微机原理与接口技术----第4章ppt课件

.,第4章微型计算机存储器系统,.,4.1微型计算机存储器4.2主存储器4.3外部存储器4.4虚拟存储器,.,4.1微型计算机存储器,4.1.1微型计算机存储器,1微型计算机存储器系统,存储器系统,主存储器,高速缓冲存储器,辅助存储器,内存,外存,.,4.1微型计算机存储器,4.1.1微型计算机存储器,1微型计算机存储器系统,微型计算机存储器系统的构成如图,.,4.1微型计算机存储器,4.1.1微型计算机存储器,1微型计算机存储器系统,1.1、主存储器,安装在主机系统板上，主存储器能直接和CPU交换信息，存放当前正在运行中的程序和数据。,（内部存储器）,半导体存储器RAM和ROM。,.,4.1微型计算机存储器,4.1.1微型计算机存储器,1微型计算机存储器系统,1.2、辅助存储器,（外部存储器）,容量大、造价低,特点：,存放当前不直接参与运行的程序和数据及系统程序。,作用：,光盘存储器,种类：,磁表面存储器，包括软盘和硬盘,.,4.1微型计算机存储器,4.1.1微型计算机存储器,1微型计算机存储器系统,1.3、高速缓冲存储器,容量小、速度快、集成在CPU内部。,特点：,在微机运行中，从主存储器读写数据的速度，远远跟不上高速CPU的运行速度。为此，将一段当前使用频繁的程序段和数据段，存放在高速缓冲存储器中，当CPU需要从主存中读出程序和数据时，可同时访问主存和高速缓存。如果所需要的内容恰好在高速缓存中，则CPU可很快获得，否则再在主存中读取。当CPU发现高速缓存中已不再是最活跃的信息时，就将内容更换，将主存中另一段当前活跃的程序和数据调入高速缓存。这样，CPU直接访问的存储空间，可以有像主存那样大的容量，而读写速度接近于CPU。,.,4.1微型计算机存储器,4.1.2主要技术指标,存储器的主要技术指标,性价比,存储容量,存取周期,可靠性,.,4.1微型计算机存储器,4.1.2主要技术指标,1、存储容量,存储容量是存储器所容纳的二进制位的总容量，或存储器所包含的存储单元的总位数。对于按字节编址的存储器而言，N位地址码的存储器最大可编址2N个存储单元，其容量为2NB。32位微机有32位地址码，存储器容量可支持到4GB，但目前实际装机容量为256MB1024MB。,.,4.1微型计算机存储器,4.1.2主要技术指标,2、存储周期,存储器的两个基本操作是读出和写入。从存储器接到读出命令到读出数据之间的时间间隔称为取数时间；存储器完成一次读写操作所需的时间称为周期时间。若设存储器总线宽度为W(B)，周期时间为Tc(s)，则数据传输率为W/Tc(B/s)，表示每秒钟存储器能并行传输多少个字节。对于32位机，若Tc200ns，则存储器数据传输率可达20MB/s。,.,4.1微型计算机存储器,4.1.2主要技术指标,3、可靠性,存储器的可靠性一般使用平均无故障间隔时间MTBF来衡量。MTBF为两次故障之间的平均间隔时间。MTBF越长，可靠性越高。,性价比是一个综合指标。性能是指存储容量、存储周期和可靠性；价格指存储器的总造价。性价比是一个客观指标，在选购或设计存储器时，应追求良好的性价比。,4、性价比,.,4.2主存储器,4.2.1随机存取存储器,1、半导体存储器的分类,半导体存储器的分类图,.,4.2主存储器,4.2.1随机存取存储器,2、RAM,一种既能写入又能读出的存储器。,2.1、SRAM,（静态RAM）,基本存储电路：,双稳态电路,一种平衡的电路结构,SRAM特点：,容量128KB,存信息不需进行刷新,存取速度很快,多用于要求高速存取的场合,作用：,高速缓冲存储器,.,4.2主存储器,4.2.1随机存取存储器,2、RAM,一种既能写入又能读出的存储器。,2.1、SRAM,（静态RAM）,SRAM与CPU的连接图,A0An为地址总线；D0Dn为数据总线；CS为片选控制；WE为写控制信号；OE为读控制信号。,.,4.2主存储器,4.2.1随机存取存储器,2、RAM,一种既能写入又能读出的存储器。,2.1、DRAM,（动态RAM）,DRAM特点：,集成度高、功耗小、存取速度快、价格低廉。,单管的DRAM基本存储电路,基本存储电路：,作用：,计算机的主存储器,发展趋势：,1）提高集成度,2）提高存取速度,256KB,64MB,30ns,.,4.2主存储器,4.2.1随机存取存储器,2、RAM,一种既能写入又能读出的存储器。,2.1、DRAM,（动态RAM）,1M4b的DIP型DRAM引脚配置图,.,4.2主存储器,4.2.2只读存储器,2、ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.1、MROM,（掩膜ROM）,固定掩膜ROM的芯片在制作掩膜板的时候，将所存的信息编排在内；一旦掩膜做好，其存储的信息就固定了。,2.2、PROM,（可编程ROM）,一种可编程的只读存储器，便于用户根据自己的需要来写入信息，这种ROM一般用二极管矩阵组成。,.,4.2主存储器,4.2.2只读存储器,2、ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.2、PROM,（可编程ROM）,熔断型PROM,表示在晶体管基极不加脉冲时，发射极由镍丝接到列线输出为“1”(或“0”)；在基极加入信号后，熔断镍丝，输出变为“0”(或“1”)。这样就实现了永久性编程。内容一旦写入，就不能修改。,.,4.2.2只读存储器,2、ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.2.1、EPROM,（能够进行重复擦写的只读存储器(EPROM)。,4.2主存储器,这种存储器在特殊条件下写入的信息可以长久保存，程序需要更改时，又可以采用特殊的方法将其全部擦除，如此可以多次反复使用。,1）常见的EPROM,浮栅型EPROM,.,4.2.2只读存储器,2、ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.2.1、EPROM,4.2主存储器,（能够进行重复擦写的只读存储器(EPROM)。,在源极(S)和漏极(D)之间有一个多晶硅做的栅极，但它是浮空的，被绝缘物SiO2所包围。在制造好时，硅栅上没有电荷，则管子内没有导电沟道，D和S之间不导电，这是组成的存储矩阵输出为全1(或0)。要写入时，在D和S之间加上25V高压，所选中的单元在此电源作用下，D和S被瞬间击穿，就会有电子通过绝缘层注入硅栅。当高压电源去除后，因为硅栅被绝缘层包围，故注入的电子无处漏走，硅栅就为负，于是就形成了导电沟道，从而使EPROM单元导通，输出为“0”或“1”。,.,4.2.2只读存储器,2、ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.2.1、EPROM,4.2主存储器,（能够进行重复擦写的只读存储器(EPROM)。,Intel2764外形与引脚信号如图,Al2A0是13条地址引脚，D7D0是8条数据引脚，Vcc和Vpp为两个电压输入引脚，为芯片允许端，为编程脉冲控制端。,.,4.2.2只读存储器,2.ROM,一种只能读出不能写入的存储器。,2.2.2、EEPROM,4.2主存储器,（电可擦除的PROM),写入还是擦除均需要专用设备。,1）特点：,全片擦除、字节为单位进行擦除和改写，并且擦写都在原系统中进行。断电后仍能保持修改后的结果。,2）常见的EEPROM芯片：Intel2815,EEPROMIntel2815的工作参数,.,4.2.3高速缓冲存储器,4.2主存储器,一种介于CPU和主存储器之间的存储容量较小而存取速度却较高的一种存储器。,(cachememory),为了解决内存速度不能满足CPU速度要求从而影响系统性能的矛盾，选择了这样的一种解决方案，即在CPU和内存之间设计一个容量较小，但相对于内存来说速度很快的高速缓存，这个高速缓存叫做cache存储器。,cache存储器是用静态RAM做的，不需刷新，存取速度快，存放的是最频繁使用的指令和数据。,.,4.2.3高速缓冲存储器,4.2主存储器,(cachememory),CPU存取指令和数据时，先访问cache，如果欲存取的内容已在cache中(称为命中)，CPU直接从cache中读取这个内容；否则，CPU再到主存(DRAM)中读取并同时将读取信息存入cache。,cache的工作原理图,.,cache存储器一般分成两部分，第一部分直接集成在CPU内部，称为一级cache(或一级缓存)，一级cache由于在芯片内部，离CPU近，数据位宽大，存取速度快，但由于芯片内集成SRAM的成本高等原因所限,芯片内部的cache存储器不可能做得很大。为了扩充cache存储器容量，就在芯片外又设计了二级cache(二级缓存)。二级cache容量较大，现行奔腾机的二级cache容量为256KB或512KB，而一级cache的容量为16KB，并且分为存放指令和数据的两个cache，各占8KB。使用两个分离的指令cache和数据cache要比只使用一个(早期486CPU内部仅使用单一cache)cache的效率更高，这样可以克服CPU对cache读取指令和数据时可能产生的冲突。,4.2.3高速缓冲存储器,4.2主存储器,(cachememory),注意：根据cache对数据的读取过程，cache的读出操作包括贯穿读出式和旁路读出式两种，而写入操作包括写穿式和回写式两种。,.,4.3.1软盘存储器,4.3外部存储器,（软驱）,1、软盘驱动器的组成,组成,盘片驱动系统,磁头定位系统,数据读写电路系统,状态检测系统,软盘驱动器的组成,.,4.3.1软盘存储器,4.3外部存储器,（软驱）,1.1、盘片驱动系统,它具有一个12V的直流伺服电机，由它带动盘片以300转/分的恒速旋转。当驱动器门关上以后，磁头加载电路使磁头与盘面接触，等待读写命令,软盘驱动器结构图,.,4.3.1软盘存储器,4.3外部存储器,（软驱）,1.2、磁头定位系统,磁头定位系统采用四相双拍步进电机，由步进电机带动磁头小车沿磁盘半径方向做径向直线运行。从适配器接口送来的“方向”和“步进”控制脉冲，驱动步进电机使磁头定位到需要寻址的磁道和扇区。,读写磁头作为一个整体安装在一起，上下两个磁头共用一套读写电路，完成数据的读出和写入。,1.3、数据读写电路系统,.,4.3.1软盘存储器,4.3外部存储器,（软驱）,1.4、状态检测系统,1)、00磁道检测装置：用于检测磁头起始道00的位置，有微动开关和光电传感器两种，当磁头小车回到00道位置时，应检测到“00道”信号(TRACK00)。2)、索引孔检测装置：由发光二极管和光敏元件组成，用于对索引孔进行检测。当主轴电机转速为300转/分时，测得索引孔脉冲信号INDEX的周期为200ms，脉冲宽度约4ms。3)、写保护检测装置：有微动开关和光电传感器两种，用于对盘片的写保护状态进行检测。当盘片处于写保护状态时，输出写保护信号WRITEPROTECT。4)、盘片更换检测装置：由光敏三极管组成，用于对软盘更换的检测。,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,1、硬盘的概念,（硬盘驱动器）,1）、体积小、容量大、速度快、使用方便；2）、磁头、盘片及运动机构密封。3）、由于磁头工作时与盘片不接触，所以磁头载荷较小。4）、金属磁盘片表面平整光滑。,温切斯特硬盘特点：,Maxtor(迈拓)硬盘,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,2、硬盘的分类方式及类型,DMA-DirectMemoryAccess，直接内存访问，是一种数据传输模式。DMA方式下由于不直接访问计算机的CPU，而直接在RAM与设备之间传输，因而大大提高了数据传输速度,1）、按硬盘与内存的通信方式分：,XT型(即DMA“DirectMemoryAccess”方式),AT型(即中断驱动方式),直接内存访问,2）、按硬盘磁头的驱动方式分：,步进电机驱动,音圈电机驱动,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,2、硬盘的分类方式及类型,3）、按硬盘的盘径与容量分：,5.25英寸、3.5英寸、2.5英寸、1.8英寸及1.3英寸五种，最小的为指甲盖大小。,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,3、硬盘的内部结构,头盘组件HAD，HeadDiskAssembly,印刷电路板组件PCBAPrintedCircuitBoardAssembly,盘体,主轴电机,寻道电机,读写磁头,控制电路,机壳与机架,内部结构,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,4、硬盘的主要技术指标,4.1、磁盘记录密度,道密度：沿盘片径方向，单位长度内的磁道数。位密度：沿圆周方向单位长度数据位数。,指磁盘读取数据时，磁头从起始位置到目标磁道位置并稳定下来，并从目标磁道位置上找到要读写数据的扇区所需要的全部时间。磁头寻道时间：磁头移动时间。等待时间:目标扇区旋转到磁头下方所需的时间。,4.2、平均存取时间,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,4、硬盘的主要技术指标,4.3、数据传输速率,D=位密度(位/英寸)转速(转/秒)2R(英寸/转)(R为最内圈磁道半径),4.4、转速,大多数硬盘的转速是固定的5400转/分、7200转/分、10000转/分及12000转/分。,4.5、间隔因子,指硬盘在读写周期中按逻辑顺序读写扇区之间的物理号间隔数。间隔因子与硬盘速度及计算机匹配有关，所以某些系统在升级CPU之后，硬盘速度有所降低。,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,5、硬盘的接口方式,2)一根直流电源线，两条信号电缆连接线(34芯命令电缆线，20芯数据电缆线)。,希捷,5.1、ST506/412接口(ShugartTechnologies506/412接口),特点：,1)电路结构复杂，印刷电路板集成高，很难支持大容量高速硬盘。,3)最多可接4个硬盘，最多不能超过16个磁头，所以容量一般不超过150MB,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,5、硬盘的接口方式,5.2、IDE接口(IntelligentDriveElectronics智能化驱动器电子接口)。,特点：,1)将控制器集成到驱动器内，在硬盘适配卡中不再有此电路。控制卡与硬盘之间连线非常短，数据传输更可靠，硬盘容量可以更大。2)系统级接口采用命令线与控制线合用的40芯电缆线，除对AT总线上的信号做必要的控制外，其余信号基本上是原封不动地送往硬盘。控制卡安装连接简便，价格较低。3)高性能旋转音圈电机，嵌入式扇区伺服机构，定位精确，速度快，抗震性能好，断电后磁头自动锁定在启停区。4)可连接两个硬盘，用跳线来标识“主”“从”关系。5)无需另配驱动程序。,.,4.3.2硬盘存储器,4.3外部存储器,（HardDiskMemory）,5、硬盘的接口方式,特点：,5.3、增强型IDE接口(EnhancedIDE)。,1)允许硬盘有更大存储容量：IDE最大为528MB，EIDE最大为8.4GB。2)允许连接更多外部设备：IDE式的一个插座，最多接两个硬盘，EIDE通常有两个插座，最多可接四个硬盘，其中主插座通常与高速的局部总线(PCI)相连，适合硬盘使用，辅插座适合磁带机或CD-ROM使用。3)支持多种外部设备：通常与ISA总线相连的有硬盘、ATAPI(ATAttachmentPacketInterface)标准磁带机和CD-ROM。4)更高的数据传输率，最大突发数据传输率11MB/s。,.,4.3.2硬盘存储器,5、硬盘的接口方式,特点：,5.4、ESDI接口(EnhancedSmallDiskInterface)。,4.3外部存储器,增强型小型磁盘机接口,1)基本是在ST506基础上发展起来的，目的是制造更大、更高速硬盘。2)最多可接四个硬盘，采用RLL数据编码，一个磁道划分为3554个扇区，具有浮动数据传输率5MB/s15MB/s，适用于大硬盘(最大可达135GB，256磁头，4096柱面，256扇区/道)。3)数据编码与译码不在控制板上进行，由硬盘承担，因此硬盘控制板之间的“噪音”将不影响数据分离。4)34条命令线，20条数据线，大部分命令线和信号线与ST506/512接口一致，只是数据线信号的读写数据都改成了不归零制NRZ编码数据。5)ESDI接口硬盘可自己向控制器报告其基本参数，不必分析磁头数，柱面数，扇区数等参数。,.,4.3.2硬盘存储器,5、硬盘的接口方式,特点：,5.5、SCSI接口(SmallComputerSystemInterface)。,4.3外部存储器,小型计算机系统接口,1)允许以5MB/s速度传输数据；2)一条SCSI总线最多可连接8台设备(每个设备都有一个ID号07)；3)是一种系统级接口。一台SCSI能接受命令，在批处理命令时可以同总线断开，然后重新与主控制器相连，因此多台SCSI驱动器能同时处理命令或传输数据，适用于网络服务及多用户任务处理系统；4)高数据传输率5MB/s40MB/s，不需要理解外部设备特有物理属性(如磁盘的柱面数，磁头数，每道扇区数等)；5)信号线为50芯电缆(含数据线和命令线)，不关心磁头和柱面，以线性方式对扇区进行编号，不关心磁盘的分布。,.,4.3.2硬盘存储器,5、硬盘的接口方式,特点：,5.6、串行ATA(AdvancedTechnologyAttachment),4.3外部存储器,串行ATA，是Intern公司2003年在IDF(IntelDeveloperForum，Intern开发者论坛)发布的将于下一代外设产品中采用的接口类型，就如其名所示，它以连续串行的方式传送资料，在同一时间点内只会有1位数据传输，此做法能减小接口的针脚数目，用四个针就完成了所有的工作(第1针发出、2针接收、3针供电、4针地线)。这种做法能降低电力消耗，减小发热量。最新的硬盘接口类型ATA-100就是串行ATA是初始规格，它支持的最大外部数据传输率达100MB/s，上面介绍的IBMDeskstar75GXP及Deskstar40GV就是采用接口类型的产品。在2001年第二季度推出了SerialATA1x标准的产品，它能提高数据传输率到150MB/s。,.,4.3.3光盘存储器,1、光盘存储器,特点：,4.3外部存储器,记录密度高、存储容量大、采用非接触方式读/写信息反信息可长期保留等优点。,CD-ROM是只能读出不能写入的光盘存储器，具有信息存储量大，速度快，保存时间长等优点。,1.1、CD-ROM,CD-ROM光驱有关的技术指标有：,数据传输率、寻道时间、数据缓冲区和接口性能等。,常见光驱的接口有IDE和SCSI两种。,.,4.3.3光盘存储器,1、光盘存储器,4.3外部存储器,1.2、CD-R,1）CD-R存储器是一次写入多次读出的存储器。2）CD-R和CD-ROM类似，适合于存储大量的数据文件。3）CD-R的尺寸和CD-ROM盘相同，只是多了一层记录介质层。记录的介质是有机染料或者是金属。4）CD-R存储器也叫光盘刻录机。5）光盘刻录机的接口一般有3种：SCSI、IDE和并口。6）刻录机一般有4、6、8倍速的读取速度和2、4倍速的写入速度。7）录制CD-R有专门的软件，如Easy-CD。,（可录式光盘存储器）,.,4.3.3光盘存储器,1、光盘存储器,4.3外部存储器,1.3、CD-RW,（CD-ReWritable）,一种新型的可重复擦写型光盘存储器CD-RW的最大特点是集CD-R刻录与数据的存储(可反复重写)两大功能于一身，它既可像普通CD-R刻录机那样进行操作，又可以对CD-RW盘片进行重写操作(需要使用专用的CD-RW盘片)。CD-RW光盘存储器与现在普遍使用的CD-ROM光驱一样也有倍速之分。所不同的是CD-RW又有写入速度(包括CD-RW写入速度和CD-R刻录速度)与读盘速度之分，通常是写入速度远低于读盘速度。写入速度越快就意味着写满一张容量相同盘片所用的时间越短，所以对CD-RW(包括CD-R)来说，写入速度才是最重要的技术指标，一般来说，SCSI接口的CD-RW的稳定性等方面优于IDE。,.,4.3.3光盘存储器,1、光盘存储器,4.3外部存储器,1.4、MO,（MagneticOptical磁光盘）,传统的磁盘技术与现代的光学技术结合之产物。MO存储器具有容量大、可更换盘片、使用寿命长、稳定性高等优点外，由于传输速率和搜索(寻道)时间等性能指标已接近普通低速硬盘，MO光盘不仅很方便的实现了直接重写，而且重写的可靠性及安全性得到了很大提高。同时实现了一张盘片上的重