中命中”，若不在则，若不在则CPU直接访问主存，直接访问主存，并同时将主存中包含该地址的数据块调入并同时将主存中包含该地址的数据块调入Cache中，以中，以备备CPU的进一步访问。的进一步访问。主存地址主存地址地址映象变换地址映象变换Cache主存主存CPU译码译码命
5、中命中未命中未命中主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3、计量单位、计量单位v位：一个位：一个cellcell，记做，记做bitbitv字节：字节：8bit8bit，记做，记做ByteByte，简写简写B Bv1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1PB=1024TB 1TB=1024GB 1PB=1024TB 00001H00000HFFFFFH4、存储器地址空间存储器地址空间 8086地址总线有地址总线有20位，可以位，可以寻址寻址220=1M字节的存储器地址字节的存
6、储器地址空间空间，按照，按照00000HFFFFFH来编址。来编址。编址的单位为字节编址的单位为字节3.1 3.1 存储器概述存储器概述主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：+段寄存器值段寄存器值偏移量偏移量物理地址物理地址IPCSSI、DI、BXDSSP、BPSS代码段代码段数据段数据段堆栈段堆栈段存储单元物理地址的计算存储单元物理地址的计算 物理地址物理地址=段地址段地址+偏移量偏移量8086运行过程中，取指令时，运行过程中，取指令时，CPU就会选择就会选择CS和和IP中内容中内容形成指令所在的形成指令所在的20位物理地位物理地址；进行内存操作是，址；进行内存操作是，CPU会选择
7、会选择DS和和SI、DI或或BX形形成操作数所在的成操作数所在的20位物理地位物理地址。址。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：按存储介质（纪录按存储介质（纪录0 0、1 1信息的物质）信息的物质）分类分类3.1 3.1 存储器概述存储器概述v半导体存储器：用半导体材料制成的存储器，大半导体存储器：用半导体材料制成的存储器，大多用作主存。多用作主存。v磁表面存储器：利用磁层来纪录信息，工作时由磁表面存储器：利用磁层来纪录信息，工作时由磁头在磁层上的移动，来进行读或写操作。常用作磁头在磁层上的移动，来进行读或写操作。常用作辅存，如硬盘、软磁盘、磁带等。辅存，如硬盘、软磁盘、磁带等。注
8、意：注意：磁介质通常要避免粉尘、高温、烟雾的影响。磁介质通常要避免粉尘、高温、烟雾的影响。磁介质的磁性会随着时间的流逝而慢慢降低，最终磁介质的磁性会随着时间的流逝而慢慢降低，最终导致数据丢失。一般，存储在磁介质上的数据可靠导致数据丢失。一般，存储在磁介质上的数据可靠的生命是三年。的生命是三年。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：在存储数据之前，在存储数据之前，磁表面上的颗粒磁表面上的颗粒磁向是随机的磁向是随机的读写磁头磁化磁表读写磁头磁化磁表面的颗粒。颗粒的面的颗粒。颗粒的正极指向磁头负极正极指向磁头负极 读写磁头可以翻转磁表面颗粒的磁向。读写磁头可以翻转磁表面颗粒的磁向。磁表面颗
9、粒的磁向排列记录了数据磁表面颗粒的磁向排列记录了数据主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：v光存储器：光存储器：使用激光在存储介质表面上烧蚀出数使用激光在存储介质表面上烧蚀出数据。烧蚀在介质表面微小的凸凹模式表示了数据。据。烧蚀在介质表面微小的凸凹模式表示了数据。光学介质上的数据可以永久保存。但是，使用光光学介质上的数据可以永久保存。但是，使用光学介质不像使用磁介质那样可以容易地改变它存学介质不像使用磁介质那样可以容易地改变它存储的数据。光驱使用激光从光盘上读数据。储的数据。光驱使用激光从光盘上读数据。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：当烧灼光盘时，激当烧灼光盘时，激光
10、将反射层上刻出光将反射层上刻出凹坑。这些凹坑是凹坑。这些凹坑是黑色的，不能反射黑色的，不能反射激光激光当光驱读取当光驱读取数据的时候，数据的时候，它使用较弱它使用较弱的激光。激的激光。激光射在凹坑光射在凹坑上，没有反上，没有反射光射光当激光射在反射当激光射在反射层上，就会有激层上，就会有激光反射回读头。光反射回读头。黑点和反射点的黑点和反射点的排列模式就可以排列模式就可以表示数据表示数据主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：按存取方式分类：按存取方式分类：3.1 3.1 存储器概述存储器概述双双极型极型RAM静态静态SRAMMOS动态动态DRAMROM掩模掩模ROM电电可擦除可擦除(
11、E2PROM)可编程可编程ROM(PROM)光可擦除光可擦除(EPROM)半导体存储器半导体存储器主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail： RAM随机存储器包含两重含义随机存储器包含两重含义:1.对存储器的访问是随机的，即能以任意的顺对存储器的访问是随机的，即能以任意的顺序访问一存储单元。序访问一存储单元。2.存储器可读可写。存储器可读可写。RAM主要用于主存储器和高速缓冲存储器。主要用于主存储器和高速缓冲存储器。RAM按工艺分为晶体管双极型和按工艺分为晶体管双极型和MOS型（金属型（金属氧化物半导体）。氧化物半导体）。MOS型又可分为静态存储器型又可分为静态存储器（SRAM）和动态存
12、储器（和动态存储器（DRAM）。）。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：MOS型示意图型示意图 （MOSFET金属氧化物半导体场效应晶体管）金属氧化物半导体场效应晶体管）Substrate material基底材料基底材料Current channel电流沟道电流沟道Source 源极源极Drain漏极漏极Gate 门门电极电极Metal-oxide layer 主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：MOS（金属氧化物半导体）（金属氧化物半导体）一种集成一种集成电路技术，在金属门电极和半导体通道之电路技术，在金属门电极和半导体通道之间采用二氧化硅作为绝缘层来制作场效应间采
13、用二氧化硅作为绝缘层来制作场效应晶体管晶体管(FET)。MOSFET:Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor 主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail： ROM只读存贮器只读存贮器 CPU正常操作时，只能读取正常操作时，只能读取ROM中的内容，中的内容，但对它的访问也是随机的。但对它的访问也是随机的。一般一般在在ROM中存放固定的程序和数据，如中存放固定的程序和数据，如计算机系统的引导程序、监控程序、基本输入输计算机系统的引导程序、监控程序、基本输入输出（出（BIOS）程序等，使计算机能够开机运行。程序等，使计算机能够开机运行。
14、计算机系统在加电以后，马上就运行计算机系统在加电以后，马上就运行ROM中的引导程序，将复杂的系统程序从辅存中引入中的引导程序，将复杂的系统程序从辅存中引入主存。主存。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：掩模掩模ROM、PROM、EPROM、E2PROMv掩模掩模ROM是由厂家按用户要求制作的，制成后，只能是由厂家按用户要求制作的，制成后，只能读不能改写；读不能改写；v PROM称为可编程的只读存储器，称为可编程的只读存储器，PROM允许用户允许用户写一次，写完后就无法再改动，应用于高速计算机的微写一次，写完后就无法再改动，应用于高速计算机的微程序存储器；程序存储器；v EPROM称
15、为可擦写的只读存储器，称为可擦写的只读存储器，EPROM允许用允许用户将写入的内容整个擦除掉，擦掉后还可以重写，这样户将写入的内容整个擦除掉，擦掉后还可以重写，这样可以反复多次。最后一次写成后仍是一个只读存储器；可以反复多次。最后一次写成后仍是一个只读存储器；vE2PROM称为可在线擦写只读存储器，它和称为可在线擦写只读存储器，它和RAM的读、的读、写方式完全类似，只是写操作时，需等待写方式完全类似，只是写操作时，需等待E2PROM内部内部操作完成后再写入下一个字节，常用作计算机的操作完成后再写入下一个字节，常用作计算机的BIOS芯片。芯片。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.
16、2 3.2 存储器芯片存储器芯片C P U存储体存储体MB2N个单元个单元地地址址译译码码器器读读写写驱驱动动器器MDR数据数据缓冲缓冲寄存寄存器器MAR地址地址寄存寄存器器时序时序/控制控制N位位地地址址总总线线M位位数数据据总总线线控制信号线控制信号线3.2.1 主存储器的基本组成主存储器的基本组成主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：CPU访问存储器时，通常都通过地址寄存器访问存储器时，通常都通过地址寄存器MAR和存储器缓冲寄存器和存储器缓冲寄存器MBR进行。进行。当当CPU需要从某一存储单元中读取数据时，首需要从某一存储单元中读取数据时，首先将该单元地址送入先将该单元地址送入
17、MAR，并向存储器发读控制并向存储器发读控制信号。存储器此时开始进行读操作，将信号。存储器此时开始进行读操作，将MAR经过经过地址译码器选中的存储单元中的内容经读写驱动地址译码器选中的存储单元中的内容经读写驱动器送入器送入MBR，CPU通过数据总线将数据读入。通过数据总线将数据读入。当当CPU要向某单元中写入信息时，首先将该单要向某单元中写入信息时，首先将该单元的地址送入元的地址送入MAR，要写入的数据送入要写入的数据送入MBR。然后通过控制信号线发出写信号，将然后通过控制信号线发出写信号，将MBR的内容的内容写入由写入由MAR经地址译码器选中的存储单元。经地址译码器选中的存储单元。3.2.2
18、 主存储器的操作过程主存储器的操作过程主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：1、存储容量存储容量 存储器能够存放信息的总数量，以字节为单位。存储器能够存放信息的总数量，以字节为单位。CPUCPU地址总线的位数决定可支持的主存储器的最大容量。地址总线的位数决定可支持的主存储器的最大容量。2 2、存取速度、存取速度 常用存取时间和存储周期表示常用存取时间和存储周期表示.指访问一次存储器所指访问一次存储器所需要的时间。最快存取周期可达需要的时间。最快存取周期可达10ns10ns以下。以下。3 3、价格、价格 性能价格比常以每位价格来描述。性能价格比常以每位价格来描述。3.2.3 主存储器的
19、主要参数指标主存储器的主要参数指标主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：1、地址线地址线(A19A0)用来输入选择存储器中一个存储单元的地址用来输入选择存储器中一个存储单元的地址信号。信号。2 2、数据线、数据线(D7D0)用来存取数据，一个存储单元存放用来存取数据，一个存储单元存放8 8位数据。位数据。3 3、控制线、控制线 ROM:芯片允许芯片允许CE,输出允许输出允许OE.RAM:芯片允许芯片允许CE,输出允许输出允许OE，写允许写允许WR.3.2.4 主存储器与主存储器与CPU总线相关的信号线总线相关的信号线主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.2.5 主存储器
20、芯片的外特性主存储器芯片的外特性主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：操作系统读取文件和删除文件的过程：操作系统读取文件和删除文件的过程：如果你想读取文件，操作系统通过目录找到文件名和包如果你想读取文件，操作系统通过目录找到文件名和包含文件数据的首簇编号。含文件数据的首簇编号。FAT表给出了哪些簇包含了该表给出了哪些簇包含了该文件的数据。操作系统将磁头移动到文件首簇的位置，文件的数据。操作系统将磁头移动到文件首簇的位置，读出数据。读出数据。当你删除一个文件的时候，操作系统改变当你删除一个文件的时候，操作系统改变FAT表中相应表中相应簇的状态。例如，如果文件存储在簇簇的状态。例如，如果
21、文件存储在簇3、4、5和和7中，中，当你删除它的时候，操作系统把这四个簇的状态改变成当你删除它的时候，操作系统把这四个簇的状态改变成“0”。这些簇的数据并没有在物理上清除。这些簇的数据并没有在物理上清除。我们在删除了一个文件后仍然能够通过操作系统的恢复我们在删除了一个文件后仍然能够通过操作系统的恢复工具将文件恢复。只有在你没有写入新的数据时才可以工具将文件恢复。只有在你没有写入新的数据时才可以恢复。一旦发现误删除文件，就要立刻恢复。恢复。一旦发现误删除文件，就要立刻恢复。3.2.6 外存储器知识外存储器知识主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：碎片和碎片整理碎片和碎片整理v 当使用随
22、机存取存储器时，文件变成片断。当使用随机存取存储器时，文件变成片断。每个文件存放在不连续的簇中。每个文件存放在不连续的簇中。v 当驱动器定位含有文件数据的簇比较困难的当驱动器定位含有文件数据的簇比较困难的时候，驱动器的性能也就变得很差。时候，驱动器的性能也就变得很差。v 要获得驱动器的最佳性能，可以使用磁盘碎要获得驱动器的最佳性能，可以使用磁盘碎片整理程序来重新组织文件，使它们连续存放。片整理程序来重新组织文件，使它们连续存放。如下图所示。如下图所示。3.2.6 外存储器知识外存储器知识主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail： 无碎片磁盘无碎片磁盘当磁盘进行碎片整理后，每个文当磁盘进行
23、碎片整理后，每个文件的簇变成连续的。由于磁头和件的簇变成连续的。由于磁头和盘片的移动减到了最小，数据访盘片的移动减到了最小，数据访问的性能提高了问的性能提高了 碎片磁盘碎片磁盘在这个有碎片的盘上，紫色、黄色和在这个有碎片的盘上，紫色、黄色和蓝色文件存放在不连续的簇中。访问蓝色文件存放在不连续的簇中。访问这些文件的簇性能不高，因为它们需这些文件的簇性能不高，因为它们需要更多的移动磁头和磁盘要更多的移动磁头和磁盘 整理磁盘的碎片整理磁盘的碎片主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用应用内容：计算地址范围应用内容：计算地址范围 对一个给定的存储器电路，通过
24、分析找出该存对一个给定的存储器电路，通过分析找出该存储器电路中各个存储芯片在储器电路中各个存储芯片在CPU系统中所处的系统中所处的地址范围。地址范围。例：例：指出图中指出图中2764和和6264的地址范围，并的地址范围，并编程对编程对6264清清0.(如下图所示。如下图所示。)主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用解：解：2764的的CE接接8086/8088 CPU的的A19;2764的的A0A12接接CPU地址总线的地址总线的A0A12;OE=RDVIO/M(或
25、运算或运算)。RD和和IO/M由由CPU提供。提供。2764的的D0D7接数据总线的接数据总线的AD0AD7.8086/8088 CPU 对对2764进行操作，必须满足进行操作，必须满足如下条件：如下条件：(1)OE=0,即即RD和和IO/M 必须同时为必须同时为0，CPU必须必须执行对存储器读操作。执行对存储器读操作。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用(2)CE=0,即即A19=0。(3)A0A12可以为可以为0000H1FFFH。从以上条件可以得出，从以上条件可以得出，2764的地址范围：的地址范围：A19A18A17A16A15A14A1
26、3A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 首单元地址首单元地址 0 X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0尾单元地址尾单元地址 0 X X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1其中其中X可以是低电平，也可以是高电平。可以是低电平，也可以是高电平。由于由于A18A13可以是低电平，也可以是高电平，因此可以是低电平，也可以是高电平，因此2764可以有可以有64种不同的地址。在存储器应用中存储器地址范围不种不同的地址。在存储器应用中存储器地址范围不是唯一的，浪费了存储空间。例如，是唯一的，浪费了存储空间。例如，00
27、000H01FFFH,02000H03FFFH,04000H05FFFH06000H07FFFH都是都是2764的地址范围。的地址范围。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用同同2764一样，一样，CPU的的A19经过非门接经过非门接6264的的CE;OE=RDVIO/M(或运算或运算);WE=WRVIO/M.地址线和数地址线和数据线的连接同据线的连接同2764.WR、RD和和IO/M由由CPU提供。提供。CPU对对6264进行操进行操作必须满足以下条件：作必须满足以下条件：(1)OE=0,即即RD和和IO/M 必须同时为必须同时为0，CPU必须执
28、行对存必须执行对存储器读操作储器读操作;或或WE=0,即即WR和和IO/M 必须同时为必须同时为0，CPU必必须执行对存储器写操作。须执行对存储器写操作。(2)CE=0,即即A19=1。(3)A0A12可以为可以为0000H1FFFH。主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：3.3 3.3 存储器应用存储器应用从以上条件可以得出，从以上条件可以得出，6264的地址范围：的地址范围：A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0 首单元地址首单元地址 1 X X X X X X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0尾单元
29、地址尾单元地址 1 X X X X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1其中其中X可以是低电平，也可以是高电平。可以是低电平，也可以是高电平。由于由于A18A13可以是低电平，也可以是高电平，因此可以是低电平，也可以是高电平，因此6264可以有可以有64种不同的地址。例如，种不同的地址。例如，80000H81FFFH,82000H83FFFH,84000H85FFFH86000H87FFFH都是都是6264的地址范围。的地址范围。假设我们选用假设我们选用6264的地址范围为的地址范围为80000H81FFFH。6264的单元个数为的单元个数为8K，即即1FFFH个。由于个
30、。由于6264地址范围地址范围为为80000H81FFFH，不妨设其段地址为不妨设其段地址为8000H，则则6264主讲：焦明海主讲：焦明海 EmailEmail：首地址的偏移地址为首地址的偏移地址为0000H，尾地址的偏移地址为尾地址的偏移地址为1FFFH。对存储器清对存储器清0编程如下：编程如下：MOV AX,8000H ;6264首首地址的段地址地址的段地址 MOV DS,AX ;把段地址存入数据段寄存器把段地址存入数据段寄存器 MOV CX,1FFFH ;6264的单元个数的单元个数 MOV BX,0000H ;6264首地址的偏移地址首地址的偏移地址 MOV AL,00H ;对对累加器清累加器清0P1:MOV BX,AL ;把把0存储到存储器单元中存储到存储器单元中 INC BX ;存储器指针加存储器指针加1 LOOP P1 ;循环循环1FFFH次次 3.3 3.3 存储器应用存储器应用