计算机组成原理第4章课件

1、第四章第四章 存储器子系统存储器子系统本章主要内容本章主要内容:(1) 存储器的一些基本概念存储器的一些基本概念(2) 存储器如何存储信息存储器如何存储信息?(3) 如何用存储芯片构成一定容量的存储器如何用存储芯片构成一定容量的存储器?(4) 外部存储器的工作原理外部存储器的工作原理4.1 概述概述典型结构典型结构: 三级存储体系结构三级存储体系结构高速缓存高速缓存(Cache) 主存主存 外存层次外存层次 CPU Cache 主存主存 外存外存 Cache: 容量小、速度快容量小、速度快 主存主存: 容量较大、速度较快容量较大、速度较快 外存外存: 容量大、速度慢容量大、速度慢4.1.1 存

2、储系统的层次结构存储系统的层次结构存储器读存储器读写命令写命令命中命中不命中不命中CPU访问高速缓存访问高速缓存(Cache)和主存的工作原理和主存的工作原理: CPU 主存主存 Cache4.1.3 存储器的分类存储器的分类 (4.1.2节略节略)1. 按存储介质按存储介质(存储信息的机理存储信息的机理)分类分类(1) 半导体存储器半导体存储器 有源器件有源器件 速度快速度快 非破坏性读出非破坏性读出主要作主要作高速缓存高速缓存和和小容量主存小容量主存。 静态存储器静态存储器: 利用双稳态触发器存储信息利用双稳态触发器存储信息 动态存储器动态存储器: 用电容存储的电荷存储信息用电容存储的电荷

3、存储信息 速度低速度低 集成度低集成度低 功耗较大功耗较大 信息易失信息易失适合于作为大容量适合于作为大容量主存主存。 需要刷新需要刷新 集成度高集成度高 功耗小功耗小(3) 光盘存储器光盘存储器 速度慢速度慢利用激光对光盘表面的记录模进行照射后是否利用激光对光盘表面的记录模进行照射后是否出现烧孔出现烧孔(融坑融坑)等表示信息。等表示信息。 容量很大容量很大 非破坏性读出非破坏性读出 长期保存信息长期保存信息 容量大容量大 长期保存信息长期保存信息利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 非破坏性读出非破坏性读出适合于作外部存储器。适合于作外部存储器。(2)

4、 磁表面存储器磁表面存储器 速度慢速度慢适合于作外部存储器。适合于作外部存储器。2. 按存取方式分类按存取方式分类随机存取随机存取:(1) 随机存取存储器随机存取存储器(RAM)可按地址访问存储器中的任一单元可按地址访问存储器中的任一单元, 访问时间与单元地址无关。访问时间与单元地址无关。固定掩模型固定掩模型ROM: 用户不能编程用户不能编程可读可读/ /可写可写只读不写只读不写PROM: 用户可一次编程用户可一次编程EPROM: 用户可多次编程用户可多次编程(紫外线擦除紫外线擦除)EEPROM:用户可多次编程用户可多次编程(电擦除电擦除)可执行操作可执行操作:(2) 只读存储器只读存储器(R

5、OM)Flash ROM: 用户可多次编程用户可多次编程(电擦除电擦除)RAM和和 ROM的评价指标的评价指标: 存取时间存取时间存取时间存取时间 用用TA表示表示 (一般为一般为ns级级)从存储器收到地址到数据写入存储器或者读从存储器收到地址到数据写入存储器或者读出的数据可用为止所需要的时间。出的数据可用为止所需要的时间。 存取周期存取周期存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所需的全部时间。存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所需的全部时间。存取周期的定义存取周期的定义:如下图所示如下图所示:存取时间存取时间存取周期存取周期存取存取间隔间隔t用于读出后的信息恢复用于读出后的信

6、息恢复或者控制线路恢复稳定或者控制线路恢复稳定(3) 顺序存取存储器顺序存取存储器 (SAM)访问时读访问时读/写部件按顺序查找目标地址写部件按顺序查找目标地址, 访问时访问时间与数据位置有关。间与数据位置有关。如如: 磁带机磁带机 与磁带录音机工作原理类似与磁带录音机工作原理类似, 但但存储信息为数字信息存储信息为数字信息, 而非模拟信息。而非模拟信息。等待操作等待操作平均等待时间平均等待时间(ms)读读/写操作写操作两步操作两步操作速度指标速度指标数据传输率数据传输率(字节字节/秒秒)(4) 直接存取存储器直接存取存储器(DAM)访问时访问时, 读读/ /写部件先直接指向一个写部件先直接指

7、向一个小区域小区域, 再再在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有在该区域内顺序查找。访问时间与数据位置有关。如关。如: 磁盘、光盘等磁盘、光盘等, 操作过程是操作过程是:三步操作三步操作定位定位( (寻道寻道) )操作操作等待等待( (旋转旋转) )操作操作读读/ /写操作写操作速度指标速度指标平均定位平均定位( (平均寻道平均寻道) )时间时间( (ms) )平均等待平均等待( (平均旋转平均旋转) )时间时间( (ms) )数据传输率数据传输率( (位位/ /秒秒) )4.2 半导体存储器半导体存储器存储信息原理存储信息原理: 静态存储器静态存储器SRAM(双极型双极型/静态静态MOS型

8、型) 动态存储器动态存储器DRAM (动态动态MOS型型) 依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。速度快息。速度快, 功耗较大功耗较大, 适合于作适合于作Cache。 依靠电容存储电荷的原理存储信息。依靠电容存储电荷的原理存储信息。 功耗较小功耗较小, 容量大容量大, 速度较快速度较快, 适合于作主存。适合于作主存。较静态存储器慢较静态存储器慢, 比外存快比外存快ABD2V2WWD1V1ZVCC读出放大器1.TTL1.TTL型存储单元举例型存储单元举例 如图所示如图所示,V1,V1和和V2V2交叉反馈构成一交叉反馈构成一个双稳态电路个双稳态电路, ,可

9、存可存储一储一位二进制数。位二进制数。定义定义:V1:V1导通导通,V2,V2截止存储信息截止存储信息为为0,0,反之存储信息为反之存储信息为1 1。4.2.1 双极型存储单元与其芯片双极型存储单元与其芯片ABD2V2WWD1V1ZVCC读出放大器 (1) (1) 写入写入 加负脉冲，从加负脉冲，从3V3V下降到下降到0.3V0.3V，写，写1 1时时W W加高电平加高电平3V, W3V, W维持不维持不变，变，D1D1正偏正偏, ,有电流从有电流从W W到到V2V2的基极的基极, ,使使V2V2导导通通,W,W与与Z Z之间的电平差之间的电平差远小于远小于W W与与Z Z之间的电平之间的电平

10、差值差值, ,将使将使V1V1截止。如截止。如写写0, W0, W加高电平加高电平3V, W3V, W维持不变维持不变, ,过程是类似过程是类似的。的。图图4-3为双极型存储单元的读为双极型存储单元的读/写方式。写方式。ABD2V2WWD1V1ZVCC读出放大器 (2)(2)保持保持字线为高电平字线为高电平3V,W3V,W和和W W非非为为1.6V, D11.6V, D1和和D2D2反偏反偏, ,存存储单元电路和外界隔离储单元电路和外界隔离, ,电路维持原状态不变。电路维持原状态不变。 (3)(3)读出读出字线字线Z Z加负脉冲加负脉冲, ,从从3V3V下下降到降到0.3V, W0.3V, W

11、和和W W非非为为1.6V,1.6V,如原存如原存1,V11,V1截止截止,V2,V2导通导通, ,则则W W经经D2D2到到V2V2有有较大电流较大电流, ,W W非非基本无电基本无电流流, ,通过读放可检测出读通过读放可检测出读1 1信号信号, ,读读0 0信号类似。信号类似。 2. TTL存储器芯片举例存储器芯片举例 (1)(1)引脚及功能引脚及功能 如图如图4-44-4所示，是双极型芯片所示，是双极型芯片SN74189,SN74189,存存储容量为储容量为:16 :16 4 4位位, ,即即1616个存储单元个存储单元, ,每个存每个存储单元可存储储单元可存储4 4位数据。位数据。4

12、4根地址线，根地址线，4 4根输入根输入数据线，数据线，4 4根输出数据线根输出数据线, ,电源线电源线V VCCCC，地线地线GNDGND，片选线，片选线S S非，低电平有效；读写线非，低电平有效；读写线W W非，非，低电平写入，高电平读出。低电平写入，高电平读出。 (2)(2)内部结构内部结构 如图如图4-5(a)4-5(a)所示，双极型芯片所示，双极型芯片SN74189SN74189采采用双译码结构，每条行译码线和列译码线有用双译码结构，每条行译码线和列译码线有4 4个交叉点，代表每个存储单元有个交叉点，代表每个存储单元有4 4位。图位。图4-4-5(b)5(b)表示一个位平面的逻辑结构

13、。表示一个位平面的逻辑结构。例例4-14-1S=0, S=0, 地址地址:0110,:0110,即即A3=0,A2=1,A1=1,A0=0,A3=0,A2=1,A1=1,A0=0,则则选中选中X1X1和和Y2Y2交叉处的存储单元电路交叉处的存储单元电路; ;如写入如写入代码代码1010, W=0, 1010, W=0, 可在输入数据线可在输入数据线DIDI上加该上加该代码代码, ,实现写入功能实现写入功能, , 如如W=1,W=1,则在输出数据线则在输出数据线DODO上有上有01100110单元存储的内容。单元存储的内容。4.2.2 静态静态MOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片1、六管静

14、态单元、六管静态单元(1) 组成组成T1、T3: MOS反相器反相器双稳态触发器双稳态触发器T2、T4: MOS反相器反相器T5、T6: 控制门管控制门管Z: 字线字线, 选择存储单元选择存储单元W、W: 位线位线, 完成读完成读/写操作写操作VccT3T1T4T2T5T6ZWW(2) 定义定义“0”: T1导通导通, T2截止截止;“1”: T1截止截止, T2导通。导通。(3) 工作工作字线字线Z: 加高电平加高电平, T5、T6导通导通, 选中该单元。选中该单元。 写入写入: 在在W、W上分别加高、低电平上分别加高、低电平, 写写1在在W、W上分别加低、高电平上分别加低、高电平, 写写0

15、VccT3T1T4T2T5T6ZWWVccT3T1T4T2T5T6ZWW原信息为原信息为“1”, 即即T1截止截止, T2导通导通, 则则W通过通过T6和和T2对地放电对地放电, 使使W上有电流上有电流, 经放大为经放大为“1”信号。信号。读出读出: 先将先将W、W充电至高电平充电至高电平, 再根据再根据W、W上上有无放电电流有无放电电流, 读读1或或0。原信息为原信息为“0”, 即即T1导通导通, T2截止截止, 则则W通过通过T5和和T1对地放电对地放电, 使使W上有电上有电流流, 经放大为经放大为“0”信号。信号。只要电源正常只要电源正常, 保证向导通管提供电流保证向导通管提供电流, 便

16、能维便能维持一管导通持一管导通, 另一管截止的状态不变。另一管截止的状态不变。静态单元是非破坏性读出静态单元是非破坏性读出, 读出后不需重写。读出后不需重写。(4) 保持保持Z: 加低电平加低电平, T5、T6截止截止, 该单元未选中该单元未选中, 保持保持原状态。原状态。所以称为所以称为: 静态静态存储单元存储单元2. 存储芯片存储芯片 例例. SRAM芯片芯片2114 (1K 4位位)(1) 外特性外特性A6 A5 A4 A3 A0 A1 A2 CS GNDVcc A7 A8 A9 D0 D1 D2 D3 WE2114 (1K 4)191018地址端地址端: A9A0 (输入输入)数据端数

17、据端: D3D0 (输入输入/输出输出)电源、地电源、地(2) 内部寻址逻辑内部寻址逻辑控制端控制端:= 0 选中芯片选中芯片= 1 未选中芯片未选中芯片片选片选CS写使能写使能WE= 0 写写= 1 读读寻址空间寻址空间1K, 存储芯片共存储芯片共1K 4个位单元个位单元, 被分被分成成4个位平面个位平面(按矩阵排列按矩阵排列), 每个平面每个平面1K 1位。位。如下图所示如下图所示:每面矩阵排成每面矩阵排成64行行 16列。列。X0 行译码行译码6位行地址位行地址X63 列译码列译码Y0Y154 4位列地址位列地址64 1664 1664 1664 161K1K1K1KD3D2D1D0读写

18、过程控制读写过程控制:Xi 读读/ /写线路写线路YiWWWW数据数据输出输出缓冲缓冲数据数据输入输入缓冲缓冲D0D1D2D3控制控制电路电路CSWE(3) 读写时序读周期 tRC: 读周期。有效地址应当在整个周期中维持不变。它也是两次读出的最小间隔。 tA: 读出时间，从地址有效到输出稳定所需的时间。此时可以使用读取的数据，但读周期尚未结束，读出时间小于读周期。在数据输出稳定后，允许撤消片选信号与读命令。 tCO:从片选CS非有效到输出稳定所需的时间。输出稳定后，允许撤消片选与读命令。 tCX: 从片选CS非有效到数据有效所需的时间。但此时数据尚未稳定，仅仅是开始出现有效数据而已 tOTD:

19、 从片选信号无效后到数据输出变为高阻态的时间。换句话说，它是片选无效后输出数据还能维持的时间，在这之后输出将无效 tOHA: 地址改变后数据输出的维持时间写周期采用电容存储电荷方式存储信息，不需要双稳态电路，因而可以简化结构。充电后MOS管断开，即可使电容电荷的泄漏极少，而且大大降低芯片的功耗。这两点都使芯片集成度得到提高，因而在相同水平的半导体芯片工艺条件下，每片DRAM的最大容量约为SRAM的16倍。4.2.3 动态动态MOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片4.2.3 动态动态MOS存储单元与存储芯片存储单元与存储芯片1. 单管单元单管单元(1) 组成组成C: 记忆单元记忆单元T: 控

20、制门管控制门管Z: 字线字线W: 位线位线(2) 信息的存储信息的存储“0”: C无电荷无电荷;“1”: C有电荷。有电荷。写入写入: Z加高电平加高电平, T导通导通, W上加高上加高/低电平低电平, 写写1/0读出读出: W先预充电先预充电, 断开充电回路断开充电回路;(3) 工作工作Z加高电平加高电平, T导通导通, 据据W线电位变化线电位变化, 读出读出1/0CWZTC (4) 保持保持字线字线Z: 加低电平加低电平, T截止截止, 该单该单元未选中元未选中, 保持原状态。保持原状态。CWZTC 地址线地址线:A7A0 (输入输入)分时复用分时复用, 提供提供16位地址。位地址。数据端

21、数据端:Di (输入输入)Do (输出输出)GND CAS Do A6 A3 A4 A5 A72164 (64K 1)18916Di WE RAS A0 A2 A1 Vcc空闲空闲/ /刷新刷新电源、地电源、地引脚引脚1未使用未使用, 或在新型号中用于片内自动刷新。或在新型号中用于片内自动刷新。2. 存储芯片存储芯片外特性外特性:例例. DRAM芯片芯片2164 (64K 1位位)控制端控制端:片选片选= 0 写写= 1 读读写使能写使能WE行地址选通行地址选通RAS= 0时时,列地址选通列地址选通CAS= 0时时,A7A0为为行地址行地址高高8位地址位地址A7A0为为列地址列地址低低8位地址

22、位地址4.3 主存储器组织主存储器组织应解决的问题应解决的问题: 芯片的选用芯片的选用 地址分配地址分配 片选逻辑片选逻辑 信号线的连接信号线的连接多大容量多大容量, 位数位数, 多少片等多少片等将将CPU提供的全部地址空间的哪提供的全部地址空间的哪些地址空间分配给所设计的存储些地址空间分配给所设计的存储器器, 怎样分配怎样分配, 电路中如何体现电路中如何体现如何产生芯片所需片选信号如何产生芯片所需片选信号所有信号线如何连接所有信号线如何连接线路连接的原理框图线路连接的原理框图:CPU存储存储芯片芯片 2存储存储芯片芯片 1存储存储芯片芯片 n.地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线

23、 地址译码电路地址译码电路 (产生片选信号产生片选信号)地址地址.例例1.给出芯片地址分配与片选逻辑给出芯片地址分配与片选逻辑, 画出存储器框图画出存储器框图1. 计算所需芯片数计算所需芯片数用用2114(1K 4)SRAM芯片组成容量为芯片组成容量为4K 8的的存储器。假设存储器。假设CPU地址总线地址总线A15A0, 双向数双向数据总线据总线D7 D0, 读读/写信号线写信号线R/W。设计步骤设计步骤:方法方法1: 先先扩展位数扩展位数, 再再扩展单元数扩展单元数2片片1K 4 1K 8 4组组1K 8 4K 8 8片片 方法方法2: 先扩展单元数先扩展单元数, 再扩展位数再扩展位数4片片

24、1K 4 4K 4 2组组4K 4 4K 8 8片片 位扩展位扩展单元扩展或字扩展单元扩展或字扩展存储器寻址逻辑存储器寻址逻辑2. 地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑芯片内的寻址系统芯片内的寻址系统芯片外的芯片外的地址分配地址分配与与片选逻辑片选逻辑为芯片分配哪几位为芯片分配哪几位地址地址, 以便寻找片内以便寻找片内的存储单元的存储单元. 由哪几位地址形成由哪几位地址形成芯片选择逻辑芯片选择逻辑, 以以便寻找芯片便寻找芯片.存储空间分配存储空间分配:本例假设本例假设: 4KB存储器在存储器在16位地址空间位地址空间(64KB)中中占据任意连续区间。占据任意连续区间。即本即本4KB占据占据64

25、KB的哪的哪4K空间空间?低位地址分配给芯片低位地址分配给芯片, 高位地址形成片选逻辑。高位地址形成片选逻辑。64KB64KB1K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 41K1K4 4需需1212位地址位地址寻址：寻址：4KB4KBA A1515A A1212A A1111A A1010A A9 9AA0 0A11A11A0A00 0 0 0 0 00 0任意值任意值 0 0 0 0 1 11 10 1 0 1 1 11 11 0 1 0 1 11 10 1 0 1 0 00 01 0 1 0 0 00 01 1 1 1 0 00 01 1

26、 1 1 1 11 1片选片选 芯片地址芯片地址 1KA9A0CS0A11 A101KA9A0CS3A11 A101KA9A0CS1A11 A101KA9A0CS2A11 A10低位地址分配给芯片低位地址分配给芯片, 高位地址形成片选逻辑。高位地址形成片选逻辑。芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑3.3.连接方式连接方式（1 1）扩展位数）扩展位数4 1K4 1K4410 1K4 1K4410 1K4 1K44104 1K4 1K441044A9A0D7D4D3D044R/WA11 A10CS3A11 A10CS0A11 A10CS1A11 A10CS2（2 2）扩展

27、单元数）扩展单元数 （3 3）连接控制线）连接控制线（4 4）形成片选逻辑电路）形成片选逻辑电路即每一组的连接详图即每一组的连接详图(如如0组组): 2114(1K 4) 2114(1K 4)D7D6 D5D4 D3D2 D1D0D3D2 D1D0D7D6 D5D4R/WWE地址总线地址总线A9A0A11A10CS0CSCS+A11A10某半导体存储器，按字节编址。其中，某半导体存储器，按字节编址。其中，0000H0000H 07FFH07FFH为为ROMROM区，选用区，选用EPROMEPROM芯片（芯片（2KB/2KB/片）；片）；0800H0800H13FFH13FFH为为RAMRAM区

28、，选用区，选用RAMRAM芯片（芯片（2KB/2KB/片片和和1KB/1KB/片）。地址总线片）。地址总线A15A15A0A0（低）。给出地（低）。给出地址分配和片选逻辑。址分配和片选逻辑。例例.计算容量和芯片数计算容量和芯片数ROMROM区：区：2KB 2KB RAMRAM区：区：3KB 3KB 存储空间分配：存储空间分配：2.2.地址分配与片选逻辑地址分配与片选逻辑本例可以先安排大容量芯片（放本例可以先安排大容量芯片（放地址低端），再安排小容量芯片。地址低端），再安排小容量芯片。便于拟定片选逻辑。便于拟定片选逻辑。共共3 3片片 A A1515A A1414A A1313A

29、A1212A A1111A A1010A A9 9AA0 00 0 00 0 0 0 0 0 0 0 00 00 0 00 0 0 0 0 0 0 1 11 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 11 1 0 0 00 0 0 1 0 0 1 0 0 1 11 1 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 00 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 00 0低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。 芯片芯片 芯片地址芯片地址 片选信号片选信号 片选逻辑片选逻辑2K2K2K2K1K1KA10A10A0A0A10A10A0A

30、0A9A9A0A0CS0CS0CS1CS1CS2CS2A A1212A A1111A A1212A A1111A A1212A A11115KB5KB需需1313位地位地址寻址寻址：址：ROMROMA12A12A0A064KB64KB1K1K2K2K2K2KRAMRAMA A1010A A1515A A1414A A1313为全为全0 0CPU地址总线地址总线 2KRAM 2KROM 1KRAM数据总线数据总线D7D0D7D0D7D0CSCSCSR/WA10A0A10A0A9A0A12 A11A12 A11A12 A11 A10 设计一半导体存储器，其中设计一半导体存储器，其中ROMROM区区

31、4KB4KB，选，选用用ROMROM芯片（芯片（4K4K4 4位位/ /片）；片）；RAMRAM区区3KB3KB，选用，选用RAMRAM芯片（芯片（2KB2KB/ /片和片和1K1K4 4位位/ /片）。地址总线片）。地址总线A15A15A0A0（低），双向数据总线（低），双向数据总线D7D7D0D0（低），读（低），读/ /写线写线R/WR/W。作业：作业：1.1.给出芯片给出芯片地址分配地址分配和和片选逻辑式片选逻辑式2.2.画出该存储器逻辑框图（各芯片信号线的连接画出该存储器逻辑框图（各芯片信号线的连接及片选逻辑电路，及片选逻辑电路，注意：注意：ROMROM的数据端是单向（出），不使用的

32、数据端是单向（出），不使用R/WR/W；片选低电平有效）。片选低电平有效）。4.3.5 动态存储器的刷新动态存储器的刷新1. 刷新定义和原因刷新定义和原因定期向电容补充电荷定期向电容补充电荷刷新刷新动态存储器依靠电容电荷存储信息。电容电荷动态存储器依靠电容电荷存储信息。电容电荷随时间推移将缓慢释放随时间推移将缓慢释放(泄漏泄漏), 因此需要定期向因此需要定期向电容补充电荷电容补充电荷, 以保持信息不变。以保持信息不变。2. 最大刷新间隔最大刷新间隔大多数大多数DRAM的要求的要求: 2ms内必内必须对所有动态单元刷新一遍须对所有动态单元刷新一遍各存储芯片可同时刷新各存储芯片可同时刷新, 片内按

33、行刷新片内按行刷新(按行读按行读)。3. 刷新方法刷新方法刷新一行所用的时间。刷新一行所用的时间。 刷新周期刷新周期(存取周期存取周期): 刷新周期数刷新周期数: 刷新一片芯片所需的刷新一片芯片所需的周期数周期数由由芯片矩阵的芯片矩阵的行数行数决定。决定。 四管动态存储器四管动态存储器, 读出时能自动补充电荷读出时能自动补充电荷; 单管动态存储器单管动态存储器, 读出时能自动重写以补充电荷读出时能自动重写以补充电荷;刷新时的几个基本概念刷新时的几个基本概念:对主存的访问对主存的访问由由CPUCPU提供行、列地址，提供行、列地址，随机访问。随机访问。2ms2ms内集中安排所有刷新周期。内集中安排

34、所有刷新周期。CPUCPU访存：访存：4.4.刷新周期的安排方式刷新周期的安排方式死区死区用在实时要用在实时要求不高的场求不高的场合。合。动态芯片刷新：动态芯片刷新： 由刷新地址计数器提由刷新地址计数器提供行地址，定时刷新。供行地址，定时刷新。（1 1）集中刷新）集中刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新2ms2ms50ns50ns（2 2）分散刷新）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。各刷新周期分散安排在存取周期中。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新100ns100ns用在低速系用在低速系统中。统中。2ms2ms（3 3）异步刷新）异步刷新例例. .各刷新周期分散安排在各刷新

35、周期分散安排在2ms2ms内。内。用在大多数计算机中。用在大多数计算机中。每隔一段时间刷新一行。每隔一段时间刷新一行。128128行行15.6 15.6 微秒微秒 每隔每隔15.615.6微秒提一次刷新请求，微秒提一次刷新请求，刷新一行；刷新一行；2 2毫秒内刷新完所有毫秒内刷新完所有行。行。R/WR/W刷新刷新R/WR/W刷新刷新R/WR/WR/WR/WR/WR/W15.6 15.6 微秒微秒15.6 15.6 微秒微秒15.615.6微秒微秒刷新请求刷新请求刷新请求刷新请求（DMADMA请求）请求）（DMADMA请求）请求）4.4 磁表面存储器磁表面存储器4.4.1 存储原理与技术指标存储

36、原理与技术指标1. 读写原理读写原理 存储介质存储介质: 磁层磁层 读读/写部件写部件: 磁头磁头(如如聚酯薄膜聚酯薄膜、铝合金、陶瓷等、铝合金、陶瓷等软软/硬基体覆盖氧化铁物质等硬基体覆盖氧化铁物质等)I磁介质运动磁介质运动磁介质磁介质 读读/写过程写过程:(1) 写入写入在磁头线圈中加入磁化电流在磁头线圈中加入磁化电流(写电流写电流), 并使磁介并使磁介质移动质移动, 在磁层上形成连续的小段磁化区域在磁层上形成连续的小段磁化区域(位位单元单元)。电流大小可以使磁化强度达到饱和。电流大小可以使磁化强度达到饱和。读读/写控制写控制读放大电路读放大电路串串并转换并转换写驱动电路写驱动电路磁化后的

37、磁场强度磁化后的磁场强度用用Br表示。表示。根据所加电流方向根据所加电流方向不同不同, 被磁化的方向被磁化的方向也不同也不同, 磁化强度分磁化强度分别用别用+Br和和Br表示。表示。(2) 读出读出磁头线圈中不加电流磁头线圈中不加电流, 磁层移动。当被磁化的记磁层移动。当被磁化的记录磁层录磁层(位单元位单元)的转变区经过磁头下方时的转变区经过磁头下方时, 在线在线圈两端产生感应电势。圈两端产生感应电势。读出信号读出信号磁通变化的区域磁通变化的区域转变区转变区感应电势感应电势被磁化的区域是存储的信息被磁化的区域是存储的信息; 在磁化区域在磁化区域(位单元位单元) 的两侧各的两侧各一个磁化状态的一

38、个磁化状态的转变区转变区，根据转变区的存在及其性质（位置、，根据转变区的存在及其性质（位置、方向、频率等），体现所存储的信息。方向、频率等），体现所存储的信息。e d dt(2) 存储容量存储容量非格式化容量非格式化容量:格式化容量格式化容量:总位数总位数(用位密度计算用位密度计算)有效位数有效位数(用扇区内的数据块长度计算用扇区内的数据块长度计算)2. 技术指标技术指标道密度道密度:(1) 记录密度记录密度位密度位密度:单位长度内的磁道数。单位长度内的磁道数。磁道上单位长度内的二进制代码数。磁道上单位长度内的二进制代码数。记录密度决定了存储容量。记录密度决定了存储容量。 关于格式化关于格式化

39、:不同计算机系统对磁表面存储器的信息记录的格不同计算机系统对磁表面存储器的信息记录的格式有不同要求式有不同要求(如磁道的划分如磁道的划分、扇区的划分等扇区的划分等)，(3) 速度指标速度指标平均存取时间平均存取时间磁带磁带: 平均等待时间平均等待时间磁盘磁盘: 平均定位、平均旋转时间平均定位、平均旋转时间衡量查找速度衡量查找速度 ms数据传输率数据传输率衡量读衡量读/写速度写速度 bit/s或或Byte/s从磁盘中读数据到主存的时间从磁盘中读数据到主存的时间或或从主存写数据到磁盘的时间从主存写数据到磁盘的时间信息记录的格式取决于不同操作系统以及操作系统的信息记录的格式取决于不同操作系统以及操作

40、系统的不同版本。因此为满足不同计算机系统的要求不同版本。因此为满足不同计算机系统的要求, 磁表磁表面存储器出厂时面存储器出厂时, 未设置信息记录格式。装机时未设置信息记录格式。装机时, 按所按所使用操作系统设置信息记录格式使用操作系统设置信息记录格式, 即格式化。即格式化。6.5 磁盘存储器（见教材磁盘存储器（见教材P349/P334）适用于频繁调用的场合适用于频繁调用的场合, 常作主存的直接后援。常作主存的直接后援。磁盘磁盘磁盘控制器磁盘控制器磁盘驱动器磁盘驱动器+ 接口接口磁盘适配器磁盘适配器盘片、磁头盘片、磁头定位系统、传动系统定位系统、传动系统1. 组成组成(1) 软盘信息分布与寻址信

41、息软盘信息分布与寻址信息1) 信息分布信息分布盘片盘片: 单片单片, 双面记录双面记录磁道磁道: 盘片旋转一周盘片旋转一周, 磁头的作用区域磁头的作用区域扇区扇区: 同一磁道上长度相同的区段同一磁道上长度相同的区段, 存放数据块存放数据块磁道磁道盘片旋转一周盘片旋转一周的磁头作用区的磁头作用区最外层为最外层为0道。道。扇区扇区各磁道的线速度不同各磁道的线速度不同, 外道线速度高外道线速度高, 内道线速度内道线速度低低, 因此因此, 外道的信息密度低于内道的信息密度。外道的信息密度低于内道的信息密度。注注: 各磁道容量相同各磁道容量相同, 各各道位密度不同道位密度不同, 内圈内圈位密度最高。位密

42、度最高。 非格式化容量非格式化容量= 面数面数 (道数道数/面面) 内圈周长内圈周长 圈位密度圈位密度 格式化容量格式化容量= 面数面数 (道数道数/面面) (扇区数扇区数/道道) (字节数字节数/扇区扇区)驱动器号驱动器号、磁头号磁头号、磁道号磁道号、扇区号扇区号、交换量交换量2) 寻址信息寻址信息文件占有的文件占有的扇区数扇区数量量记录面号记录面号比如比如: PC机机3.5英寸高密度软盘格式化容量为英寸高密度软盘格式化容量为:容量容量= 2面面 80道道/面面 18扇区扇区/道道 512B/扇区扇区=1.44MB盘盘 组组: 多个盘片多个盘片, 双面记录。双面记录。各记录面上相同序号的磁道

43、构成一圆各记录面上相同序号的磁道构成一圆柱面。柱面。圆柱面圆柱面:定长记录格式定长记录格式:(2) 硬盘信息分布与寻址信息硬盘信息分布与寻址信息1) 信息分布信息分布(柱面数柱面数=道数道数/面面) 数据块数据块格式格式:不定长记录格式不定长记录格式:对每一个圆柱进行对每一个圆柱进行编号编号, 称为称为圆柱号圆柱号划分扇区划分扇区, 每扇区存放一每扇区存放一个定长数据块个定长数据块 称为记录块称为记录块, 无扇区划分无扇区划分 驱动器号驱动器号2) 寻址信息寻址信息选择磁盘组选择磁盘组 选择盘面选择盘面 选择磁道选择磁道 选择起始扇区选择起始扇区 扇区数扇区数 圆柱面号圆柱面号 磁磁 头头 号

44、号 扇扇 区区 号号 (无扇区划分时无扇区划分时记录号记录号) 交交 换换 量量例例: 定长记录格式定长记录格式2. 磁道记录格式磁道记录格式(简称磁道格式简称磁道格式)磁道时间磁道时间磁道磁道索引脉冲索引脉冲间隔间隔 扇区扇区1 扇区扇区2 扇区扇区n 间隔间隔 脉冲前沿标志磁道的开始脉冲前沿标志磁道的开始SYNCSYNC 头标区标志头标区标志 圆柱号圆柱号IDID 圆圆柱号柱号 ( (低位低位) ) CRC G2CRC G2 数据区数据区 DATA CRC G3 CRC G3 A1 ( (高位高位) ) 标志标志磁头号磁头号扇区号扇区号磁道由若干扇区组成磁道由若干扇区组成, 除数据区外的其

45、它信息都是除数据区外的其它信息都是为了正确识别有效数据而设置的信息格式。为了正确识别有效数据而设置的信息格式。(IBM系列微机系列微机)扇区扇区i 标志区标志区: 标志信息、标志信息、 CRC校验码校验码 数据区数据区: 标志信息、标志信息、CRC、数据字段、数据字段 标志区组成标志区组成: SYNC:为正确识别信号而设置的同步字符。为正确识别信号而设置的同步字符。SYNCSYNC 头标区标志头标区标志 圆柱号圆柱号IDID 圆圆柱号柱号 ( (低位低位) ) CRC G2CRC G2 数据区数据区 DATA CRC G3 CRC G3 A1 ( (高位高位) ) 标志标志磁头号磁头号扇区号扇

46、区号 头标区头标区(地址标志区地址标志区, 共共7个字节个字节): 头标区头标区: 第第1字节为字节为A1, 第第2字节为圆柱号高位字节为圆柱号高位 圆柱号低位圆柱号低位: 1个字节个字节 磁头号磁头号: 1个字节个字节, 对各个位有不同规定对各个位有不同规定(其中其中1位表示本扇区段是否为坏区位表示本扇区段是否为坏区) 扇区号扇区号: 1个字节个字节 CRC校验校验: 2个字节个字节, 存放头标区的循环校验码存放头标区的循环校验码 数据区组成数据区组成: (注注: 不同计算机磁道记录格式可能不同不同计算机磁道记录格式可能不同) 数据区标志数据区标志: 2个字节个字节: A1F8 数据数据DA

47、TA: 定长数据块定长数据块, 如如256B/512B/1024B等等 CRC校验校验:用于数据的用于数据的2个字节的循环校验码个字节的循环校验码 隔区隔区G2: 16个字节的个字节的00, 实现与数据区的隔离实现与数据区的隔离SYNCSYNC 头标区标志头标区标志 圆柱号圆柱号IDID 圆圆柱号柱号 ( (低位低位) ) CRC G2CRC G2 数据区数据区 DATA CRC G3 CRC G3 A1 ( (高位高位) ) 标志标志磁头号磁头号扇区号扇区号3. 磁盘基本操作磁盘基本操作寻道寻道: 磁头径向移动磁头径向移动 寻找扇区寻找扇区: 盘片旋转盘片旋转 串行读串行读/写写 DMA方式

48、传送方式传送 (2) 读读/写操作写操作(1) 寻址操作寻址操作4.3.3 4.3.3 磁记录方式磁记录方式1.1.定义定义写电流波形的组成方式。写电流波形的组成方式。解决解决提高可靠性提高可靠性：增大写波幅度，以提高读出：增大写波幅度，以提高读出 信号幅度。信号幅度。内同步内同步，即能从自身读出信号序列中提取同步，即能从自身读出信号序列中提取同步信号，以区分位单元。信号，以区分位单元。提高记录密度提高记录密度减少转变区数目减少转变区数目, , 使位单使位单元长度缩短。元长度缩短。具有具有自同步自同步能力，能力， 使位单使位单元长度缩短。元长度缩短。2.2.实用记录方式的特点与应用实用记录方式

49、的特点与应用（1 1）不归零）不归零-1-1制（制（NRZ1NRZ1）写写1 1时电流变，写时电流变，写0 0时电流不变。时电流不变。0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1I I0 0t t转变区少，无自同步能力。转变区少，无自同步能力。（2 2）调相制（）调相制（PEPE）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1写写1 1时电流正跳变，写时电流正跳变，写0 0时电流负跳变。时电流负跳变。转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。用于常规磁带机。用于常规磁带机。（3 3）调频制（）调频制（FMFM）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1

50、即：写即：写1 1时电流变二次，写时电流变二次，写0 0时电流变一次。时电流变一次。转变区多，有自同步能力。转变区多，有自同步能力。用于早期磁盘。用于早期磁盘。每个位单元起始处，写入电流都改变一次方向，每个位单元起始处，写入电流都改变一次方向，留下一个转变区，作为本位的同步信号；留下一个转变区，作为本位的同步信号；在位单元中记录数据信息，如果写入在位单元中记录数据信息，如果写入0,0,则位单则位单元中间不变。如果写入元中间不变。如果写入1,1,则写入电流在位单元中则写入电流在位单元中间改变一次方向。间改变一次方向。写写1 1时位单元中间电流变，相邻的时位单元中间电流变，相邻的0 0交界处电流变

51、。交界处电流变。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于软盘与小容量硬盘。用于软盘与小容量硬盘。（4 4）改进型调频制（）改进型调频制（MFMMFM或或M M2 2F F）I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1可压缩位单元长度可压缩位单元长度( (转变区约为转变区约为FMFM的一半的一半) )：I I0 0t t0 0 1 1 0 10 0 1 1 0 1（5 5）群码制（）群码制（GCRGCR）记录码中连续的记录码中连续的0 0不超过不超过2 2个；个；记录码按记录码按NRZ1NRZ1方式写入。方式写入。转变区少，有自同步能力。转变区少，有自同步能力。用于

52、数据流磁带机用于数据流磁带机(GCR4/5)(GCR4/5)。4.4.4 4.4.4 校验码校验码1.1.码距的概念码距的概念（1 1）码距定义）码距定义一种编码体制中，各组合法代码间的不同位数称一种编码体制中，各组合法代码间的不同位数称距离距离，其最小距离为该编码的，其最小距离为该编码的码距码距。有效信息位有效信息位+ +校验位校验位衡量一种编码查错与纠错的能力。衡量一种编码查错与纠错的能力。校验码校验码例例1. 1. 84218421码码 （2 2）码距作用）码距作用（3 3）查错与纠错的基本出发点）查错与纠错的基本出发点1 1）约定某种规律，作为检测的依据。）约定某种规律，作为检测的依据

53、。译码检测译码检测2 2）增大码距，从信息量上提供指错的可能。）增大码距，从信息量上提供指错的可能。2.2.几个例子几个例子码距码距d= d= 1 1 无查错、纠错能力。无查错、纠错能力。 有效信息位有效信息位+1+1位校验位位校验位校验码校验码奇偶校验码奇偶校验码 如：偶校验如：偶校验检测依据（编码规则）：检测依据（编码规则）：码距码距d=2d=2通过统计校验码中通过统计校验码中1 1的个数是否为偶数来查错。的个数是否为偶数来查错。1011001 1011001 0 0 可检测一位错，可检测一位错， 约定校验码中约定校验码中1 1的个数的个数为奇数为奇数/ /偶数。偶数。1011010110

54、1 11 1 1 1 不能纠错。不能纠错。 用于主存校验。用于主存校验。 海明海明(Hamming,(Hamming,汉明汉明) )校验码校验码 检测依据：检测依据： 多重奇偶校验。多重奇偶校验。代码分组代码分组各组进行奇偶校验各组进行奇偶校验形成形成多位多位指误字指误字= =全全0 0 无错无错全全0 0 有错有错指误字状态对应出错位序指误字状态对应出错位序号，将出错位变反纠错。号，将出错位变反纠错。海明码海明码(Hamming Code)(Hamming Code) 多重奇偶检错多重奇偶检错 k位奇偶校验位，位奇偶校验位，n位数据位数据位，位，n+k位新数据位位新数据位满足关系式：满足关系

55、式： 2k-1n+kn+kknn+k34741115526316576371201278247255n：最大信息位数：最大信息位数 海明码产生（插入法）码字位置码字位置h151413121110987654321校验位校验位xxxx有效信息位有效信息位01110011010复合码字复合码字（校验码（校验码）d15d14d13d12d11d10d9P8d7d6d5P4d3P2P1海明码位海明码位h: 二进制码二进制码 h=h3h2h1h0 表示表示1-15，即，即0001-1111。校验位校验位P插入插入2的幂的幂次位置次位置 令所有令所有h0=1的码字位的码字位所有所有h1、h2、h3为为1的

56、码字位分别的码字位分别100019100120010101010300111110114010012110050101131101601101411107011115111181000h例例:用插入法产生用插入法产生01110011010的海明码的海明码,用用偶校验偶校验.码字位置码字位置h码字位码字位置置h151413121110987654321校验位校验位0100有效信有效信息位息位01110011010复合码字复合码字（校验码）（校验码）d11d14d13d12d11d10d9P8d7d6d5P4d3P2P1P1= d15 d13 d11 d9 d7 d5 d3 P2= d15 d14

57、 d11 d10 d7 d6 d3 P4= d15 d14 d13 d12 d7 d6 d5 P8= d15 d14 d13 d12 d11 d10 d9海明码为海明码为:011100101011000 海明码纠错 对海明码复合码字运算得到检查码对海明码复合码字运算得到检查码,由检查码检由检查码检验结果验结果,如出错指出位置。如出错指出位置。检查码检查码C=C3C2C1C0C0=d15 d13 d11 d9 d7 d5 d3 P1 C1=d15 d14 d11 d10 d7 d6 d3 P2 C2=d15 d14 d13 d12 d7 d6 d5 P4 C3=d15 d14 d13 d12 d

58、11 d10 d9 P8若若C=0000,则未出错则未出错;若出错指出出错位置。若出错指出出错位置。例例:d6出错出错,C1=1,C2=1;C=0110,指出了指出了d6位置位置;对对D6位求反纠错该位位求反纠错该位。传统海明码能检测并纠正一位错或发现两位错传统海明码能检测并纠正一位错或发现两位错;扩展海明码能检测多位错纠正一位错扩展海明码能检测多位错纠正一位错(参见教材参见教材)。0111001010110003.3.循环校验码（循环校验码（CRCCRC） 设有效信息为设有效信息为A A，约定代码为，约定代码为G G。 A A 校验码能被某代码除尽。校验码能被某代码除尽。余数余数 校验码校验

59、码 例例. .有效信息有效信息A=1100A=1100，约定代码，约定代码G=1011G=1011（1 1）约定规律）约定规律 G G = = Q Q + + R R G G A-R A-R G G = = Q Q （2 2）编码方法）编码方法 将有效信息与余数拼在一起形成校验码将有效信息与余数拼在一起形成校验码K Kr rn n有效信息位数有效信息位数K K：r r：n n：余数位数余数位数校验码位数校验码位数1 1）A A左移左移r r位位 （r=3r=3）：）：110011000000002 2）求余数：）求余数：1100110000000010111011=1110 + =1110 +

60、 010 010 10111011余数余数约定代码约定代码3 3）形成校验码）形成校验码（3 3）译码与纠错）译码与纠错 循环校验码循环校验码余数为余数为0 0，无错，无错K=4K=4（7 7，4 4）码）码n=7n=7余数非余数非0 0，有错，有错 不同余数对应不同余数对应不同出错位数不同出错位数11001100000 000 + 010 = 1100010+ 010 = 1100010生成多项式生成多项式(模模2除除)(模模2加加)利用余数循环的特点，将出错位移至校验码最高位，变利用余数循环的特点，将出错位移至校验码最高位，变反纠错。反纠错。节省硬件。节省硬件。（4 4）生成多项式）生成多