1、微机原理与接口技术微机原理与接口技术作者：徐建平作者：徐建平 成贵学成贵学 第第6 6章章 微型计算机中的存储器微型计算机中的存储器【本章内容提要本章内容提要】n了解存储器的分类和性能指标了解存储器的分类和性能指标n掌握两种典型的随机存取存储器的结构和原掌握两种典型的随机存取存储器的结构和原理理n掌握两种典型只读存储器的结构和原理掌握两种典型只读存储器的结构和原理n掌握高速缓冲存储器的原理掌握高速缓冲存储器的原理n了解常用外部存储器的结构和主要性能指标了解常用外部存储器的结构和主要性能指标6.1 存储器入门存储器入门n存储器是用来存储程序和数据的主要部存储器是用来存储程序和数据的主要部件，是计
2、算机系统的重要组成部分。有件，是计算机系统的重要组成部分。有了存储器，计算机就具有了记忆功能，了存储器，计算机就具有了记忆功能，从而保证计算机正常工作。从而保证计算机正常工作。6.1.1 存储器的分类存储器的分类n按照存储器在微机系统中作用的不同，存储器按照存储器在微机系统中作用的不同，存储器可分为外存储器和内存储器可分为外存储器和内存储器。n按照存储介质的不同，存储器可分为半导体存按照存储介质的不同，存储器可分为半导体存储器、磁介质存储器和光存储器。储器、磁介质存储器和光存储器。n按照存取方式的不同，内存储器可分为随机存按照存取方式的不同，内存储器可分为随机存取存储器（取存储器（RAM）和只
3、读存储器（）和只读存储器（ROM）。）。6.1.2 存储器的性能指标存储器的性能指标n存储器容量存储器容量：存储器中所包含存储单元的总：存储器中所包含存储单元的总数，单位是字节（数，单位是字节（B）。存储器容量越大，存）。存储器容量越大，存储的信息越多，计算机的性能也就越强。储的信息越多，计算机的性能也就越强。n存取时间存取时间：存储器完成一次读写操作所需的：存储器完成一次读写操作所需的时间，单位为时间，单位为ns（纳秒，（纳秒，1ns10-9s）。）。n故障平均间隔时间故障平均间隔时间（MTBF）：）：MTBF越长，越长，可靠性越高。可靠性越高。n连续两次读写操作之间所需的最短时间间隔连续两
4、次读写操作之间所需的最短时间间隔称为称为存储周期存储周期。n存储器每秒钟可读写的数据量称为存储器每秒钟可读写的数据量称为存储器带存储器带宽宽或或数据传输速率数据传输速率，单位为，单位为Bps（或（或B/s）。）。n存取周期和存储器带宽也常作为存储器的性存取周期和存储器带宽也常作为存储器的性能指标。能指标。6.2 随机存取存储器随机存取存储器n随机存取存储器随机存取存储器RAM（Random Access Memory）也称为）也称为随机读随机读/写存储器写存储器，n它既可以直接从任何一个指定的存储单元中它既可以直接从任何一个指定的存储单元中读出数据，也可以将数据写入任何一个指定读出数据，也可以
5、将数据写入任何一个指定的存储单元中。的存储单元中。n随机存取存储器可分为随机存取存储器可分为静态随机存取存储器静态随机存取存储器（SRAM）和）和动态随机存取存储器动态随机存取存储器（DRAM）两大类。两大类。n多个基本存储单元排列成矩阵的形式称为多个基本存储单元排列成矩阵的形式称为存存储体储体n一个存储体往往由多个芯片组成。一个存储体往往由多个芯片组成。n因此，系统每次访问存储器时，首先要选片，因此，系统每次访问存储器时，首先要选片，CPU对被选中的芯片上的存储单元可进行读对被选中的芯片上的存储单元可进行读/写操作。写操作。6.2.1 静态随机存取存储器静态随机存取存储器6264n静态静态R
6、AM的基本存储电路是由的基本存储电路是由6个个MOS管构成的触发器，每个触发器存储一位管构成的触发器，每个触发器存储一位二进制信息。二进制信息。n静态静态RAM的集成度低，与动态的集成度低，与动态RAM相相比，它不需要设置刷新电路，故扩展电比，它不需要设置刷新电路，故扩展电路比较简单。路比较简单。n由于静态由于静态RAM是通过有源电路来保持存是通过有源电路来保持存储器中的数据，因此它的功耗大。储器中的数据，因此它的功耗大。n静态静态RAM的单片容量有不同的规格，的单片容量有不同的规格，目前最常用的有目前最常用的有6116（2K8）和）和6264（8K8）。）。n下面介绍典型的静态下面介绍典型的
7、静态RAM 6264。、6264的引脚及其功能的引脚及其功能 6264是一个是一个8K8位静态随机存取位静态随机存取存储器芯片，其引脚包含存储器芯片，其引脚包含n13条地址线条地址线A0A12n8条双向数据线条双向数据线D0D7n2个片选控制端个片选控制端CS1和和CS2n1个输出允许端个输出允许端OEn1个写允许端个写允许端WE2静态静态RAM 6264RAM 6264的工作过程的工作过程n从静态从静态RAM 6264RAM 6264芯片某个存储单元中读出芯片某个存储单元中读出数据的时序图如图数据的时序图如图6-26-2所示，过程如下：所示，过程如下：3与系统的连接与系统的连接 静态静态RA
8、M 6264RAM 6264与系统的连接方法如下：与系统的连接方法如下：n芯片上的数据线直接连接到系统总线的数据总线上芯片上的数据线直接连接到系统总线的数据总线上n由于由于CPUCPU总线的总线的低位地址低位地址决定了每个存储单元的决定了每个存储单元的片内片内地址地址，故将芯片的地址线直接连接到系统总线的低，故将芯片的地址线直接连接到系统总线的低位地址线上；位地址线上；nOEOE和和WEWE分别同分别同MEMWMEMW和和MEMRMEMR相接，使系统总线的读相接，使系统总线的读/写写信号控制芯片的读信号控制芯片的读/写操作；写操作；CSCS2 2接高电平接高电平5V5V。n由于由于CPUCPU
9、总线的总线的高位地址高位地址决定了决定了芯片的地址芯片的地址范围范围，故将高位地址线通过一个译码器产生，故将高位地址线通过一个译码器产生CSCS1 1片选信号。片选信号。n将所有高位地址线作为译码器输入，从而得将所有高位地址线作为译码器输入，从而得到存储器芯片地址范围的译码连接方式称为到存储器芯片地址范围的译码连接方式称为全地址译码连接全地址译码连接。计算地址范围的方法是：计算地址范围的方法是：n译码器的输入信号（译码器的输入信号（A A1919AA1313）为）为00111110011111（高（高7 7位地址），位地址），n低低1313位地址（位地址（A A1212AA0 0）可以是全）可
10、以是全0 0到全到全1 1之间之间。图图6-4 62646-4 6264的全地址译码连接的全地址译码连接 n只将系统总线的部分高位地址线作为译码器只将系统总线的部分高位地址线作为译码器的输入，从而得到存储器芯片地址范围的译的输入，从而得到存储器芯片地址范围的译码连接方式称为码连接方式称为部分地址译码连接部分地址译码连接。n如图如图6-56-5所示，所示，A A1616和和A A1818两条高位地址线未参两条高位地址线未参加译码，故该芯片在内存中的地址范围为加译码，故该芯片在内存中的地址范围为AE000HAE000HAFFFFHAFFFFH，BE000HBE000HBFFFFHBFFFFH，EE
11、000HEE000HEFFFFHEFFFFH和和FE000HFE000HFFFFFHFFFFFH。n这意味着系统可用的存储空间减少了。这意味着系统可用的存储空间减少了。6.2.2动态随机存取存储器动态随机存取存储器2164n动态动态RAMRAM的基本存储电路是的基本存储电路是MOSMOS电路中的栅极电容，电路中的栅极电容，它是以电容上电荷的存储和转移来存储信息的它是以电容上电荷的存储和转移来存储信息的n电容上有无电荷被视为逻辑电容上有无电荷被视为逻辑1 1和和0 0。n由于电容上的电荷会泄露，需要定时充电来保证存由于电容上的电荷会泄露，需要定时充电来保证存储内容不丢失，因此，动态储内容不丢失，
12、因此，动态RAMRAM需要设置刷新电路需要设置刷新电路n扩展电路比较复杂。扩展电路比较复杂。n但与静态但与静态RAMRAM相比，动态相比，动态RAMRAM集成度高、功耗低，故集成度高、功耗低，故成本也低，适于作大容量存储器。成本也低，适于作大容量存储器。1 121642164的引脚及内部结构的引脚及内部结构n21642164是一个是一个64K64K1 1位的动态位的动态RAMRAM芯片芯片n其引脚包含其引脚包含8 8条地址线条地址线A A0 0AA7 7n数据输入端数据输入端D DININ，数据输出端，数据输出端D DOUTOUTn行地址选通行地址选通RASRAS，列地址选通，列地址选通CAS
13、CASn写允许端写允许端WEWE（高电平时为数据读出，低（高电平时为数据读出，低电平时为数据写入），如图电平时为数据写入），如图6-66-6所示。所示。n21642164的容量为的容量为64K64K，故应需要，故应需要1616条地址线来条地址线来对它进行寻址。对它进行寻址。n但实际上但实际上21642164只有只有8 8条地址线条地址线n为此，采用行地址和列地址为此，采用行地址和列地址分时分时传送的方法传送的方法来确定芯片内存储单元的地址来确定芯片内存储单元的地址n行地址和列地址共用行地址和列地址共用8 8条地址线。条地址线。n21642164芯片的内部结构如图芯片的内部结构如图6-76-7所
14、示，所示，n64KB64KB的存储体由的存储体由4 4个个128128128128的存储矩阵构成的存储矩阵构成n每个存储矩阵由每个存储矩阵由7 7条行地址线和条行地址线和7 7条列地址线条列地址线选择相应的存储单元。选择相应的存储单元。n7 7条行地址线经过译码器产生条行地址线经过译码器产生128128条行选择线，条行选择线，可选择可选择128128行；行；n7 7条列地址线经过译码器产生条列地址线经过译码器产生128128条列选择线，条列选择线，可选择可选择128128列。列。2 2动态动态RAM 2164RAM 2164的工作过程的工作过程 3 3动态动态RAM 2164RAM 2164的
15、刷新的刷新n动态动态RAMRAM与静态与静态RAMRAM最大的不同就是不能长时最大的不同就是不能长时间保存数据。间保存数据。n由于电容不能长期保持其内部存储的电荷，由于电容不能长期保持其内部存储的电荷，因此它需要在电荷消失之前进行刷新操作，因此它需要在电荷消失之前进行刷新操作，以保持电荷稳定。以保持电荷稳定。n这种通过对动态这种通过对动态RAMRAM的存储单元执行的存储单元执行重读操重读操作作，以保持电荷稳定的过程称为，以保持电荷稳定的过程称为动态存储器动态存储器的刷新的刷新。n刷新是按行进行的，故只需由行选通信号刷新是按行进行的，故只需由行选通信号RASRAS激活每一行的存储单元，而不需要列
16、选激活每一行的存储单元，而不需要列选通信号通信号CASCAS，即可完成对指定行的刷新。，即可完成对指定行的刷新。n例如，在例如，在PC/XTPC/XT微型机中，动态微型机中，动态RAMRAM刷新是利刷新是利用用DMADMA控制器实现的，当控制器实现的，当DMADMA控制器接收到控制器接收到DMADMA请求时，便送出到刷新的行地址，从而请求时，便送出到刷新的行地址，从而完成指定行的刷新。完成指定行的刷新。6.2.3 存储器的扩展存储器的扩展n在实际应用中，由于单片存储器芯片的容量在实际应用中，由于单片存储器芯片的容量很有限，很难满足实际存储容量的要求，很有限，很难满足实际存储容量的要求，n因此，
17、常需要用多片存储器芯片构成一个大因此，常需要用多片存储器芯片构成一个大容量的存储器。容量的存储器。1 1位扩展位扩展n位扩展是指增加存储器的位扩展是指增加存储器的字长字长，即对每个存，即对每个存储单元的位数进行扩展。储单元的位数进行扩展。n例如，怎样用例如，怎样用8K8K1 1的的RAMRAM芯片构成芯片构成8K8K8 8的的存储器系统存储器系统?n由于存储器的字数与存储器芯片的字数相同，由于存储器的字数与存储器芯片的字数相同，8K=28K=21313，故需要，故需要1313条地址线（条地址线（A A1212A A0 0）对芯）对芯片内的存储单元寻址；由于每个芯片只有片内的存储单元寻址；由于每
18、个芯片只有1 1条数据线，故需要条数据线，故需要8 8片这样的芯片片这样的芯片 2 2字扩展字扩展n字扩展是指增加存储器字扩展是指增加存储器字字的数量，即对存储的数量，即对存储单元的个数进行扩展。单元的个数进行扩展。n例如，怎样用例如，怎样用4 4个个16K16K8 8芯片构成一个芯片构成一个64K64K8 8的存储器系统？的存储器系统？n由于由于16K=216K=21414，故每个芯片有，故每个芯片有1414位地址线，位地址线，8 8条数据线。条数据线。3 3字位扩展字位扩展n字位扩展是指字扩展和位扩展的组合。字位扩展是指字扩展和位扩展的组合。n若使用若使用L LK K位存储器芯片构成一个容
19、量为位存储器芯片构成一个容量为M MN N位位(ML(ML，NK)NK)的存储器，那么这个存储的存储器，那么这个存储器共需要器共需要(M/L)(M/L)(N/K)(N/K)个存储器芯片。个存储器芯片。n连接时可将这些芯片分成连接时可将这些芯片分成(M/L)(M/L)个组，每组有个组，每组有(N/K)(N/K)个芯片，组内采用位扩展法，组间采用个芯片，组内采用位扩展法，组间采用字扩展法。字扩展法。6.3 只读存储器只读存储器n只读存储器只读存储器ROMROM（Read-Only MemoryRead-Only Memory）是一）是一种非易失性的半导体存储器。种非易失性的半导体存储器。n它的特点
20、是：数据只能读出不能写入，并它的特点是：数据只能读出不能写入，并且存储的数据稳定，不会因断电而消失，且存储的数据稳定，不会因断电而消失，n常用于存储不需要更改的程序和数据。常用于存储不需要更改的程序和数据。ROMROM有以下几种类型：有以下几种类型：n掩膜只读存储器掩膜只读存储器ROMROM：存储的信息在制造过：存储的信息在制造过程中就固化好了，用户只能读出其信息而不程中就固化好了，用户只能读出其信息而不能加以修改。能加以修改。n可编程只读存储器可编程只读存储器PROMPROM（Programmable Programmable ROMROM）：只允许写入一次数据，写入后不允：只允许写入一次数
21、据，写入后不允许修改。用特殊的方法将信息写入的过程称许修改。用特殊的方法将信息写入的过程称为编程。为编程。n紫外线可擦除可编程只读存储器紫外线可擦除可编程只读存储器EPROMEPROM（Erasable PROMErasable PROM）：）：具有擦除功能，擦出具有擦除功能，擦出后可重新写入，可重复使用。利用紫外线照后可重新写入，可重复使用。利用紫外线照射把存储的内容擦除，再利用高电压重新编射把存储的内容擦除，再利用高电压重新编程写入。程写入。n电可擦除可编程只读存储器电可擦除可编程只读存储器EEPROMEEPROM（Electrically EPROMElectrically EPROM）
22、：）：与与EPROMEPROM类似，类似，只是使用电信号进行擦除，比只是使用电信号进行擦除，比EPROMEPROM更为更为方便。方便。n闪速存储器（闪速存储器（Flash MemoryFlash Memory）：）：新型的新型的半导体存储器，具有非易失性、电擦除半导体存储器，具有非易失性、电擦除性和高可靠性。性和高可靠性。6.3.1 EPROM 27646.3.1 EPROM 2764n可擦除重写只读存储器可擦除重写只读存储器EPROM 2764EPROM 27641 1EPROM 2764EPROM 2764的引脚及其功能的引脚及其功能n27642764是一个是一个8K8K8 8位的紫外线可
23、擦除可编程只位的紫外线可擦除可编程只读存储器芯片，其引脚定义及功能如下：读存储器芯片，其引脚定义及功能如下：A A0 0A A1212：1313条地址线，该芯片上有条地址线，该芯片上有8K8K（2 2131381928192）个存储单元。）个存储单元。D D0 0D D7 7：8 8条数据线，每个存储单元存储一个条数据线，每个存储单元存储一个字节的信息。字节的信息。CECE：选片控制端，为低电平时，表示该：选片控制端，为低电平时，表示该芯片被选中。芯片被选中。OEOE：输出允许端，为低电平时，表示从：输出允许端，为低电平时，表示从数据线输出数据。数据线输出数据。PGMPGM：编程脉冲输入端。对
24、：编程脉冲输入端。对EPROMEPROM编程时，编程时，输入编程脉冲；读操作时，输入高电平。输入编程脉冲；读操作时，输入高电平。VppVpp是编程电源；是编程电源；VccVcc是主电源。是主电源。2 2EPROM 2764EPROM 2764的读出操作的读出操作 3 3EPROM 2764EPROM 2764的编程写入的编程写入n对对EPROMEPROM的编程方式有两种：标准编程方式的编程方式有两种：标准编程方式和快速编程方式。和快速编程方式。n标准编程方式是指每出现一个编程负脉冲标准编程方式是指每出现一个编程负脉冲就写入一个字节的数据。就写入一个字节的数据。具体编程过程如下：具体编程过程如下
25、：V VCCCC接接5V5V，V VPPPP加上芯片要求的高电压（如加上芯片要求的高电压（如VppVpp+25V+25V）；）；将要编程存储单元的地址送到将要编程存储单元的地址送到A A0 0A A1212；使使CECE为低电平，为低电平，OEOE为为高电平高电平；将要写入的数据送到将要写入的数据送到D D0 0D D7 7；上述信号稳定后，在上述信号稳定后，在PGMPGM端加上端加上50505ms5ms的负脉冲；的负脉冲；将一个字节的数据写入相应的存储单元中。将一个字节的数据写入相应的存储单元中。重复这个过程，即可完成整个芯片的写入。重复这个过程，即可完成整个芯片的写入。n如果其他操作不变，
26、只是在每写入一个单元如果其他操作不变，只是在每写入一个单元的数据后将的数据后将OEOE变为低电平，则可以对每次写变为低电平，则可以对每次写入的数据进行校验，或者全部写完后再进行入的数据进行校验，或者全部写完后再进行校验。校验。n快速编程快速编程方式使用的是宽度方式使用的是宽度很窄很窄的编程脉冲，的编程脉冲，编程过程与标准编程方式相同，可对出现错编程过程与标准编程方式相同，可对出现错误的单元进行多次重写。误的单元进行多次重写。4 4EPROM 2764EPROM 2764的擦除操作的擦除操作nEPROMEPROM允许擦除上万次，一片新的或擦除干允许擦除上万次，一片新的或擦除干净的净的EPROME
27、PROM芯片，其每个存储单元的内容都芯片，其每个存储单元的内容都是是0FFH0FFH。n擦除时，用紫外线照射擦除时，用紫外线照射EPROMEPROM窗口窗口15152020分分钟即可擦除干净。只有擦除干净的钟即可擦除干净。只有擦除干净的EPROMEPROM才才能对其进行编程。能对其进行编程。6.3.2 6.3.2 电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器EEPROM 98C64EEPROM 98C64 n电可擦除只读存储器电可擦除只读存储器1 1EEPROM98C64EEPROM98C64的引脚及其功能的引脚及其功能n98C6498C64是一个是一个8K8K8 8位电可擦除可编程只读位电可擦除可编
28、程只读存储器芯片存储器芯片 引脚定义及功能如下引脚定义及功能如下 A A0 0A A1212：1313条地址线，该芯片上有条地址线，该芯片上有8K8K（2 2131381928192）个存储单元。个存储单元。D D0 0D D7 7：8 8条数据线，每个存储单元存储一个字节条数据线，每个存储单元存储一个字节的信息。的信息。CECE：选片控制端，为低电平时，表示该芯片被选：选片控制端，为低电平时，表示该芯片被选中。中。OEOE：输出允许端，当：输出允许端，当CECE和和OEOE为低电平、为低电平、WEWE为高电为高电平时，可以将选中内存单元中的数据读出。平时，可以将选中内存单元中的数据读出。WE
29、WE：写允许端，当：写允许端，当CECE为低电平、为低电平、OEOE为高电平、为高电平、WEWE为低电平时，可以将数据写入选定的存储单元。为低电平时，可以将数据写入选定的存储单元。READY/BUSYREADY/BUSY：状态输出端，写入数据时，输出低：状态输出端，写入数据时，输出低电平；写操作结束后，输出高电平。电平；写操作结束后，输出高电平。2 2EEPROM 98C64EEPROM 98C64的读出操作的读出操作n98C6498C64的读出操作的过程与的读出操作的过程与EPROMEPROM和和RAMRAM芯片芯片相似，只要当相似，只要当CECE和和OEOE为低电平、为低电平、WEWE为高
30、电平为高电平时，就可以将选中内存单元中的数据读出时，就可以将选中内存单元中的数据读出。3 3EEPROM 98C64EEPROM 98C64的编程写入的编程写入n对对EPROMEPROM的编程方式有两种：的编程方式有两种：字节写入字节写入方式和方式和自动页写入自动页写入方式。方式。n字节写入方式是指每次写入一个字节的数据。字节写入方式是指每次写入一个字节的数据。n自动页写入方式是指每次写完一页的数据。自动页写入方式是指每次写完一页的数据。n一页数据包含一页数据包含3232个字节，低位地址个字节，低位地址A A4 4AA0 0用于用于在页内寻址；高位地址在页内寻址；高位地址A A1212AA5
31、5为页地址，用于为页地址，用于决定访问哪一页数据。决定访问哪一页数据。n只有当一页数据写入完成后，即只有当一页数据写入完成后，即READY/BUSYREADY/BUSY端的状态由低电平变为高电平时，才能开始端的状态由低电平变为高电平时，才能开始下一页数据的写入下一页数据的写入。4 4EEPROM 98C64EEPROM 98C64的擦除操作的擦除操作n98C6498C64的擦除的擦除操作的过程与编程写入是一样的操作的过程与编程写入是一样的，只是擦除时向存储单元中写入的都是只是擦除时向存储单元中写入的都是0FFH0FFH。n擦除的方式可以是字节擦除和整片擦除。擦除的方式可以是字节擦除和整片擦除。
32、n字节擦除操作的过程同字节写入的过程相同。字节擦除操作的过程同字节写入的过程相同。n整片擦除的方法是：将整片擦除的方法是：将FFHFFH送到送到D D0 0D D7 7上，使上，使CECE为低电平，为低电平，WEWE为低电平，并在为低电平，并在OEOE端加上端加上15V15V电压，保持电压，保持10ms10ms，即，即可将整个芯片擦除干可将整个芯片擦除干净净。6.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器n在存储系统的层次结构中，高速缓冲存储在存储系统的层次结构中，高速缓冲存储器（器（CacheCache）是介于中央处理器和主存储器）是介于中央处理器和主存储器之间的一级存储器。之间的一级存储器。n它采用
33、的是速度更快、价格更高的半导体它采用的是速度更快、价格更高的半导体静态存储器，用来存放当前使用最频繁的静态存储器，用来存放当前使用最频繁的程序和数据，目的是提高程序和数据，目的是提高CPUCPU对存储器的访对存储器的访问速度。问速度。6.4.1 Cache的工作原理的工作原理CacheCache的实现原理是：的实现原理是：n将将CPUCPU最近最可能用到的指令或数据从主存最近最可能用到的指令或数据从主存复制到复制到CacheCache中中n当当CPUCPU下次再用到这些信息时，就不必访问下次再用到这些信息时，就不必访问慢速的主存，而直接从快速的慢速的主存，而直接从快速的CacheCache中得
34、到中得到n从而提高访问速度。从而提高访问速度。6.4.2 Cache的地址映射的地址映射n被复制到被复制到Cache中的数据在内存中的地中的数据在内存中的地址与在址与在Cache中的地址之间的对应关系中的地址之间的对应关系称为称为Cache的地址映射。的地址映射。n为了方便管理，将主存和为了方便管理，将主存和Cache都分成大小都分成大小相等的若干页。相等的若干页。n设主存容量为设主存容量为2n，Cache容量为容量为2m，页的大，页的大小为小为2p（即页内地址有（即页内地址有p位），则主存的页位），则主存的页号（即页地址）共有号（即页地址）共有np位，位，Cache页号共页号共有有mp位。位
35、。n这样，在进行地址映射时，就是把主存页映这样，在进行地址映射时，就是把主存页映射到射到Cache页上（即页号的映射）。页上（即页号的映射）。Cache通常使用的映射方法有三种：通常使用的映射方法有三种：n全相联映射：允许主存的任意一页映射到全相联映射：允许主存的任意一页映射到Cache的任意一页。这种方法的冲突概率小，的任意一页。这种方法的冲突概率小，但实现的硬件价格昂贵。但实现的硬件价格昂贵。n直接映射：主存的页号直接映射：主存的页号B与与Cache的页号的页号b需满足：需满足：bB mod 2m-p。这种方法实现简。这种方法实现简单、速度快，但冲突概率高。单、速度快，但冲突概率高。n组相
36、联映射：将主存和组相联映射：将主存和Cache分组，再将主分组，再将主存进一步分区，采用组间直接映射和组内全存进一步分区，采用组间直接映射和组内全相联映射的方法。相联映射的方法。6.4.3 Cache的替换策略的替换策略n当当CPU访问的数据不在访问的数据不在Cache中（即中（即Cache不命中）时，要访问主存，并把数据所在的不命中）时，要访问主存，并把数据所在的页调入页调入Cache，以替换，以替换Cache中的页。中的页。Cache的替换策略有：的替换策略有：n随机替换算法：从随机替换算法：从Cache中随机地选一页替换。中随机地选一页替换。n先进先出（先进先出（FIFO）算法：选择最先
37、调入的页）算法：选择最先调入的页替换。替换。n最近最少使用（最近最少使用（LRU）算法：选择最近最少使）算法：选择最近最少使用的页替换。用的页替换。n最久没有使用（最久没有使用（LFU）算法：选择最长时间不）算法：选择最长时间不使用的页替换。使用的页替换。6.4.4 Cache与主存的一致性与主存的一致性nCache中保存的数据实际上是主存中相应数中保存的数据实际上是主存中相应数据的副本。据的副本。n当当CPU要访问的数据在要访问的数据在Cache中时，中时，CPU将将直接访问直接访问Cache而不是访问主存。而不是访问主存。n如果如果CPU改变了改变了Cache中的内容，而主存的中的内容，而
38、主存的内容没有变，这时，就要考虑内容没有变，这时，就要考虑Cache与主存与主存的一致性问题。的一致性问题。对于这种情况，常用的解决方法有：对于这种情况，常用的解决方法有：n写贯穿法（写贯穿法（WT）：在对）：在对Cache进行写操作进行写操作的同时，也写入主存，如图的同时，也写入主存，如图6-18所示。所示。n回写法（回写法（WB）：在对）：在对Cache进行些操作时，进行些操作时，不写入主存，只是在不写入主存，只是在Cache中加以标记。只中加以标记。只有当有当Cache中的数据被再次更改时，才将原中的数据被再次更改时，才将原更新的数据写入主存，如图更新的数据写入主存，如图6-19所示。所
39、示。6.5 外部存储器外部存储器 6.5.1 6.5.1 硬盘的结构与主要性能硬盘的结构与主要性能指标指标n硬盘由具有磁性物质的硬盘由具有磁性物质的多个盘片多个盘片制成，并且这些盘制成，并且这些盘片重叠起来被密封于金属壳体内。片重叠起来被密封于金属壳体内。n磁盘片是硬盘存储数据的载体，磁盘片的表面为磁盘片是硬盘存储数据的载体，磁盘片的表面为记记录面录面，被划分成若干个不同半径的同心圆，称为，被划分成若干个不同半径的同心圆，称为磁磁道道。n硬盘是通过磁道上磁性物质的状态来存储信息的。硬盘是通过磁道上磁性物质的状态来存储信息的。n磁盘的每个记录面都有一个磁头，磁头固定在磁头磁盘的每个记录面都有一个
40、磁头，磁头固定在磁头架上，用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态。架上，用来读取或者修改盘片上磁性物质的状态。n磁盘片在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，磁磁盘片在主轴电机的带动下以很高的速度旋转，磁头通过磁头架的径向移动实现磁道的选择。头通过磁头架的径向移动实现磁道的选择。n磁盘上的信息是按区域存放的，称为记录区。磁盘上的信息是按区域存放的，称为记录区。n将磁盘上的每个磁道划分为若干个扇形区域，将磁盘上的每个磁道划分为若干个扇形区域，每个区域叫做一个每个区域叫做一个扇区扇区。n为了定位每个记录区，首先应为为了定位每个记录区，首先应为磁头磁头、磁道磁道和和扇区扇区进行编号。进行编号。n对磁道的编
41、号按照由外向内的顺序，依次是对磁道的编号按照由外向内的顺序，依次是0磁道到磁道到n磁道。因此，信息的存放位置可以磁道。因此，信息的存放位置可以表示为：表示为：磁头，磁头，磁道，磁道，扇区。扇区。决定硬盘性能的几个重要指标决定硬盘性能的几个重要指标的意义如下：的意义如下：容量容量：目前常见的硬盘存储容量有：目前常见的硬盘存储容量有120GB120GB，160GB160GB、180GB180GB、250GB250GB、500GB500GB等。等。转速转速：转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因：转速是决定硬盘内部数据传输率的决定因素之一，也是区别硬盘档次的重要标志。现在主素之一，也是区别硬盘档次的重
42、要标志。现在主流的硬盘转速一般为流的硬盘转速一般为7200rpm7200rpm（转（转/分钟）或更高。分钟）或更高。高速缓存高速缓存：高速缓存是为解决硬盘与：高速缓存是为解决硬盘与CPUCPU之间的速之间的速度不匹配问题而设置的，缓存越大越有利于提高度不匹配问题而设置的，缓存越大越有利于提高硬盘的读写速度。目前主流硬盘的缓存主要有硬盘的读写速度。目前主流硬盘的缓存主要有2MB2MB、8MB8MB和和16MB16MB。平均寻道时间平均寻道时间：平均寻道时间是指磁头移动到数：平均寻道时间是指磁头移动到数据所在磁道需要的时间。目前主流硬盘的平均寻据所在磁道需要的时间。目前主流硬盘的平均寻道时间一般在
43、道时间一般在9ms9ms以下。以下。6.5.2 6.5.2 光盘的构造与光驱的主光盘的构造与光驱的主要性能指标要性能指标n光盘是利用光信号进行读光盘是利用光信号进行读/写信息的存储写信息的存储介质，具有存取速度快、存储容量大、介质，具有存取速度快、存储容量大、可靠性高等优点。可靠性高等优点。常见光盘有常见光盘有CDCD和和DVDDVD两种类型。如果从使用的角两种类型。如果从使用的角度来划分，度来划分，CDCD光盘和光盘和DVDDVD光盘又可分为：光盘又可分为：nCD-ROMCD-ROM与与DVD-ROMDVD-ROM（只读型光盘）：生产厂家在出（只读型光盘）：生产厂家在出厂时已预先写入数据信息
44、，用户只能读取不能写入厂时已预先写入数据信息，用户只能读取不能写入或修改。或修改。nCD-RCD-R与与DVD-RDVD-R（一次写入型光盘）：用户可以写入（一次写入型光盘）：用户可以写入信息，但只能写入一次，信息一旦写入后，将永久信息，但只能写入一次，信息一旦写入后，将永久地保存在光盘上，只能读取不能重写或修改。地保存在光盘上，只能读取不能重写或修改。nCD-RWCD-RW与与DVD-RWDVD-RW（可擦写光盘）：用户可重复读写。（可擦写光盘）：用户可重复读写。CD-ROMCD-ROM的构造的构造光盘驱动器的主要性能指标有光盘驱动器的主要性能指标有：n数据传输速率数据传输速率：指光驱在：指
45、光驱在1 1秒内所能读取的最秒内所能读取的最大数据量，大数据量，150KB/s150KB/s的数据传输速率为单倍速的数据传输速率为单倍速光驱，目前光驱，目前CD-ROMCD-ROM所能达到的最大所能达到的最大CDCD读取速读取速度是度是5656倍速。倍速。n平均访问时间平均访问时间：又称：又称平均寻道时间平均寻道时间，指光驱，指光驱从接到读取命令后到实际读出第一个数据位从接到读取命令后到实际读出第一个数据位之间的时间延迟，单位为之间的时间延迟，单位为msms（毫秒）。（毫秒）。n高速缓存高速缓存：提供一个数据缓冲，用于临时：提供一个数据缓冲，用于临时存放从光盘中读取的数据，能在一定程度存放从光
46、盘中读取的数据，能在一定程度上提高数据传输效率。目前市面上流行的上提高数据传输效率。目前市面上流行的光驱都在光驱都在128KB256KB128KB256KB，甚至有的达到，甚至有的达到512KB512KB。nCPUCPU占用时间占用时间：指光驱在维持一定的转速和：指光驱在维持一定的转速和数据传输速率时所占用数据传输速率时所占用CPUCPU的时间的时间6.5.3 U6.5.3 U盘的结构与主要性能指标盘的结构与主要性能指标 U U盘是基于盘是基于USBUSB接口、以闪存芯片为存储介质的接口、以闪存芯片为存储介质的无需驱动器的新一代存储设备。无需驱动器的新一代存储设备。U U盘的结构基本上由盘的结
47、构基本上由以下几部分组成：以下几部分组成：nUSBUSB端口端口：负责连接直接，是数据输入和输出的通道。：负责连接直接，是数据输入和输出的通道。n主控芯片：负责各部件的协调管理和各项动作指令主控芯片：负责各部件的协调管理和各项动作指令的发布。的发布。nFLASHFLASH（闪存）芯片（闪存）芯片：是保存数据的主体，可长期：是保存数据的主体，可长期保存，断电后数据不会丢失。保存，断电后数据不会丢失。nPCBPCB底板：底板：将各部件连接在一起，提供数据处理的平将各部件连接在一起，提供数据处理的平台。台。U U盘的主要性能指标盘的主要性能指标n存储容量存储容量n数据读取速率数据读取速率n数据写入速率数据写入速率n支持接口类型支持接口类型n支持的操作系统支持的操作系统n是否支持分区是否支持分区n加密功能加密功能n数据保存时间等。数据保存时间等。n高端的还有：高端的还有：n智能纠错技术（指在数据写入时，由其内部智能纠错技术（指在数据写入时，由其内部的数据纠错软件对写入数据及时巡检并同原的数据纠错软件对写入数据及时巡检并同原始数据进行核对）。始数据进行核对）。
