第五章存儲器5.1現代高檔微機系統的存儲器體系結構5.2半導體存儲器概述5.3內存儲器的構成原理5.4PC系列微機的內存儲器組織5.5常用外存儲器（設備）5.1現代高檔微機系統的存儲器體系結構5.1.1分級存儲器結構5.1.2虛擬存儲器結構5.1現代高檔微機系統的存儲器體系結構5.1.1分級存儲器結構分級存儲器結構示意圖CPU內部寄存器高速緩沖存儲器(Cache)內存儲器外存儲器容量增速度、位價格減高速緩存的引入，把慢速的內存當高速內存來使用。

虛擬存儲器技術是在內存與外存之間引入相應的硬件和軟件，把大容量的外存當大容量的內存來使用。1CPU內部寄存器第一級存儲器，由高速邏輯電路構成，速度最高的一級，讀寫通常只需一個時鐘周期。數量較少，十幾個到幾十個。2高速緩沖存儲器（Cache）第二級存儲器，由存取速度較高(存取時間小于20ns)的SRAM存儲芯片構成。早期Cache只有幾百至幾千字節，目前已達兆字節。3內存儲器第三級存儲器，由存取速度較慢（存取時間60ns~100ns）的DRAM存儲芯片構成。內存容量一般在幾百兆字節以上，甚至幾個到幾十個吉字節。4外存儲器第四級存儲器，由磁帶、軟盤、硬盤、光盤及其驅動器等組成。存取速度比內存慢很多，但容量大，達幾百到幾千吉字節。5.1.2虛擬存儲器結構虛擬存儲器技術是在內存與外存之間引入相應的硬件（存儲管理部件）和軟件(操作系統)，把大容量的外存當大容量的內存來使用。存儲管理部件的作用是將虛地址轉換為物理地址。操作系統負責將程序或數據由外存調入內存（同時，可能將一部分程序或數據由內存調入外存。）

5.2半導體存儲器概述5.2.1半導體存儲器的分類5.2.2半導體存儲器的基本結構5.2.3存儲器芯片的外部接口特性5.2.4存儲器的性能指標5-105-115.2.1半導體存儲器的分類?ROM的類型?RAM的類型掩模ROMPROM

EPROM

E2PROMFlashROMSRAM

DRAMIRAMNVRAM半導體存儲器從功能和應用角度主要有兩大類:FlashMemory的特點:5.2.1半導體存儲器的分類兼具有EEPROM、SRAM和DRAM的優點：■速度高、密度大；非易失；■內含命令、狀態寄存器，可在線編程；■可整片/按扇區/按頁面/按字節擦寫；■有數據保護、保密能力。FlashMemory應用：■主板、顯卡BIOS■移動存儲器■MP3播放器■數碼相機、攝像機存儲卡

■嵌入式、便攜式系統電子盤5.2.2半導體存儲器的基本結構基本存儲電路按照規則排列成的存儲陣列譯碼方式：單譯碼和雙譯碼存儲信息流動的通道控制整個芯片是否被選通和控制存儲信息流動的方向單譯碼雙譯碼1.各類存儲器芯片的通用引腳從與CPU接口的特性看，各類存儲器芯片除電源線和地線外，一般都有以下四類外部引腳信號線：用于選擇存儲器存儲單元用于向存儲器芯片寫入或從存儲器芯片讀出數據用于選擇存儲器芯片用于控制存儲器芯片中數據的讀出或寫入存儲器芯片的通用引腳A0A1AnD0D1Dm地址線

OEWE數據線讀允許片選寫允許

CS5.2.3存儲器芯片的外部接口特性5.2.4存儲器的性能指標1．存儲容量

存儲器所能容納二進制信息的總量，基本單位為字節（B）。常用單位有KB、MB、GB、TB。2．存取速度以存取時間來衡量，通常用ns表示。存取時間指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間。3．可靠性4．功耗5.3內存儲器系統構成原理

如何用多個存儲器芯片構成存儲器系統并使之與CPU總線正確接口？5.3.1存儲體結構的確定5.3.2存儲器芯片的選配5.3.3存儲器接口的設計采用單存儲體結構還是多存儲體結構在微機系統中，為能支持多種數據寬度操作，存儲器一般都按字節編址，以字節為單位構成。所以：對8位微機，用單體結構對16位微機，用雙體結構對32位微機，用4體結構……5.3.1存儲器結構的確定1.雙體存儲器結構示例（80286存儲器）A0~A23BHE80286D0~D15地址鎖存器A1~A23A0BHE地址總線D0~D7D8~D15數據總線偶數存儲體奇數存儲體FFFFFEFFFFFC

000002000000000003000001

FFFFFDFFFFFF5.3.1存儲器結構的確定2.8體存儲器結構示例（Pentium存儲器）PentiumA3~A31D0~D63地址鎖存器存儲體0存儲體1存儲體2存儲體7數據收/發驅動器A3~A31D0~D7D16~D23D56~D63D8~D15D0~D63BE7BE2BE1BE05.3.1存儲器結構的確定5.3.2存儲器芯片的選配存儲器芯片的選用原則存儲器芯片的組配1.存儲器芯片的選用原則5.3.2存儲器芯片的選配1.ROM與RAM的選用3.ROM類型的選用4.芯片型號的選用掩模ROMPROMEPROM

E2PROMFlashROM4個層面2.RAM類型的選用SRAMDRAM內存條2存儲器芯片的組配位擴展字擴展字位擴展單片存儲器芯片的容量有限或數據寬度不足，不符合實際存儲系統的要求，需要用多片組配在一起，以滿足存儲系統容量和數據寬度的要求。存儲器芯片的選配包括芯片的選擇和組配兩方面。其中，存儲器芯片的組配又包括：5.3.2存儲器芯片的選配芯片不足8位，通過位擴展，滿足（8位）字長要求。例如，用1K×1位芯片組成1KB存儲器的位擴展設計如下：地址總線A0A91K×1位76543210DDDD7D6D5DDDD4D3D2D1D0DDA0A9CSWE數據總線?

地址、片選、讀/寫控制線并連?

數據線分連等效的1K×8位芯片位擴展字擴展字位擴展

例5.1用1K×4b的SRAM芯片Intel2114組成1KB的存儲器。解：1KB的存儲器其容量為1K，字長為8位。而1片Intel2114的容量為1K,容量滿足要求，但數據寬度只有4位，需進行位擴展。用2片即可組成8位存儲器，且容量恰好為1K。示意圖：地址范圍確定：綜合考慮片內地址線（A9~A0

）和片選線A10以及其他高位地址線（假設全0）位擴展字擴展字位擴展5.3.2存儲器芯片的選配

芯片為8位，但容量不足，通過字擴展，滿足字數（地址單元數）要求。例如，用1K×8位的芯片（或芯片組）構成的4KB存儲器的字擴展設計如下：字擴展方法：

?

地址線、數據線、讀/寫等控制線并連

?

片選線分連CSY0Y1Y2Y3譯碼器

WED0～7810A0～9A10A114K×8位芯片D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(3#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(2#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(1#)D0～7WE

A0～9

CS

1K×8位(0#)位擴展字擴展字位擴展5.3.2存儲器芯片的選配

當存儲芯片的字長和存儲單元數均不能滿足存儲器系統的要求時，就需要進行字位全擴展。包括兩方面設計：

位擴展設計

字擴展設計例5.3用1K×4b的RAM芯片2114設計容量為2KB的8位單體存儲器。實際上就是要解決存儲器同CPU三大總線的正確連接與時序匹配問題。而重點又是在地址分配的基礎上實現地址譯碼。1.存儲器片選控制方法2.存儲器接口設計舉例5.3.3存儲器接口設計?線選法?局部

譯碼法?全局

譯碼法低位地址線直接接片內地址，將余下的高位地址線分別作為芯片的片選信號。1.存儲器片選控制方法A0～A10

2KB(0)11A0～A10A11A0～A10

2KB(1)A0～A10

2KB(3)A0～A10

2KB(2)A12A13A14CSCSCSCSA15用于片選的地址線(A14～A11)在每次尋址時只能有一位有效，不允許同時有多位有效，因此，存儲空間的利用率低。5.3.3存儲器接口設計

存儲空間利用率的舉例說明假設有2片存儲芯片，片內地址線有3位A2A1A0，用A3選第1片，A4選第2片。有效和無效地址如下：譯碼器A0～A10

2KB(0)11A0～A10A0～A10

2KB(1)A0～A10

2KB(7)A11～A15中任三根CSCSCS部分高端地址線未參與譯碼，也存在地址重疊和地址不連續問題，一般在線選法不夠用，而又不需要全部地址空間時使用，以簡化譯碼電路。對余下高位地址總線中的一部分進行譯碼，譯碼輸出作為各存儲器芯片的片選控制信號。?線選法?局部

譯碼法?全局

譯碼法1.存儲器片選控制方法5.3.3存儲器接口設計關于地址重疊和地址不連續問題有效地址見下表（A13A12

A11譯碼后作片選）

假設還有兩位高位地址線A15A14，則0000H、4000H、8000H、C000H都能訪問1#芯片的0號單元，這是地址重疊。如果用A15A13

A11譯碼后片選，則存在地址不連續的問題，空間利用率就下降。

與前兩種譯碼方法相比，存儲空間利用率最高且譯出的地址連續，不存在地址重疊問題，但譯碼電路最復雜。對余下高位地址總線全部譯碼，譯碼輸出作為各存儲器芯片的片選控制信號。?線選法?局部

譯碼法?全局

譯碼法無論是局部譯碼還是全譯碼，譯碼方案既可采用門電路譯碼、譯碼器芯片譯碼，還可采用PROM芯片譯碼等。1.存儲器片選控制方法5.3.3存儲器接口設計譯碼器A0～A12

8KB(0)13A0～A12A0～A12

8KB(1)A0～A12

8KB(3)A13～A15CSCSCSY0Y1Y3Y4～Y7存儲器接口設計舉例例5.1試用2732EPROM芯片為某8位微機系統(地址總線寬度為20位)構建一個32KB的程序存儲器，要求存儲器地址范圍為F8000H至FFFFFH。分析：2732為4K×8位的EPROM芯片。此例不必進行位擴展，但要進行字擴展,即用8片2732芯片將存儲器字數擴展到32K個。

∴關鍵是在地址分配的基礎上確定譯碼方案習題舉例解：（1）根據要求列出存儲器地址分配表容量分配芯片地址范圍容量分配芯片地址范圍4KB2732-1F8000～F8FFFH4KB2732-5FC000～FCFFFH4KB2732-2F9000～F9FFFH4KB2732-6FD000～FDFFFH4KB2732-3FA000～FAFFFH4KB2732-7FE000～FEFFFH4KB2732-4FB000～FBFFFH4KB2732-8FF000～FFFFFH外譯碼(選片)譯碼允許譯碼輸入內譯碼(選單元)A19A18A17A16A15A14A13A12ROM(1)ROM(2)ROM(3)ROM(4)000～FFFA11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ROM(5)ROM(6)ROM(7)ROM(8)000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF000～FFF(全0到全1)0000010100111001011101111111111111111111111111111111111111111111（2）根據要求列出存儲器地址分配表(3)確定譯碼電路片選譯碼電路1A12A13A14A15A16A17A18A191KΩ+5VCBG2AG1AY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7F8000～F8FFFHF8000～F8FFFHFA000～FAFFFHFB000～FBFFFHFC000～FCFFFHFD000～FDFFFHFE000～FEFFFHFF000～FFFFFH74LS138&G2BIO/M(4)存儲器電路1A12A13A14A16A15WAITIO/MA17A18A191kΩY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ABCG2AG2BG174LS138+5VA0～A11273232K×8bitD0～D7CSCSOECSRDCSCSCSCSCS&

解：該例SRAM芯片字長不足8位,需用2個芯片為一組進行位擴展后，再進行字擴展。芯片組位分配地址范圍A19A18A17A16A15A14A13

A12

～A00#、2#10010000000～1FFFH90000～91FFFH1#、3#10010010000～1FFFH92000～93FFFH

例5.2試用8K×4位的SRAM芯片為某8088微機系統構成一個16KB的RAM存儲器，RAM的起始地址為90000H。(1)列出各芯片組的地址范圍和存儲器地址位分配（2）用門電路譯碼來產生2個芯片組的片選信號。字位擴展設計如下：

用8K×4位芯片構成的16KB存儲器

A0～A12CS

D0～D3WE8K×4位(1#)

A0～A12CS

D0～D3WE8K×4位(2#)

A0～A12

CS

D0～D3WE8K×4位(0#)&WRD4～D7413A0～A12A19A18A17A16A15A14

A0～A12CS

D0～D3WE

8K×4位(3#)D0～D34≥1≥1A13M/IO

例5.3試用16K×8位的SRAM芯片為某8086微機系統設計一個256KB的RAM存儲器系統，RAM的起始地址為00000H。偶數存儲體

奇數存儲體芯片A19A18A17A16A15A14～

A1A0芯片A19A18A17A16A15A14～

A1A00000000000～FFFFH00000000000～FFFFH11000010000～FFFFH01000010000～FFFFH12000100000～FFFFH02000100000～FFFFFFFFH03000110000～FFFFFFFFH04001000000～FFFFFFFFH05001010000～FFFFH16001100000～FFFFH06001100000～FFFFFFFFH07001110000～FFFFH1解：此例要采用雙體結構(8086的外部數據總線為16位)。這時，兩個存儲體中各存儲芯片的地址位分配如下表所示。譯碼方案選擇：※獨立的地址譯碼※統一的地址譯碼各存儲體使用相同的讀/寫控制信號，而用字節選擇信號（A0和BHE）作譯碼器的使能控制信號。用字節選擇信號（A0和BHE）與CPU的讀/寫信號組合產生各存儲體的讀/寫信號。奇數存儲體CSD0～D7D8～D15A1～A14A18A19A15A16A17M/IOBHE

BLE（A0）A0～A13A0～A1316K×816K×8偶數存儲體128K×8128K×8RD8814D0～D7D0～D7CSCSCSCSCSCSCSWEOEWEOECSWRG2AG2BG2AG2BY0Y7Y0Y7≥1ABCG1ABCG1用16K×8位的SRAM芯片實現的8086存儲器獨立的地址譯碼方案5.4

PC系列微機的內存儲器組織5.4.1內存以模組形式構建5.4.2主流內存條標準5.4.1內存以模組形式構建

早期：以內存芯片為單元焊接在主板上。現在：內存儲器大多是以“DRAM芯片→存儲條→物理Bank→內存儲器”的模組形式構建的。即：（1）用若干片DRAM芯片構成一塊包含或不包含奇偶校驗功能的8位/32位/64位存儲條；容量從256KB到2GB不等。（2）用2塊/4塊/8塊存儲條構成一個16位/32位/64位的Bank；（3）用奇數個/偶數個/4的整數倍個/8的整數倍個Bank構成CPU具有16位/32位/64位數據總線的微機系統的內存儲器。內存條5.4.2主流內存條標準

1．SDRAM內存條標準2.DDR內存條標準3．DDR2內存條標準4．RDRAM內存條標準1．SDRAM內存條標準

標注格式：PCa-bcd-efgh和PCa-bcd-eeffgh標注符號符號含義典型數據舉例a表示標準工作頻率，用MHZ表示如66MHZ、100MHZ、133MHZ等b表示最小的CL(即CAS縱列存取等待時間)用時鐘周期數表示，一般為2或3；c表示最少的

Trcd(RAS相對CAS的延時)用時鐘周期數表示，一般為2；d表示TRP(RAS的預充電時間)用時鐘周期數表示，一般為2；e/ee表示最大的tAC(相對于時鐘下沿的數據讀取時間)表達時不帶小數點，如54代表5.4nsf/ff表示SPD版本號，

如12代表SPD版本為1.2；g代表修訂版本；如2代表修訂版本為1.2；h代表模塊類型；R代表DIMM已注冊，PC100SDRAM內存條標注格式說明舉例標注為PC100-322-622R的內存條，表示該內存條遵循PC66/100SDRAM內存標注格式的版本為1.0-1.2版，a=100表示該內存的標準工作頻率為100MHzb=3表示縱列存取等待時間3個時鐘周期c=2表示RAS相對CAS的延時為2個時鐘周期d=2表示RAS的預充電時間為2個時鐘周期e=6表示相對于時鐘下沿的數據讀取時間TAC=6nsf=2表示SPD版本號為2.0g=2表示修訂版本為1.2h=R代表DIMM已注冊。2.DDR內存條標準標注符號符號含義典型數據舉例a表示內存帶寬（單位為MB/s）如2100代表內存帶寬為2100MB/s，對應的標準工作頻率為2100/16=133MHzb表示模塊類型R代表DIMM已注冊，U代表DIMM不含緩沖區cc表示最小的列存取等待時間CL用時鐘周期數表示，表達時不帶小數點,如25代表CL=2.5d表示RAS相對CAS的最小延時Trcd用時鐘周期數表示e表示RAS的預充電時間TRP用時鐘周期數表示ff表示最大的相對于時鐘下沿的數據讀取時間tAC

表達時不帶小數點，如75代表tAC=7.5nsg表示SPD版本號

如0代表SPD版本為1.0標注格式：PCab-ccde-ffg3．DDR2內存條標準

內存條標準名DDR2核心頻率總線頻率等效傳輸頻率數據傳輸率PC23200100MHz200MHz400MHz3200MB/sPC24300133MHz266MHz533MHz4300MB/sPC25300166MHz333MHz667MHz5300MB/sPC26400200MHz400MHz800MHz6400MB/s標注格式：PCab-ccde-ffg4．RDRAM內存條標準標注符號符號含義典型數據舉例a表示內存容量如256MB、512MB等b表示內存條上的內存顆粒數量如8、16等c表示內存是否支持ECC如ECC，表示內存支持ECCd保留e表示內存的數據傳輸率，e*1/2=內存的標準工作頻率如800代表內存的數據傳輸率為800MB/s，對應的標準工作頻率為800*1/2=400MHZ標注格式：aMB/bcdPCe5.5外存儲器外存儲器是指需要通過設備接口與微機相連的存儲器，也稱輔存。主要用作微機系統的后備存儲器，用以存放計算機工作所需要的系統文件、應用程序、用戶程序、文檔和數據等，也用作虛擬存儲器的硬件支持。5.5.1硬盤5.5.2光盤5.5.3U盤磁盤存儲器的記錄原理硬盤存儲器的組成原理硬盤上的信息組織硬盤是微機系統中最主要的外存儲器，主要用作大容量的后備存儲器和虛擬存儲器的硬件支持。5.5.1硬盤

1.磁盤存儲器的記錄原理5.5.1硬盤

磁表面存儲器記錄信息原理圖磁記錄介質載磁體讀電路寫電路寫數據讀數據寫線圈I讀線圈鐵芯磁化間隙磁頭磁盤運動方向完成“電-磁”轉換完成“磁-電”轉換2.硬盤存儲器的組成原理5.5.1硬盤

主抽組件磁盤片傳動抽傳動手臂讀寫磁頭前置控制電路主機硬盤控制器硬盤驅動器盤片硬盤存儲器的基本結構硬盤機硬盤存儲器由硬盤驅動器、硬盤控制器和盤片幾大部分組成:溫徹斯特磁盤是主機與硬盤驅動器之間的接口。3.硬盤上的信息組織0道n道扇區m扇區2扇區1磁盤的磁道和扇區格式示意圖不同記錄面上的同一磁道被叫做一個柱面扇區的一個磁道通常是磁盤進行讀寫的最小信息單位磁盤片是磁存儲器的信息記錄載體，它的上下兩面都可用于記錄信息。硬盤一般采用多片結構的磁盤組。硬盤的有關概念及圖解硬盤由多片磁盤片組成。一個磁盤片有上下兩個記錄面（磁面），都可用于記錄信息。一個記錄面需要一個磁頭讀寫信息，硬盤的磁頭數=硬盤的記錄面數=2*磁盤片數。一個記錄面有多個同心圓，每個同心圓為一個磁道。磁道有編號，最外一個同心圓叫0磁道，最里面一個同心圓叫n磁道。不同記錄面上編號相同的磁道構成一個柱面，柱面有編號，同磁道編號。每個磁道（同心圓）等分為若干固定大小的弧段，叫扇區。扇區的編號從0磁道開始，起始扇區為1扇區，其后為2扇區、3扇區……，0磁道的扇區編號結束后，1磁道的起始扇區累計編號，直到最后一個磁道的最后一個扇區（n扇區）。