半导体存储器

第四章存储器本章需解决的主要问题：（1）存储器如何存储信息？（2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有一定容量的存储器？第四章存储器本章需解决的主要问题：（1）存储器如何存1存储子系统存储器分类半导体存储器磁表面存储器存储原理存储器设计动态刷新存储原理磁盘存储器本章知识架构：存储子系统存储器分类半导体存储器磁表面存储器存储原理存储器设24.1概述4.1.1存储器分类4.1.1.1按存储介质分类(1)半导体存储器(2)磁表面存储器(3)磁芯存储器(4)光盘存储器易失TTL、MOS磁头、载磁体硬磁材料、环状元件激光、磁光材料非易失4.1概述4.1.1存储器分类4.1.1.1按3

1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于1956年购买了这项技术专利。

1951年，中国移民王安发明了磁芯存储器，IBM于4(1)存取时间与物理地址无关（随机访问）顺序存取存储器磁带4.1.1.2按存取方式分类(2)存取时间与物理地址有关（串行访问）随机存储器只读存储器直接存取存储器磁盘在程序的执行过程中

可读

可写在程序的执行过程中

只读(1)存取时间与物理地址无关（随机访问）顺序存取存储器5磁盘、磁带、光盘高速缓冲存储器（Cache）FlashMemory存储器主存储器辅助存储器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态RAM动态RAM4.1.1.3按在计算机中的作用分类

磁盘、磁带、光盘高速缓冲存储器（Cache）Flash61、存储器三个主要特性的关系:速度、容量、价格／位,而这三种指标是相互矛盾的。

为了解决这种问题，选用生产与运行成本不同的、存储容量不同的、读写速度不同的多种存储介质，按一定的层次结构组织成一个统一的存储器系统，使每种介质都处于不同的地位，发挥不同的作用，充分发挥各自在速度、容量、成本方面的优势，从而综合达到最优性能价格比，即把这样一个存储器组织作为一个整体看，具有容量大、速度快、位价低的综合指标。这样一个存储整体称为“存储系统”。

4.2.存储器的层次结构1、存储器三个主要特性的关系:速度、容量、价格／位,而这三种7存储器速度、容量和价位的关系高低小大快慢辅存寄存器缓存主存磁盘光盘磁带光盘磁带速度容量价格位／CPUCPU主机存储器速度、容量和价位的关系高低小大快慢辅存寄存器缓存主存磁81)通用寄存器组：处于CPU内部，为执行指令方便而设，通常由几个、十几个、几十个寄存器组成，各种机器不等。其速度最快、容量最小、位价最高，但由于容量太小，并不被看成是独立的存储级。2）主存：是存储系统的核心，是计算机自动、高速运行程序必不可少的功能部件，是计算机传统的五大部件之一。因此，计算机对主存的要求是比较高的，但在目前的存储技术水平下，主存只能做到容量比较大、速度比较快、位价适中，仍然远远满足不了CPU运行程序的要求。3）高速缓存（Cache）：为了平滑主存与CPU之间的速度之差，加速CPU访存的速度，在性能较好的计算机中，主存与CPU之间增设了一个缓冲存储器，其容量比通用寄存器组大得多，比主存小得多，速度接近CPU，位价介于寄存器与主存之间Cache与主存一起构成内存。寄存器、Cache、主存由不同指标的半导体存储器实现。1)通用寄存器组：处于CPU内部，为执行指令方便而设，通常由94）辅助存储器（外部存储器）；为了存放大量备用的程序和数据，在主机之外设置了一级辅助存储器，其容量比主存大得多，速度比主存慢得多，但位价也便宜得多。辅存通常由磁表面存储器实现，目前大多数计算机使用磁盘，但由于磁盘的容量实际上也有限，因此有些系统使用磁带等速度更低、容量更大（磁带等设备带盘可换，容量可无限延伸）的磁表面存储器作为硬盘的后备。由于辅存与主机的连接方式和I/O设备相同，因此主机通常以I/O管理方式管理外存。4）辅助存储器（外部存储器）；为了存放大量备用10缓存CPU主存辅存4.2.2缓存—主存层次和主存—辅存层次缓存主存辅存主存虚拟存储器10ns20ns200nsms虚地址逻辑地址实地址物理地址主存储器（速度）（容量）缓存CPU主存辅存4.2.2缓存—主存层次和主存—辅存层111）Cache—主存层次：根据程序运行的局部性原理，可以在计算机运行程序时，通过合理的调度将当前使用最多的一小段程序和数据放在Cache中，使CPU大部分时间访问高速缓存Cache，只有个别的指令或数据从缓存中读不到，需要到主存去取。这样，从整体运行的效果分析，CPU访存速度接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。程序运行时的局部性原理表现在：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1)1）Cache—主存层次：根据程序运行的局部性原理，可以在计122）主存—辅存层次：

为了更好地对主存、辅存统一调度，目前广泛采用虚拟存储技术，即将主存与辅存的一部份通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间大得多的虚拟地址空间编程，当程序运行时，再由软、硬件自动完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。这个转换操作对于程序员来说是透明的.因此，从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。2）主存—辅存层次：13各级存储器存放的信息必须能够满足两个基本原则：1.一致性原则：同一个信息在各级存储器中必须保持相同的值。2.包含性原则：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定包含在各外层的存储器中。通过采用层次结构结合软硬件技术，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。各级存储器存放的信息必须能够满足两个基本原则：144.2主存储器4.2.1概述

4.2.1.1主存的基本组成注：MAR存储器地址寄存器MDR存储器数据寄存器MAR、MDR逻辑结构上属MM，物理位置在CPU芯片中。数据线：双向，或两组单向线地址线：单向控制线：两种读/写控制线：单向片选控制线：单向存储体驱动器译码器MAR控制电路读写电路MDR....................地址总线数据总线控制信号4.2主存储器4.2.1概述4.2.1.1主存的基15译码器74LS138译码器74LS13816(a)逻辑电路(18)(16)(14)(12)(9)(7)(5)(3)1Y31Y42Y12Y22Y32Y41Y21Y11A31A42A12A22A32A41A21A1___2G___1G(2)(4)(6)(8)(11)(13)(15)(17)(1)(19)

1G

2G

1A31A42A12A22A32A41A21A11Y31Y42Y12Y22Y32Y41Y21Y1（b）引脚图驱动器74LS244当1、19脚是H时，Y为高阻抗；是L时，Y=A。(a)逻辑电路(18)(16)(14)(12)(9)(7)174.2.1.2主存和CPU的连接

MDRMARCPU主存读数据总线地址总线写地址总线AB的位数决定了可寻址的最大内存空间，数据总线DB的位数与工作频率的乘积正比于最高数据入出量，控制总线CB指出总线周期的类型和本次入出操作完成的时刻。4.2.1.2主存和CPU的连接MDRMARCPU184.2.1.3.性能指标（1）存储容量：存放二进制信息的数量存储容量=存储单元个数*存储字长（按字）=字节数（按字节编址）目前计算机的存储容量大多以字节数来表示(2)存取速度：一般采用两种参数描述a.存取时间(TA)指从CPU给出有效地址启动一次存取（读/写）操作到该操作完成所需的时间。读、写分别为TAR、TAW。b.存取周期(Tmc)指连续两次存储器操作之间的最小时间。间隔略大于TA4.2.1.3.性能指标（1）存储容量：存放二进制信息的数19（3）带宽：每秒从存储器进出的最大信息量存取周期反映存储器的带宽

例：TMC＝100ns8位数据带宽为1s/100ns×8b=80Mb/s提高存储器的带宽的途径a．缩短存取周期，指制造工艺方面,TTL为100ns;MOS为10nsb．增加储字长c．增加存储体（3）带宽：每秒从存储器进出的最大信息量存取周期反映存储器的20芯片容量4.2.2半导体存储芯片简介4.2.2.1半导体存储芯片的基本结构译码驱动存储矩阵读写电路1K×4位16K×1位8K×8位片选线读/写控制线地址线…数据线…地址线（单向）数据线（双向）104141138芯片容量4.2.2半导体存储芯片简介4.2.2.1半导210,015,015,70,7

读/写控制电路

地址译码器

字线015…………16×8矩阵…………07D07D位线读/写选通A3A2A1A0……4.2.2.2半导体存储芯片的译码驱动方式(1)线选法（单译码方式）00000,00,7…0……07……D07D

读/写选通0,015,015,70,7读/写控制电路地22线选法的特点a.译码结构简单，速度快，，但器材用量大（n根地址线需2n套驱动器），当容量较大时，导致成本太高，仅适合于高速小容量存储器。b.并行输入/输出（数据I/O）按多位（字节）组织线选法的特点a.译码结构简单，速度快，，但器材用量大（n根地23A3A2A1A0A40,310,031,031,31

Y地址译码器

X地址译码器

32×32矩阵……A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读/写……(2)重合法（双译码方式）00000000000,031,00,31……I/OD0,0读A3A2A1A0A40,310,031,031,3124重合法的特点

a.与线选法相比大大减少了译码输出线根数，则器材用量也大大减少，有效地降低了存储器的成本，适用于大容量存储芯片b.数据位I/O――按位组织重合法的特点a.与线选法相比大大减少了译码输出线根25工艺双极型MOS型ECL型速度很快、功耗大、容量小电路结构PMOSNMOSCMOS功耗小、工作方式静态MOS动态MOS存储信息原理静态存储器SRAM动态存储器DRAM依靠双稳态电路内部交叉反馈的机制存储信息。（动态MOS型）：功耗较小,容量大,速度较快,作主存。4.2.3随机存储器TTL型工艺双极型MOS型ECL型速度很快、功耗大、容量小电路结构P26MOS管简介

(1)、分类：

NMOS（N沟道增强型场效应晶体管）：P型衬底，N型高掺杂扩散区（两个），正电压开启；

PMOS（P沟道增强型场效应晶体管）：N型衬底，P型高掺杂扩散区（两个），负电压开启。

(2)、逻辑符号：

以NMOS增强型为例介绍——

(3)、结构：G栅极D漏极S源极P（衬底）N+N+源S栅G漏DSiO2二氧化硅绝缘层B通常衬底和源接在一起MOS管简介

(1)、分类：

NMOS（N27(4)、工作原理：

在电场作用下，半导体表面的导电性能会发生变化——半导体表面场效应现象。

仍以NMOS为例：当栅极上加一正压时（>=VT，VT称为开启电压），栅极下方的自由电子被吸引形成“反型层”（与衬底P型导电类型相反），反型层将两个N区连通，形成沟道，源、漏极导通。因此反型层也叫沟道。(5)、开关特性：

以MOS反相器为例，电路图如下：GDRDVDDSN（衬底）P-P-源S栅G漏D(4)、工作原理：

在电场作用下，半导体表面28

静态特性：

1）UGS<UT时，MOS管截止，输出UDSUDD，iDS0，相当于断开。等效电路如下（左图）：GRDSDVDDrDS导通GRDSDVDD截止输出

2）UGS>UT时，MOS管导通，输出UDS0V，等效电路如上（右图）：静态特性：

1）UGS<UT294.2.3.1静态RAM(SRAM)1.六管单元（1）组成T1、T3：MOS反相器Vcc触发器T3T1T4T2T2、T4：MOS反相器T5T6T5、T6：控制门管ZZ：字线，选择存储单元位线，完成读/写操作WWW、W：（2）定义“0”：T1导通，T2截止；“1”：T1截止，T2导通。AB4.2.3.1静态RAM(SRAM)1.六管单元（1）30（3）工作T5、T6Z：加高电平，高、低电平，写1/0。（4）保持只要电源正常，保证向导通管提供电流，便能维持一管导通，另一管截止的状态不变，∴称静态。VccT3T1T4T2T5T6ZWW导通，选中该单元。写入：在W、W上分别加读出：根据W、W上有无电流，读1/0。Z：加低电平，T5、T6截止，该单元未选中，保持原状态。静态单元是非破坏性读出，读出后不需重写。（3）工作T5、T6Z：加高电平，高、低电平，写1/0。（4312SRAM芯片2114（1K×4位）地址端：2114（1K×4）191018A6A5A4A3A0A1A2CSGNDVccA7A8A9D0D1D2D3WEA9～A0（入）数据端：D3～D0（入/出）控制端：片选CS=0选中芯片=1未选中芯片写使能WE=0写=1读电源、地2SRAM芯片2114（1K×4位）地址端：2114（1K324.2.3.2动态MOS存储单元与存储芯片1.四管单元（1）组成T1、T2：记忆管C1、C2：柵极电容T3、T4：控制门管Z：字线位线W、W：（2）定义“0”：T1导通，T2截止“1”：T1截止，T2导通T1T2T3T4ZWWC1C2（C1有电荷，C2无电荷）；（C1无电荷，C2有电荷）。（3）工作Z：加高电平，T3、T4导通，选中该单元。4.2.3.2动态MOS存储单元与存储芯片1.四管单元（1332.单管单元（1）组成（4）保持T1T2T3T4ZWWC1C2写入：在W、W上分别加高、低电平，写1/0。读出：W、W先预充电至再根据W、W上有无电流，高电平，断开充电回路，读1/0。Z：加低电平，T3、T4截止，该单元未选中，保持原状态。需定期向电容补充电荷（动态刷新），∴称动态。四管单元是非破坏性读出，读出过程即实现刷新。C：记忆单元CWZTT：控制门管Z：字线W：位线2.单管单元（1）组成（4）保持T1T2T3T4ZWWC1C343.存储芯片（2）定义（4）保持写入：Z加高电平，T导通，在W上加高/低电平，写1/0。读出：W先预充电，根据W线电位的变化，读1/0。断开充电回路。Z：加低电平，T截止，该单元未选中，保持原状态。单管单元是破坏性读出，读出后需重写。“0”：C无电荷，电平V0（低）CWZT外特性：“1”：C有电荷，电平V1（高）（3）工作Z加高电平，T导通，例.DRAM芯片2164（64K×1位）V3.存储芯片（2）定义（4）保持写入：Z加高电平，T导通，在35地址端：2164（64K×1）18916GNDCASDoA6A3A4A5A7A7～A0（入）数据端：Di（入）控制端：片选写使能WE=0写=1读电源、地空闲/刷新DiWERASA0A2A1Vcc分时复用，提供16位地址。Do（出）行地址选通RAS列地址选通CAS：=0时A7～A0为行地址高8位地址：=0时A7～A0为列地址低8位地址1脚未用，或在新型号中用于片内自动刷新。地址端：2164（64K×1）18916GNDCASDo364.2.3.3半导体存储器逻辑设计需解决：芯片的选用、例1.用2114（1K×4）SRAM芯片组成容量为4K×8的存储器。地址总线A15～A0（低）,双向数据总线D7～D0（低）,读/写信号线R/W。给出芯片地址分配与片选逻辑,并画出M框图。1.计算芯片数动态M的刷新、（1）先扩展位数，再扩展单元数。主存的组织涉及：主存的校验。地址分配与片选逻辑、信号线的连接。2片1K×4

1K×8

4组1K×8

4K×8

8片M的逻辑设计、4.2.3.3半导体存储器逻辑设计需解决：芯片的选用、例137存储器寻址逻辑2.地址分配与片选逻辑（2）先扩展单元数，再扩展位数。4片1K×4

4K×4

2组4K×4

4K×8

8片芯片内的寻址系统(二级译码)芯片外的地址分配与片选逻辑为芯片分配哪几位地址，以便寻找片内的存储单元由哪几位地址形成芯片选择逻辑，以便寻找芯片存储空间分配：4KB存储器在16位地址空间（64KB）中占据任意连续区间。存储器寻址逻辑2.地址分配与片选逻辑（2）先扩展单元数，再扩3864KB1K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4需12位地址寻址：4KBA15…A12A11A10A9……A0A11～A0000

……

0任意值001

……

1011

……

1101

……

1010

……

0100

……

0110

……

0111

……

1片选芯片地址低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片芯片地址片选信号片选逻辑1K1K1K1KA9～A0A9～A0A9～A0A9～A0CS0CS1CS2CS3A11A10A11A10A11A10A11A1064KB1K×41K×41K×41K×41K×41K×41K393.连接方式（1）扩展位数41K×41K×44101K×41K×44101K×41K×441041K×41K×441044A9~A0D7~D4D3~D044R/WA11A10CS3A11A10CS0A11A10CS1A11A10CS2（2）扩展单元数（3）连接控制线（4）形成片选逻辑电路3.连接方式（1）扩展位数41K×41K×44101K40某半导体存储器，按字节编址。其中，0000H～∼07FFH为ROM区，选用EPROM芯片（2KB/片）；0800H～13FFH为RAM区，选用RAM芯片（2KB/片和1KB/片）。地址总线A15～A0（低）。给出地址分配和片选逻辑。例2.1.计算容量和芯片数ROM区：2KBRAM区：3KB存储空间分配：2.地址分配与片选逻辑先安排大容量芯片（放地址低端），再安排小容量芯片。便于拟定片选逻辑。共3片某半导体存储器，按字节编址。其中，0000H～∼07FFH41A15A14A13A12A11A10A9…A0000000……0000001……1

000011……1

0001001…1

000010……0

0001000…0低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。芯片芯片地址片选信号片选逻辑2K2K1KA10～A0A10～A0A9～A0CS0CS1CS2A12A11A12A11A12A115KB需13位地址寻址：ROMA12～A064KB1K2K2KRAMA10A15A14A13为全0A15A14A13A12A11A10A9…A0000424.2.3.4动态RAM刷新①刷新定义和原因定义：刷新。动态存储器依靠电容电荷存储信息。平时无电源供电，时间一长电容电荷会泄放，需定期向电容补充电荷，以保持信息不变。定期向电容补充电荷原因：4.2.3.4动态RAM刷新①刷新定义和原因定义：刷43注意刷新与重写的区别。破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。②最大刷新间隔在此期间，必须对所有动态单元刷新一遍。非破坏性读出的动态M，需补充电荷以保持原来的信息。2ms。③刷新方法按行读。刷新一行所用的时间刷新周期（存取周期）刷新一块芯片所需的刷新周期数由芯片矩阵的行数决定。注意刷新与重写的区别。破坏性读出后重写，以恢复原来的信息。②44对主存的访问由CPU提供行、列地址，随机访问。2ms内集中安排所有刷新周期。CPU访存：④刷新周期的安排方式死区用在实时要求不高的场合。动态芯片刷新：由刷新地址计数器提供行地址，定时刷新。（1）集中刷新R/W刷新R/W刷新2ms50ns（2）分散刷新各刷新周期分散安排在存取周期中。R/W刷新R/W刷新100ns用在低速系统中。对主存的访问由CPU提供行、列地址，随机访问。2ms内集中安452ms（3）异步刷新例.各刷新周期分散安排在2ms内。用在大多数计算机中。每隔一段时间刷新一行。128行≈15.6微秒每隔15.6微秒提一次刷新请求，刷新一行；2毫秒内刷新完所有行。R/W刷新R/W刷新R/WR/WR/W15.6微秒15.6微秒15.6微秒刷新请求刷新请求（DMA请求）（DMA请求）2ms（3）异步刷新例.各刷新周期分散安排在2ms内。用在大46三种刷新定时方式的特点：

集中刷新：正常工作期间DRAM可达全效率，但刷新期间CPU不能访存（例中为16µs），形成访存“死区”。

分散刷新：消除了访存死区，但使CPU访存周期延长一倍（例中=1µs）。另外，存在多余的刷新操作。

异步刷新：结合集中、分散刷新的优点，既克服了死时间，又没有多余的刷新操作，DRAM工作效率达到最高，是一种理想的刷新方式，得到广泛应用。但这种方式控制较复杂，需要较多的存储器外围电路支持（刷新地址计数器、刷新定时器、访存仲裁逻辑等）。三种刷新定时方式的特点：集中刷新：正常工作期间DRA47

4.2.3.5动态RAM和静态RAM的比较DRAMSRAM存储原理集成度芯片引脚功耗价格速度刷新电容触发器高低少多小大低高慢快有无主存缓存4.2.3.5动态RAM和静态RAM的比较DRA48SDRAMSDRAM49DDR内存DDR内存50DDR2内存DDR2内存51DDR3内存DDR3内存524.2.4只读存储器（ROM）4.2.4.1掩膜ROM(MROM)行列选择线交叉处有MOS管为“1”行列选择线交叉处无MOS管为“0”X(行)选位线i位线j存1存0VCC4.2.4只读存储器（ROM）4.2.4.1掩膜53VCC行线列线熔丝熔丝断为“0”为“1”熔丝未断4.2.4.2PROM(一次性编程)特点：出厂时为通用形式，用户可通过加高压、大电流的方法一次结构破坏性写入信息，写入的内容为永久的。VCC行线列线熔丝熔丝断为“0”为“1”熔丝未断4.2544.2.4.3EPROM(多次性编程)(1)浮动栅雪崩注入型MOS电路(FAMOS)G栅极S源D漏紫外线全部擦洗SGDN+N+P基片GDS浮动栅

SiO2+++++___

D端加25V正电压形成浮动栅S与D不导通为“0”D端不加25V正电压不形成浮动栅S与D导通为“1”4.2.4.3EPROM(多次性编程)(1)浮55初态：出厂时所有FAMOS管浮栅都不带电荷，表示全存“1”；编程：通常脱机采用专门的编程器进行。写“0”：源、漏间加25V高压，字线加编程脉冲，形成浮栅，阻止沟道使源、漏不导通，存“0”；写“1”：存储元保持初态既可；保持：当高压去除后，由于硅栅被绝缘层包围，电荷无处泄漏，故FAMOS管一直保持导通，使存入信息长期维持下去。（2）EPROM工作原理：初态：出厂时所有FAMOS管浮栅都不带电荷，表示全存“1”；56…控制逻辑Y译码X译码数据缓冲区Y控制128×128存储矩阵…………PD/ProgrCSA10A7…A6A0..…DO0…DO7112………………A7A1A0VSSDO2DO0DO1……27162413………………VCCA8A9VPPCSA10PD/ProgrDO3DO7…(3)2716EPROM的逻辑图和引脚PD/ProgrPD/Progr功率下降/编程输入端读出时

为低电平…控制逻辑Y译码X数据缓冲区Y控制128×128…57半导体存储器58特点：擦除和编程均可联机进行，更加方便。电可擦写局部擦写全部擦写(4)EEPROM（电可擦除可编程只读存储器）(5)FlashMemory(快擦型存储器，又称闪存、电子盘)特点：擦除和写入速度更快（1M位的芯片擦、写时间小于5

s）。与EEPROM不同的是只能整体擦或分区擦。

由于闪速存储器具有非电易失性，且读取速度与DRAM接近，写入速度与硬盘接近，因此目前逐渐用来替代软、硬盘，称为半导体盘，具有无机械运动，抗震性好，可靠性高等优点，发展前景看好特点：擦除和编程均可联机进行，更加方便。(4)EEPROM59存储器类型种类可擦除性写机制易散失性RAM随机电、字节级电信号易散失MROM只读不能掩膜位写非散失PROM只读不能电信号非散失EPROM写一读多紫外线芯片级电信号非散失EEPROM写多读多电，字节级电信号非散失FLASH写多读多电，块级电信号非散失存储器类型种类可擦除性写机制易散失性RAM随机电、字节级电信60（1）地址线的连接：CPU通过地址总线向存储器发送地址，理论上地址总线的低位可直接与各存储芯片的地址引脚相连，高位和片选译码器输入端相连；（2）数据线的连接：CPU通过数据总线与存储器交换数据，因此存储器的数据引出线与数据总线按位连通即可；（3）读/写线的连接：CPU通过控制总线中的相应信号线向存储器发读/写令，则存储器的-WE线与控制总线中的读/写命令线连通即可。对ROM没有－WE。(4)片选线的连接：CPU控制总线中的-MREQ（访存请求）信号与片选译码器使能输入端相连即可。(5)合理选用芯片：通常ROM存放系统程序，RAM存放用户程序(6)其他:时序、负载4.2.5存储器与CPU的连接（1）地址线的连接：CPU通过地址总线向存储器发送地址，理论611.读操作：CPU从指定的存储单元取出信息的过程（1）CPU将地址信号发送到地址总线（2）CPU发出读命令（3）读出信息经数据总线送至CPU2.写操作：CPU将要写入的信息存入指定的存储单元（1）CPU将地址信号发送到地址总线（2）CPU将要写入的数据发送到数据总线（3）CPU发出写命令（4）等待信息经数据总线送至CPUCPU对主存的读写操作1.读操作：CPU从指定的存储单元取出信息的过程CPU对主存622K

×8位ROM

1K

×4位

RAM1K

×4位

RAM………&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2A……MREQA14A15A13A12A11A10A9A0…D7D4D3D0WR…………例CPU与存储器的连接图………74hc1382K×8位ROM1K×4位RAM1K×4位R634.3高速缓冲存储器（Cache)4.3.1概述4.3.1.1问题的提出缓存CPU主存解决CPU与I/O的访存冲突解决高性能与低价位的矛盾1）依据：CPU访存的局部性原理2）目的：用小容量的SRAM与大容量的DRAM构成一个性能近似于SRAM价格相当于DRAM的存储系统。4.3高速缓冲存储器（Cache)4.3.1644.3.1.2Cache的工作原理(1)主存和缓存的编址主存和缓存按块存储块的大小相同B为块长~~~~……主存块号主存储器012m－1字块0字块1字块M－1主存块号块内地址m位b位n位M块B个字缓存块号块内地址c位b位C块B个字~~~~……字块0字块1字块C－1012c－1标记Cache缓存块号4.3.1.2Cache的工作原理(1)主存和缓存的65CPUCacheMEMORY主存地址字块CPUCacheMEMORY主存地址字块66(2)命中与未命中缓存共有C块主存共有M块M>>C主存块调入

缓存主存块与缓存块建立

了对应关系用标记记录

与某缓存块建立了对应关系的主存块号命中未命中主存块与缓存块未建立

对应关系主存块未调入

缓存(2)命中与未命中缓存共有C块主存共有M块M>>67(3)Cache的命中率CPU欲访问的信息在Cache中的比率命中率与Cache的容量与块长

有关一般每块可取4~8个字块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度CRAY_116体交叉块长取16个存储字

IBM370/1684体交叉

块长取4个存储字（64位×4

=

256位）(3)Cache的命中率CPU欲访问的信息在Cach68(4)Cache–主存系统的效率效率e

与命中率有关

设Cache命中率

为h，访问Cache的时间为tc

，

访问主存的时间为tm

则

e=×100%tc

h

×

tc+(1－h)×tm访问Cache的时间平均访问时间

e=×100%(4)Cache–主存系统的效率效率e与命中率有691）Cache的内容与主存之间的映象关系2）如何实现地址的转换，将访问的主存地址转换成Cache地址3）访问Cache未命中时，若Cache没有满，如何调入Cache；Cache满时，块如何替换4）Cache的一致性问题，即块的更新策略4.3.1.3实现Cache的功能要解决的问题1）Cache的内容与主存之间的映象关系2）如何实现地址的转70数据总线Cache替换机构可装进？命中？主存Cache地址映象变换机构主存访问主存替换CacheCache存储体块号块内地址直接通路访问主存装入CacheNNYY块号块内地址CPU主存地址地址总线Cache地址4.3.1.4Cache的基本结构Cache替换机构由CPU完成Cache存储体主存Cache地址映象变换机构数据总线Cache替换机构可装进？命中？主存Cache主714.3.2Cache—主存地址映象地址映象：为了把信息放到Cache中,必须应用某种函数把主存地址映象到Cache,称作地址映象.地址变换：在信息按照这种映象关系装入Cache后,执行程序时,应将主存地址变换成Cache地址,这个变换过程叫做地址变换.基本地址映象方式:直接映象、全相联映象、组相联映象、段相联映象等4.3.2Cache—主存地址映象地址映象：为了把信724.3.3Cache的读写操作

访问Cache取出信息送CPU

访问主存取出信息送CPU将新的主存块调入Cache中执行替换算法腾出空位

结束命中？Cache满？CPU发出访问地址

开始是否是否读

4.3.3Cache的读写操作访问Cach73Cache和主存的一致性写写直达法（Write–through）写回法（Write–back）写操作时数据既写入Cache又写入主存

写操作时只把数据写入Cache而不写入主存当Cache数据被替换出去时才写回主存

写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现写操作时间就是访问Cache的时间，读操作Cache失效发生数据替换时，被替换的块需写回主存，增加了Cache的复杂性Cache和主存的一致性写写直达法（Write–744.3.4Cache的改进

(1)增加Cache的级数片载（片内）Cache片外Cache(2)统一缓存和分开缓存指令Cache数据Cache与主存结构有关与指令执行的控制方式有关是否流水Pentium8K指令Cache8K数据CachePowerPC62032K指令Cache

32K数据Cache4.3.4Cache的改进(1)增加Cache754.4辅助存储器4.4.1概述

4.4.1.1特点

与主存相比容量大,速度慢,价格低,可脱机保存信息。辅助存储器用于存放当前不需立即使用的信息,一旦需要,再和主存成批地交换数据。因此，辅存不直接和CPU交换信息。辅助存储器主要有磁表面存储器和光存储器两大类.磁表面存储器是将磁性材料沉积在盘片(或带)的基体上形成记录介质,并以绕有线圈的磁头与记录介质的相对运动来写入或读出信息.磁表面存储器有数字式磁记录,如硬盘,软盘和磁带.模拟式磁记录,如录音,录像设备光存储器主要是光盘,它是利用激光束在具有感光特性的表面上存储信息.4.4辅助存储器4.4.1概述4.4.1.1特点764.4.1.2.磁表面存储器的技术指标1）记录密度：单位长度或单位面积内所存储二进制信息量。对磁盘存储器用道密度和位密度表示,也可以用两者的乘积——面密度表示.对磁带存储器,则主要用位密度表示.磁道是磁盘表面上的许多同心圆.在有多个盘片构成的盘组中,由处在同一半径的磁道组成的一个圆柱面,称为柱面.4.4.1.2.磁表面存储器的技术指标1）记录密度：单位77道密度：沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道/英寸(简称TPI)或道/毫米（TPM）。磁道具有一定的宽度,叫道宽.它取决于磁头的工作间隙长度及磁头定位精度等因素.为避免干扰,磁道与磁道之间需保持一定距离,相邻两条磁道中心线之间的距离叫道距.位密度或线密度：单位长度磁道所能记录二进制信息的位数。单位是位/英寸（bpi)或位/毫米（bpm）注意：各磁道上所记录的信息量是相同的而位密度不同对于磁带,其磁道是沿着磁带长度方向的直线,存储密度主要用位密度来衡量.例如,常用磁带的记录密度有800bpi,1600bpi和6250bpi等多种.道密度：沿磁盘半径方向单位长度的磁道数。单位是道/英寸(简称782）存储容量：辅存所能存储的二进制信息总量以磁盘存储器为例c=n*k*sc存储总容量，n存放信息的盘面数，k每盘磁道数，s每道二进制数。格式化容量:指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量,也就是用户真正可以使用的容量。非格式化容量:磁记录表面可以利用的磁化单元总数.将磁盘存储器用于计算机系统中,必须首先进行格式化操作,然后才能供用户记录信息,格式化容量一般约为非格式化容量的60%～70%。3)数据传输率：磁表面存储器在单位时间内与主机之间传送数据的位数或字节数，它与记录密度D和记录介质的运动速度V有关：Dr＝D×V。4）误码率：误码率是衡量磁表面存储器出错概率的参数.它等于从辅存读出时,出错信息位数和读出的总信息位数之比2）存储容量：辅存所能存储的二进制信息总量795）平均寻址时间磁盘存储器采取直接存取方式时,寻址时间包括两部分:一是磁头寻找目标磁道所需的找道时间ts;二是找到磁道以后,磁头等待所需要读写的区段旋转到它的下方所需要的等待时间tw.

由于寻找相邻磁道和从最外面磁道找到最里面磁道所需的时间不同,磁头等待不同区段所花的时间也不同,因此,取它们的平均值,称作平均寻址时间Ta,它由平均找道时间Tsa和平均等待时间Twa组成:Ta=Tsa+Twa=(tsmax+tsmin)/2+(twmax+twmin)/2磁带存储器采取顺序存取方式,不需要寻找磁道,但需要考虑磁头寻找记录区的等待时间,寻址时间指的是磁带空转到磁头应访问记录区所在位置的时间.5）平均寻址时间由于寻找相邻磁道和从最外面磁道804.4.2磁记录原理和记录方式4.4.2.1磁记录原理

写：在磁头线圈中加入磁化电流（写电流），并使磁层移动，在磁层上形成连续的小段磁化区域。局部磁化单元载磁体写线圈SNI局部磁化单元写线圈SN铁芯磁通磁层写入“0”写入“1”I4.4.2磁记录原理和记录方式4.4.2.1磁记录原81磁记录原理N读线圈S读线圈SN铁芯磁通磁层运动方向运动方向ssttffee读出“0”读出“1”读磁头线圈中不加电流，磁层移动。当位单元的转变区经过磁头下方时，在线圈两端产生感应电势。磁通变化的区域读出信号磁记录原理N读线圈S读线圈SN铁芯磁通磁层运动方向运动方向824.4.2.2磁表面存储器的记录方式磁记录方式又称编码方式，它是按某种规律将一串二进制数字信息变成磁表面相应的磁化状态。1）归零制（RZ）记录“1”时通正向脉冲电流；“0”时通反向脉冲电流在记录两位信息之间驱动电流归零2）不归零制（NRZ）记录1时电流正向流动，记录0时电流反向流动。当连续记录1或0时电流方向不变，当相邻两位代码不同时电流方向翻转，称为“见变就翻”的不归零制。3）见“1”就翻的不归零制（NRZ1）记录1时电流改变方向；记录0时保持原来的电流方向。4）调相制（PM）记录“0”时电流由负变正；“1”时由正变负。且电流变化出现在一位信息记录时间的中间时刻。这样在两个相邻位记录信息相同时在交界处电流方向变化，不同时不变4.4.2.2磁表面存储器的记录方式磁记录方式又称编码方835）调频制（FM）在记录单元起始处不论是记录0还是1，都要改变电流方向，产生翻转；在一个记录单元中间点，记录1时改变电流方向，产生翻转，记录0时不改变电流方向，不产生翻转。这样记录1的频率是记录0的频率的1倍。6）改进调频制（MFM）当二进制信息中出现连续0时，其记录单元的交界处翻转一次。在其它情况下（0->1,1->0,1->1)其记录单元的交界处不翻转；在一个记录单元的中间点，记录1时改变电流方向，产生磁化翻转，记录0时不改变电流方向，不产生磁化翻转。3.评价记录方式的主要指标1）编码效率：位密度与磁化翻转密度的比值，可用记录一位信息的最大磁化翻转次数来表示。例：FM、PM：一个位周期磁化最多翻转2次，则编码效率为50%；

MFM、NRZ、NRZ1：一个位周期磁化最多翻转1次，则编码效率为100%；5）调频制（FM）6）改进调频制（MFM）3.评价记录方式的842）自同步能力：指从单个磁道读出信息提取同步脉冲的难易程度。磁表面存储器的同步方式：两种外同步：专门设置用来记录同步信息的磁道（同步磁道）。

这种同步方式读出时，同步磁道与被访磁道一起读出，读出信息经放大整形后和同步信号相“与”，产生读出数据代码。

此方式影响记录密度的提高。自同步：不设同步磁道，同步信息从读出信息中提取，然后反过来再对读出信息进行同步，并选通出读出数据（自己同步自己）。

自同步要求读出信息在一个位周期时间内至少有一个感应信号，因此，NRZ和NRZ1制均无自同步能力，而RZ、PM、FM和MFM制均有自同步能力。2）自同步能力：指从单个磁道读出信息提取同步脉冲的难易程度。85磁表面存储器的记录方式的时序011100010数据序列RZNRZNRZ1PMFMMFMT位周期磁表面存储器的记录方式的时序011100010数据序列RZN864.4.3硬磁盘存储器1）按磁头的工作方式移动磁头磁盘存储器:存取数据时,磁头在磁盘盘面上径向移动,磁头与盘面不接触,且随气流浮动,称为浮动磁头.盘片的每面都有一个磁头.固定磁头磁盘存储器:磁头位置固定,磁盘的每一个磁道都对应一个磁头,盘片也不可更换.其特点是存取速度快.省去了磁头沿盘片径向运动找道时间.2）按磁盘的可替换性可换盘存储器:指磁盘不用时可以从驱动器中取出脱机保存.这种磁盘可以在兼容的磁盘存储器间交换数据,由于可脱机保存故便于扩大存储容量.为了达到可靠地交换数据的目的磁盘的道密度要适当降低.固定盘存储器:是指磁盘不能从驱动器中取出,更换时要把整个“头盘组合体”一起更换4.4.3.1硬盘分类4.4.3硬磁盘存储器1）按磁头的工作方式4.4.3.187温彻斯特磁盘（温盘）1973年，IBM研制成功了一种新型的硬盘IBM3340这种硬盘拥有几个同轴的金属盘片，盘片上涂着磁性材料。它们和可以移动的磁头共同密封在一个盒子里面，磁头能从旋转的盘片上读出磁信号的变化--这就是我们今天是用的硬盘的祖先，IBM把它叫做温彻斯特硬盘。1980年，希捷(Seagate)公司制造出了个人电脑上的第一块温彻斯特硬盘，这个硬盘与当时的软驱体积相仿，容量5MB。温盘是目前使用最广，可靠性最好，最方便实用的一种磁盘。其特点为：将磁头和盘片、驱动部分、读写电路密封在一个盒子内，称为“头盘组合体”。更换时要对整个头盘组合体作一次整体更换。头盘组合体内部结构属可移动头固定盘片组结构。温彻斯特磁盘（温盘）1973年，IBM研制成功了一种新型的硬884.4.3.2硬磁盘存储器结构磁盘控制器磁盘驱动器盘片主机4.4.3.2硬磁盘存储器结构磁盘控制器磁盘89半导体存储器90磁盘磁盘组主轴磁头音圈电机位置检测定位驱动模拟控制放大闭环自动控制系统由磁盘控制器送来的目标磁道信号测速输出读写臂传动机构主轴定位驱动数据控制(1)磁盘驱动器磁盘磁盘组主轴磁头音圈电机位置检测定位驱动模拟控制放大闭环自91(2)磁盘控制器接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令实现主机和驱动器之间的数据格式转换控制磁盘驱动器读写通过总线(3)盘片对主机对硬盘（设备）磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口由硬质铝合金材料制成(2)磁盘控制器接受主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控921）几个概念

盘面：每张盘片具有上、下两面，均可用来记录信息，称为盘面。对于多片盘片组成的盘组，通常最上面、最下面不用，作为保护面。

记录区：盘片中间有一个圆孔，穿在主轴上。为保证信息的可靠性，通常靠近主轴孔和盘边的部分不用，因此信息记录在盘面上一个环状的有效记录区内。

磁道：磁头在盘面上记录信息的轨迹为许多由内向外排列的同心圆，称为“磁道”。二进制信息沿磁道串行分布。

圆柱面：盘组记录信息时为了节省磁头移动时间，通常在一个磁道存满后，继续存放在另一盘面的同一磁道上，则不同盘面的同一磁道可看成是一圆柱面，存取操作沿柱面进行。4.4.3.3硬盘的记录格式1）几个概念4.4.3.3硬盘的记录格式93扇区：一个盘面通常分成若干区，称为扇区。这样，每条磁道就被分为若干个扇段。扇段为磁盘寻址的最小单位，而不是字节。扇区的大小可由硬件划分，称“硬分区”；也可由软件划分，称“软分区”。硬分区：在盘面上两个扇区的交界处打孔或缺口，通过光电检测等手段对这些孔进行检测，硬件上设扇区计数器，每检测到一个孔，就发一个脉冲（扇标脉冲），对计数器进行计数，则计数器中从0开始的计数值即为扇区号。

软分区：不设扇标脉冲，扇区的划分通过软件将格式信息写入磁道进行。不论是软分区还是硬分区，为了标识一个磁道信息的起始，都在每个磁道的起始处打一个索引孔，通过光电检测的方法获得一个脉冲，称为“0索引”。随着磁盘的旋转，0索引脉冲的到来标志着0扇区的开始。磁盘地址：台号柱面号盘面号扇段号磁道号磁头号扇区：一个盘面通常分成若干区，称为扇区。这样，每条磁942）定长记录格式：

扇区中存放的数据块大小固定。这种格式较适合硬分区的结构，简单但记录区的空间利用率不高。

3）不定长记录格式：

扇区中存放的数据块大小可变。这种格式较适合软分区的情况，灵活性和空间利用率较高。2）定长记录格式：

扇区中存放的数据块大小固定。95例4.6磁盘组有六片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内径22厘米，外径33厘米，道密度为40道/厘米，内层密度为400位/厘米，转速2400转/分，问：

（1）共有多少存储面可用？

（2）共有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？

（4）数据传输率是多少？例4.6磁盘组有六片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内径96解：（1）若去掉两个保护面，则共有：

6X2-2=10个存储面可用；

（2）有效存储区域

=（33-22）/2=5.5cm

柱面数=40道/cmX5.5=220道

（3）内层道周长=22=69.08cm

道容量=400位/cmX69.08cm

=3454B

面容量=3454BX220道

=759，880B

盘组总容量=759，880BX10面

=7，598，800B（4）转速=2400转/60秒

=40转/秒

数据传输率=3454BX40转/秒

=138，160B/S

解：（1）若去掉两个保护面，则共有：

974.4.4软磁盘存储器4.4.4.1概述速度磁头盘片价格环境硬盘软盘高低固定、活动活动固定盘、盘组大部分不可换可换盘片苛刻浮动接触盘片高低4.4.4软磁盘存储器4.4.4.1概述速度磁头盘片价984.4.4.2软盘片由聚酯薄膜制成保护套主轴孔实际的软盘片写保护口读/写磁头访问槽衬里/清洁材料4.4.4.2软盘片由聚酯薄膜制成保护套主轴孔实际的软盘片99应用激光在某种介质上写入信息,然后再利用激光读出信息的技术称为光存储技术.如果光存储使用的介质是磁性材料,亦即利用激光在磁记录介质上存储信息,就称为磁光存储.光盘的分类⑴只读型光盘(CD-ROM)⑵只写一次型光盘(WORM)⑶可擦写型光盘⑷光盘库(光盘自动换盘机)CD-R刻录机：是一次性写入的刻录机有SCSI和IDE接口两种,用于数据备份或娱乐.CD-RW：是可擦写的刻录机,可刻录CD-RW和CD-R光盘.光盘库：它的基本构件①光盘架,存放光盘②1~5个光盘机③机械手(换盘机构)④控制器4.4.5光盘存储器4.4.5.1概述应用激光在某种介质上写入信息,然后再利用激光读出100

形变：对光盘写入时,将激光束聚焦成直径小于1μm的微小光点,以其热作用,融化盘表面上的光存储介质薄膜,在薄膜上形成凹坑.坑的边缘形成“1”,无坑的地方或坑底都是“0”.读出时,凹坑边缘反射的光有变化,信息为“1”,平坦处(坑底也是)反射的光无变化,信息为“0”.由于读出光束的功率只有写入光束功率的1/10,因此不会融出新的凹坑.形变：对光盘写入时,将激光束聚焦成直径小于1μ101⒈硬盘容量大,数据传输率高,等待时间短,关键技术是提高位密度bpi和道密度TPI,采用温彻斯特技术将磁头盘片和定位系统组合在一个密封的盒内.为了用于便携机,更提出了减轻重量,承受撞击的要求,为降低功耗,还必须有电源管理控制功能等⒉软盘软盘片可灵活装卸,便于携带和交换,介质又便宜,既可存储系统和应用软件,又可用于数据输入输出用户用软盘片作为自己的小数据库和软件库.光磁软盘容量可达几十MB~200MB⒊磁带数据传输率低,容量