考研必备计算机组成原理第4章 存储系统.ppt

第4章存储系统第4章存储系统本章要点：
存储器分类及其工作原理
芯片扩展方法
存储空间管理方法4.1计算机存储系统组织方式基于以上原因，计算机中配置存储器时，需要考虑两方面的问题：
（1）如何利用有限的存储空间尽可能多地存储数据、方便快捷地读出数据。
（2）如何将慢速的磁盘存储器和快速的处理器匹配起来。
第1个问题的解决方法，我们将在4.5节中详细介绍。下面简单介绍第2个问题的解决方法。
为了同时满足用户对容量和速度的要求，计算机系统往往会采用以下的存储器配置方法，如图4-1所示。大容量磁盘存储器处于存储系统的最底层，其主要作用是给计算机系统提供一个较大的存储容量，因此，对它的要求主要是存储容量要尽可能大。
在计算机中配置了磁盘存储器后已经解决了容量问题，为什么还要加内存呢？原因在于匹配CPU和磁盘的速度。从前面的分析我们可以知道，计算机中，CPU的处理速度比磁盘的读写速度快得多，如果不进行速度匹配，则会出现CPU长时间等待磁盘输入数据的情况，从而降低CPU利用率，影响系统性能。内存的读写速度比CPU的速度慢，但是比磁盘快，刚好可以起到速度匹配的作用，同时，因为内存解决的主要问题不是容量问题，所以对其容量的要求不是特别高。寄存器和Cache都是CPU中的存储器，但是二者作用却不完全相同。寄存器的读写速度最快，主要用于直接提供CPU计算所需要的数据；Cache，又叫高速缓存，作用与内存相似，主要用于匹配相对低速的内存和高速的寄存器。由此可见，二者对速度的要求都很高，而对容量的要求则较小。
基于以上的原因，目前市场上的主流磁盘容量都在160G以上，内存的容量大都是512M或1G，而Cache的容量则在1M左右。
思考：联系实际，一台微型计算机存储系统包含那些部件？它们分别存在于计算机那些地方？作用是什么？
4.2半导体存储器芯片介绍掩模式（Masked）ROM：该种ROM不允许用户对其修改。
可编程ROM（ProgrammableROM，PROM）：该种ROM允许用户对其进行一次修改，一旦程序或数据写入则不允许用户再次修改。
可擦除PROM（ErasablePROM，EPROM）：该种ROM允许用户在第一次写入数据后再次进行修改，但是修改时必须先用紫外光擦除原来的数据。
电可擦除PROM（ElectricallyErasableROM，EEPROM又叫E2PROM）：该种存储器与PROM一样可以对数据进行多次修改，但是不同的是E2PROM不需要紫外光擦除，而是采用加电的方式进行擦除。
闪存（Flashmemory）。闪存是电可擦除只读存储器（EEPROM）的变种，所不同的是，闪存的删除写入是以字节为单位，而EEPROM是以整块芯片为单位。现在的U盘、MP3和MP4等都使用的是闪存。4.2.1SRAM芯片的结构和工作原理
1．内部存储单元
SRAM的一个存储单元可以用来保存一位数据，即可保存一个“0”或一个“1”。电路如图4-2所示。图4-2SRAM内部存储单元
电路中使用的T1、T2、T3、T4均是NMOS管。X是单元行地址选择线，Y是单元列地址选择线。作为存储单元电路,该电路至少应该有保持、写入和读出三种状态。（1）保持
图中T1、T2、T3、T4能构成一个双稳态电路。T1和T2在某一时刻只能有一个处于导通状态。当T1截止、T2导通时，节点A处于高电平状态，节点B处于低电平状态。A的高电平可以保证T2持续导通，B的低电平可以保证T1持续截止。反之亦然。如果没有外界因素的影响，该电路的状态将长时间保持。所以，SRAM不需要经常刷新。约定：T1截止、T2导通时表示该单元电路状态为“1”，T1导通、T2截止时表示该单元电路状态为“0”。
从以上分析可以看出，A点的状态即为单元电路保存的信息状态，A为高电平时，单元信息为“1”，A为低电平时，单元信息为“0”。因此，读出时，只需要读出A点的状态即可。（2）写入
要对此单元进行写入操作，要选中该单元，并且要将数据放在数据线上。选中时，该单元的行选择线X和列选择线Y都处于高电平状态，X、Y的高电平，使得T5~T8全部导通。如果待写入的数据是“0”，则I/0数据线被置为低电平，数据线被置为高电平，不管A、B之前的状态如何，此时A点将被强制置为低电平，B点将被强制置为高电平，进而使得T1导通而T2截止。反之如果待写入数据为“1”，使得T1截止而T2导通。（3）读出
跟写入一样，读出单元数据时，也要先选中该电源。不同的是，此时往数据线上放数据。选中时，该单元的行选择线X和列选择线Y都处于高电平状态，X、Y的高电平，使得T5~T8全部导通。I/O数据线直接与A点相连，A两点的状态将通过数据线输出。4.2.2DRAM芯片的结构和工作原理
相对于SRAM来说，DRAM具有容易集成、位价格低、容量大和功耗