第五章 存储器系统

概述 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 存储器扩展接口 辅助存储器 新型存储器技术

5-1-1 存储器的分类

1 、按存储介质分类

半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器

2 、按存储器的读写功能分类

只读存储器（ ROM ）、随机存储器 (RAM ）

3 、按信息的可保存性分类

非永久性记忆的存储器、永久性记忆的存储器

4 、按在微机系统中的作用分类

主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器

5-1-2 存储器的基本性能指标 1 、存储容量

（ 1 ）存储容量 = 存储器单元数 × 每单元二进制位数

（ 2 ）换算关系：

1KB=210B=1024B

1MB=220B=1024KB

1GB=230B=1024MB

1TB=240B=1024GB

2 、存取速度

（ 1 ）存取时间 （ 2 ）存取周期

3 、价格

5-1-3 存储系统的层次结构 1 、存储系统的层次结构

是指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

2 、常用的存储系统的层次结构

主要由高速缓冲存储器 Cache 、主存储器和辅助存储器组成，如图所示

3 、解决 CPU 与主存储器速度差所采取的措施

（ 1 ） CPU 内部设置多个通用寄存器

（ 2 ）采用多存储模块交叉存取

（ 3 ）采用高速缓冲存储器（ Cache ）

CPU

高速缓存

主存储器

I/O控制电路

高速缓存

辅存 磁盘 光盘 磁带

存储系统的多级层次结构

5-2-1 静态 RAM （ SRAM ） 1 、基本存储电路

选择线Vcc

T1 T2

T3 T4T5 T6A B

I / O I / O

六管静态 RAM 存储电路

2 、静态 RAM 的结构

典型的静态 RAM 芯片有 6116 （ 2KB×8 位）、 6264（ 8KB×8 位）、 62256 （ 32KB×8 位）、 628128 （ 128KB×8

位）等 5-2-2 动态 RAM （ DRAM ） 1 、动态 RAM 存储电路

刷新放大器

/数据输入 输入线

C

行选择信号

列选择信号

T

单管动态存储电路

2 、动态 RAM 的刷新 为保持电容中的电荷不丢失，必须对动态 RAM 不断进行读出和再写入 3 、动态 RAM 举例

128×128 存储矩阵

128读出放大器1/ 2 (1/ 128

)列译码器

128×128 存储矩阵

1/ 128行译码器

1/ 128行译码器

128×128 存储矩阵

128读出放大器

1/ 2(1/ 128)列译码器

128读出放大器128×128存储结构

128读出放大器

1/ 4I / O门

行时钟缓冲器

列时钟缓冲器

数据输入缓冲区

DI N

DOUT

VDD

VSS

输出缓冲器

写允许 时 钟缓冲器

8位地址锁存器

WE

CAS

RAS

A0

A4A5A6A7

A3A2A1

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。只要一接通电源，这些程序就能自动地运行。

5-3-1 掩膜只读存储器—— ROM

地址译码器

A1

A0

VCC

0单元

3单元

2单元

1单元

D3 D0D1D2

掩膜 R O M 示意图

5-3-2 可编程只读存储器— PROM

字选线

VCC

熔丝

位线

熔丝式 PROM 存储电路

5-3-3 光可擦除可编程只读存储器— EPROM

行线

位线

位线输出

VCC

D

S

浮栅管P+ + + + P+

N衬底

(a) (b)

S Si O2 浮栅

5-4-1 存储器容量的形成与寻址 1 、存储器容量的形成

（ 1 ）用 2114 组成 1K×8 位 RAM

数据总线

来自译码A9 A～ 0地址总线

CS2114

1K× 4 I / O

CS2114

1K× 4 I / O

D0

D7

用 2114组成 1K× 8位 RAM

（ 2 ）用 2114 组成 2K×8 位 RAM

CS2114

1K× 4 I / O

CS2114

1K× 4 I / O

D0

D7

CS2114

1K× 4 I / O

CS2114

1K× 4 I / O

数据总线

11（组 ） 2（组 ）A10

A9 ～ A0

地址总线

A10

2 、存储器的寻址

线选法 、全译码片选法、局部译码片选法

5-4-2 微处理器与存储器的连接 1 、连接时应注意的问题

（ 1 ） CPU 总线的带负载能力

（ 2 ）存储器与 CPU 之间的速度匹配

（ 3 ）存储器组织、地址分配和译码

2 、典型 CPU 与存储器的连接

（ 1 ） 8086CPU 与只读存储器的连接

（ 2 ） 8086CPU 与静态 RAM （ SRAM ）的连接

（ 3 ） 8086CPU 与动态 RAM （ DRAM ）的连接

5-5-1 软盘存储器及其接口 1 、概述

2 、主要技术指标

（ 1 ）磁道、道密度、位密度

（ 2 ）扇区

（ 3 ）存储容量

3 、软盘驱动器

（ 1 ）软盘驱动机构

主要由盘片定位机构 、软盘驱动装置 、控制磁头寻道定位部件 、状态检测部件等组成

（ 2 ）读写控制电路

主要由读出放大电路 、写电路 、抹电路 组成

4 、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。具体操作包括以下几项： （ 1 ）寻道操作 （ 2 ）地址检测 （ 3 ）读数据 （ 4 ）写数据 （ 5 ）初始化

5-5-2 硬盘存储器及其接口

1 、硬盘分类

（ 1 ）固定磁头磁盘机

（ 2 ）活动磁头固定盘片磁盘机

（ 3 ）活动磁头可换盘片磁盘机

2 、温彻斯特技术

其特点是：（ 1 ）密封的头—盘组合体（ HAD 组合件）

（ 2 ）轻浮力的接触 /浮动式磁头

（ 3 ）盘片表面有润滑剂

3 、硬盘驱动器

其基本结构由主轴系统、数据转换系统、磁头驱动和定位系统、空气净化系统和接口电路等五部分组成。

4 、硬盘控制器

硬盘控制器主要是由 I/O 接口电路 、智能控制器、状态和控制器 、读 / 写控制电路 等组成，如下图所示

I / O接口电路

状态和控制电路

智能控制器读数据电路

写数据电路

AB

CB

DB

主机

温度

5 、硬盘驱动器接口

（ 1 ） IDE 接口 ：最大特点是把控制器集成到驱动器内

（ 2 ） EIDE 接口 ：最大特点是允许更大存储容量、允许连接更多的外设 、支持多种外设 、具有更高的数据传输速率

（ 3 ） SCSI 接口：最大特点是可提供大量、快速的数据传输，支持更多数量和更多类型的外围设备

5-5-3 光盘存储器及其接口 1 、概述 光盘指的是利用激光极细、能量集中的特点，以光学方式进行读写信息的圆盘。 2 、光盘存储器的种类 只读型光盘（ CD—ROM ）、只写一次型光盘（ WORM ）、可擦写型光盘 、 DVD

3 、光盘驱动器 （ 1 ）读写原理 光盘存储器是利用激光束在记录表面上存储信息的。光盘的读写原理有形变、相变和 MO 存储等 （ 2 ）基本组成 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

伺 服 电 路

脉冲磁场

探测器

装盘/退盘控制

步进电机 主轴电机

光盘片

光学头

光信号检出控制 接口控制

微处理器

ESDI数据

ESDI

命令/状态

常用新型的存储器有多体交叉存储器、闪速存储器、高速缓冲存储器（ Cache ）、虚拟存储器等，以解决 CPU 与主存之间的速度匹配和存储容量问题。

5-6-1 多体交叉存储器 多体交叉存储器是从改进主存的结构和工作方式入手，设法提高其吞吐率，使主存速度与 CPU 速度相匹配，其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。

5-6-2 闪速存储器 闪速存储器是在 EPROM 和 E2PROM 的制造技术基础上发展产生的一种半导体存储器，具有价格便宜、集成度高、电可擦除性、可重写性、非易失性等优点。

5-6-3 高速缓冲存储器（ Cache ） 高速缓冲存储器可以提高 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。 5-6-4 虚拟存储器

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