课件：原理与接口技术第5章.ppt

半导体存储器的组成框图如图5.3所示。它一般由存储体、地址选择电路、输入输出 电路和控制电路组成。 存储体是存储1或0信息的电路实体，它由多个存储单元组成，每个存储单元赋予一个 编号，称为地址单元号。 每个存储单元由若干相同的位组成，每个位需要一个存储元件。 地址线数与存储单元数的关系列于表5.1中。 地址选择电路包括地址码缓冲器，地址译码器等。 地址译码器用来对地址码译码。 地址译码方式有两种：单译码方式（或称字结构）；双译码方式（或称重合译码）。 读写电路包括读写放大器、数据缓冲器（三态双向缓冲器）等。它是数据信息输 入和输出的通道。 外界对存储器的控制信号有读信号、写信号和片选信号等，通过控制电路以控制存储 器的读或写操作以及片选。只有片选信号处于有效状态，存储器才能与外界交换信息 。 静态RAM的结构一般由存储体、译码电路和控制电路组成。一个RAM芯片的存储容量是 有限的，需用若干片才能构成一个实用的存储器。这样，地址不同的存储单元，可能 处于不同的芯片中。一般，片选信号由地址码的高位译码（通过译码器输出端）产生 。 1）读出过程 （1） 地址码 RAM芯片的地址输入端 X与Y地址译码器译码，产生行选与列选信 号，选中某一存储单元，该单元中存储的代码，将出现在I/O电路的输入端。I/O电路 对读出的信号进行放大、整形，送至输出缓冲寄存器。 缓冲寄存器一般具有三态控制功能，没有开门控制信号，所存数据还不能送到数据总 线DB上。 （2） 在送上地址码的同时，还要送上读写控制信号和片选信号。 2）写入过程 （1）同上述读出过程（1），先选中相应的存储单元，使其可以进行写操作。 （2）将要写入的数据放在DB上。 （3）加上片选信号及写入信号。这两个有效控制信号打开三态门使DB上的数据进入 输入电路，送到存储单元的位线上，从而写入该存储单元。 常用的Intel 6116是CMOS静态RAM芯片，属双列直插式、24引脚封装。它的存储容量 为2K8位，其引脚及内部结构框图如图5.7所示。 2732 EPROM芯片的容量为4K8位，采用HNMOS-E（高速NMOS硅栅）工艺制造和双列直 插式封装。 当扩充存储容量时，采用地址串联的方法。 用4片16K8位的存储器芯片（或是经过位扩充的芯片组）组成64K8位存储器连接 线路示意图。 8086 CPU组成的单处理器系统的典型结构。 1）32位存储体 硬盘内部的主要组成部件有记录数据的磁头、刚性磁片、马达及定位系统、电子线路 、接口等。 1）硬盘的磁头 硬盘磁头的发展先后经历了“亚铁盐类磁头”、“MIG（Metal In GAP）磁头”和“ 薄膜磁头”、MR磁头（Magneto Resistive Heads，即磁阻磁头）等几个阶段。此外 ，技术更为创新的是采用多层结构，用磁阻效应更好的材料制作的GMR磁头（Giant MagnetoResistive Heads）已经在2000年问世。 2）硬盘的磁盘 硬盘内部是由金属磁盘组成的，分为单碟、双碟与多碟。 3）硬盘的马达 硬盘在工作时，通过马达的转动将用户需要存取的数据所在的扇区带到磁头下方，马 达的转速越快，等待存取记录的时间也就越短。 按接口类型，可将硬盘分为IDE硬盘、SATA硬盘和SCSI硬盘。 1）IDE硬盘 IDE硬盘曾广泛使用。通过专用的数据线（40芯IDE排线）与主板的IDE接口相连。 2）SATA硬盘 SATA（Serial ATA）接口的硬盘又叫串口硬盘，是主流的硬盘接口。在传输方式上， SATA比PATA先进，提高了数据传输的可靠性，还具有结构简单、支持热插拔的优点。 3）SCSI硬盘 SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口）接口是一种广泛 应用于小型机上的高速数据传输技术。SCSI硬盘通过SCSI扩展卡与计算机连接。 1）刻录数度 （1）CD刻录速度 CD刻录速度是指该光储产品所支持的最大的CD-R刻录倍速。主流内置式CD-RW产品能 达到52倍速的刻录速度；外置式的CD-RW刻录机有48倍速和52倍速等。 （2）DVD刻录速度 DVD刻录速度和刻录品质是购买DVD刻录机的首要因素，购买时，尽可能选择高倍速且 刻录品质较好的DVD刻录机。 2）读取速度 （1）CD读取速度，是指光存储产品在读取CD-ROM光盘时，所能达到最大光驱倍速。 （2）DVD读取速度，是指光存储产品在读取DVD-ROM光盘时，所能达到最大光驱倍速 。DVD-ROM驱动器的DVD读取速度是16倍速以上。 3）复写速度，CD/DVD复写速度是指刻录机在刻录可复写的CD-RW或DVD-RW光盘时，对 其进行数据擦除并刻录新数据的最大刻录速度。 1）DVD-R与DVD+R DVD-R与DVD+R是市面上较多的两种DVD刻录盘。“R”是Recordable（可记录）的意思 。 DVD-R是“先锋”主导研发的一种一次性DVD刻录规格（1997年面世）。第一张DVD+R诞 生于2002年，容量也是4.7GB。从物理结构上DVD+R更优秀一些。 2）DVD+RW “RW”是Re-Writable（可覆写）的缩写，它可实现光盘的重复写入/删除数据。 3）DVD+R DL与DVD-R DL DVD+R DL(Dual Layer）有两个数据层，容量是8.5GB。常见DVD的格式有4种：DVD-5（单 面单层）、DVD-9（单面双层）、DVD-10（双面单层）以及DVD-18（双面双层）。 4）DVD-RAM 与DVD+RW类似，也是一种可覆写光盘。DVD-RAM从诞生以来一直应用于光盘录像机等数码 产品上，2005年才开始投入PC市场。 存储器的分级结构是指微机的存储器系统由寄存器、cache、主存储器、磁盘与光盘等 多个层次组成。 微机中都采用了分层结构的存储系统， 在CPU内部除了寄存器组以外，还集成 了高速缓存（cache），并配以较大容 量的主存储器以及大容量的硬盘存储 器和光盘存储器。 1)地址流水线及其转换 地址流水线是指CPU在形成物理地址的过程中，能够通过片内存储器管理单元（MMU） 实现多路重叠的地址转换操作。 逻辑地址（或虚拟地址）是指程序员可以看到和使用的编程地址。在80386中，逻辑 地址由16位选择字（也称为选择器、选择符或选择子等）和32位偏移地址指出。 选择字用于选择一个对应的8字节的描述符，描述符中包含有段基地址、偏移地址和 保护信息。 在指令中，偏移地址可能是由基址、变址、位移量等多个因素构成，通常，将最后计 算出的一个真正的偏移地址（简称为偏移量）称为有效地址，程序员在编程时只需要 关注有效地址。 80386的每个任务最多可拥有16384个段，而每段可长达4GB，所以，一个任务的逻辑 地址空间可达64TB。 分段部件的功能是将包含选择字和偏移地址的逻辑地址转换为32位线性地址，这种转 换是通过段描述符表来实现的。段描述符表中的每一项即为段描述符，段描述符为64 位，包含对应逻辑空间的线性基地址、界限、特权级、存取权（只读或读写）等地 址空间的信息。线性地址空间的寻址范围也是由32位决定的。当80386运行程序时， 由于指令中的偏移地址可能由立即数和另外1、2个寄存器给出的值构成，所以，分段 部件将首先把各地址分量送到一个加法器中去运算，以形成一个有效地址，然后，再 经过另一个加法器将其与段基地址相加，于是便得到线性地址；同时，还要通过一个 32位的减法器对段的界限值进行比较，检查是否越界。 分页部件的功能是将线性地址转换为物理地址，如果分页部件处于禁止状态，即在段 内不分页，则线性地址就是物理地址。物理地址是内存芯片可以实际寻址的地址，它 的具体地址单元号和芯片引脚上的地址信号相对应，指出存储单元在存储体中的具体 位置。 当分段部件获得线性地址后就把它送到分页部件，由分页部件将线性地址转换为物理 地址，并且负责向总线接口部件请求总线服务。 80386CPU支持两种类型的保护：一类是不同任务之间的保护，即通过给每一任务分配 不同的虚拟地址空间,使每一任务有各自不同的虚拟物理地址转换映射,因而可实现 任务之间的完全隔离；另一类是同一任务内的保护，即在一个任务之内定义4种（03 ）执行特权的级别，0级最高，在最里层，依次为1、2、3级，3级在最外层。 特权级1的代码可访问特权 级2、3的代码，而不能访问 特权级0的代码。 分段管理可以实现虚拟存储。 每个段由3个参数确定： 段基地址（Base Address），规定了线性地址空间中段的起始地址。也可以把基地 址看成是段内偏移量为0的线性地址。 段的界限（Limit），表示在虚拟地址中，段内可使用的最大偏移量。 段的属性（Attributes），包括该段是否可读出、写入以及段的特权级等。 80386利用段式管理实现从逻辑地址到线性地址的转换示意图 存储器的分段虽然带来了隔离与保护等优点，但仅有分段还是有一些局限性的。比如 ，段空间大小是可以任意设定的，若分段过大，则在转载程序和数据时，容易产生较 大空间的内存碎片，造成浪费，也不便管理和回收；若分段过小，则在处理较大的程 序和数据时，需要多次调入与调出，因为分段存储管理是以段为单位来调入与调出的 。又比如，由于程序的局限性原理，系统不可能同时访问段中所有的指令和数据，这 样，当它们在以段为单位调入与调出内存时，不可避免地也会造成存取操作在时间和 空间上的浪费。由此看来，还需要采取新的存储管理部件和机制来改善分段的局限性 。这样，就引入了分页部件和分页机制。 为了解决80286中不能在保护模式下运行80868088应用程序的问题，从80386开始， 在保护模式中引入了虚拟8086工作模式（简称V86模式）。 80386的V86模式是一种特殊的工作模式，具有许多新的特点，它使得多个8086实模式 的应用软件可以同时运行，例如，PC机上的DOS应用程序就允许在这种模式下。 在V86模式下，操作系统可以并行执行8086、80286和80386的程序。80386虚拟模式是 让80386模拟1MB空间的寻址环境，但它并不仅限于1MB的存储空间，因为它可以同时 支持几个虚拟86环境。在多用户系统中，每一个虚拟86环境都可以有它自己的DOS拷 贝和应用程序。 在一般的保护模式下，在8386/80486 EFLAGS寄存器中的VM位为0，若使VM1，则进 入V86模式。该模式是面向任务的，它允许80386/80486生成多个模拟的8086微处理器 。 80386的 3种工作模式及其相互转换方法如下图所示。 CPU缓存可以分为一级缓存、二级缓存，部分高端CPU还具有三级缓存。 1）一级缓存（Level 1 Cache），简称L1 Cache，位于CPU内核的旁边。一般来说， 一级缓存可以分为一级数据缓存（Data Cache，D-Cache）和一级指令缓存（ Instruction Cache，I-Cache）。二者分别用来存放数据以及对执行这些数据的指令 进行即时解码，而且两者可以同时被CPU访问，减少了争用Cache所造成的冲突，提高 了处理器效能。 2）二级缓存，从P开始，随着CPU制造工艺的发展，二级缓存也可集成在CPU内核中 。L2 Cache只存储数据，它不分数据Cache和指令Cache。在CPU核心不变化的情况下 ，增加L2 Cache的容量能使性能提升。 CPU产品中，一级缓存的容量基本在4KB到64KB之间，二级缓存的容量则分为128KB、 256KB、512KB、1MB、2MB等。一级缓存容量各产品之间相差不大，而二级缓存容量则 是提高CPU性能的关键。二级缓存容量的提升是由CPU制造工艺所决定的。 3）三级缓存 三级缓存是为读取二级缓存后未命中的数据设计的种缓存，在拥有三级缓存的CPU 中，只有约5%的数据需要从内存中调用，这进一步提高了CPU的效率。 最早的L3缓存被应用在AMD发布的K6-III处理器上，当时的L3缓存受限于制造工艺， 并没有被集成进芯片内部，而是集成在主板上；后来使用L3缓存的是Intel公司为服 务器市场所推出的Itanium（Itanium 安腾 ）处理器、P4EE（Extreme Edition）和 至强MP等。 高速缓存作为CPU不可分割的一部分，已经融入到性能提升的考虑因素当中，随着生 产技术的进一步发展，缓存的级数还将增加，容量也会进一步提高。 DRAM芯片是以MOS管栅极电容是否充有电荷来存储信息的，其基本单元电路一般由四 管、三管和单管组成，以三管和单管较为常用。在微机系统中，大多数采用DRAM芯片 。 ROM的存储元件可以看作是一个单向导通的开关电路。其组成结构与RAM相似，一般也 是由地址译码电路、存储矩阵、读出电路及控制电路等部分组成。ROM有不可编程掩 模式ROM、