第6章存儲器及其接口

第6章存儲器及其接口

存儲器是微機的重要組成部分之一，它的種類很多，各種存儲器存儲信息的媒體、存儲原理和方法也各不相同。本章主要以各種微機中廣泛應用的半導體存儲器為對象，在研究存儲器及其基本電路、基礎知識的基礎上，著重研究存儲芯片及其與CPU之間的連接與擴充問題。此外還簡要介紹了磁表面存儲器、光盤存儲器以及一些新型的存儲器。6.1存儲系統(tǒng)的基本概念6.2存儲器的分類與組成6.3隨機存儲器6.4只讀存儲器6.5存儲器的連接6.6幾種新型半導體存儲器6.7高速緩沖存儲器6.8磁表面存儲器6.9光盤存儲器1.掌握半導體存儲器的分類與組成。2.掌握RAM與ROM組成原理與工作原理。3.著重理解RAM與ROM讀寫操作的特性及兩者間的區(qū)別。4.掌握存儲器的擴充技術及連接方法。5.了解新型存儲器的技術發(fā)展動向與趨勢。6.理解鍵盤保護技術。7.了解光盤分類、讀寫原理及其特點。（１）微機存儲系統(tǒng)有三個基本參數(shù)：

容量：以字節(jié)數(shù)表示；

速度：以訪問時間TA、存儲周期TM或帶寬BM表示；TA——從接收讀申請到讀出信息到存儲器輸出端的時間TM——連續(xù)兩次啟動存儲器所需的最小時間間隔 TM>TA

成本：以每位價格表示w——數(shù)據(jù)總線寬度6.1.1存儲系統(tǒng)的層次結構6.1存儲系統(tǒng)的基本概念

（２）訪問時間

外存平均訪問時間ms級 硬盤9－10ms 光盤80－120ms

內存平均訪問時間ns級

SRAMCache1－5ns SDRAM內存7－15ns EDO內存60－80ns EPROM存儲器100－400ns（３）存儲系統(tǒng)的層次結構寄存器Cache主存儲器輔助存儲器(磁盤)大容量存儲器(磁帶)外存儲器內存儲器

存儲器訪問的局部性指處理器訪問存儲器時，無論取指令還是取數(shù)據(jù)，所訪問的存儲單元都趨向于聚集在一個較小的連續(xù)單元區(qū)域中。

時間上的局部性——最近的將來要用到的信息很可能就是現(xiàn)在正在使用的信息，主要由循環(huán)造成。

空間上的局部性——最近的將來要用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在空間上是鄰近的。主要由順序執(zhí)行和數(shù)據(jù)的聚集存放造成。

存儲器的層次結構是依靠存儲器訪問的局部性實現(xiàn)的，存儲器的層次結構的性能由命中率來衡量。6.1.2存儲器訪問的局部性原理

（1）存儲容量

存儲容量是存儲器的一個重要指標。存儲容量是指存儲器可以存儲的二進制信息量，它一般是以能存儲的字數(shù)乘以字長表示的。即存儲容量=字數(shù)×字長如一個存儲器能存4096個字，字長16位，則存儲容量可用4096×16表示。

微型計算機中的存儲器幾乎都是以字節(jié)(8位)進行編址的，也就是說一個字節(jié)是“基本”的字長，所以常常只用可能存儲的字節(jié)數(shù)來表示存儲容量。

存儲容量是反映存儲器存儲能力的指標。

6.1.3半導體存儲器技術性能指標

（2）最大存取時間

存儲器的存取時間定義為存儲器從接收到尋找存儲單元的地址碼開始，到它取出或存入數(shù)據(jù)為止所需的時間。通常手冊上給出這個參數(shù)的上限值，稱為最大存取時間。顯然，它是說明存儲器工作速度的指標。最大存取時間愈短，計算機的工作速度就愈快。半導體存儲器的最大存取時間為十幾ns到幾百ns。

（3）可靠性

可靠性是指存儲器對電磁場及溫度等變化的抗干擾性，半導體存儲器由于采用大規(guī)模集成電路結構，可靠性高，平均無故障時間為幾千小時以上。

（4）其它指標

體積小、重量輕、價格便宜、使用靈活是微型計算機的主要特點及優(yōu)點，所以存儲器的體積大小、功耗、工作溫度范圍、成本高低等也成為人們關心的指標。上述指標，有些是互相矛盾的。這就需要在設計和選用存儲器時，根據(jù)實際需要，盡可能滿足主要要求且兼顧其它。

存儲器是計算機的記憶部件，用來存儲計算機的指令、數(shù)據(jù)和各種信息。

存儲器按它與CPU的連接方式不同可分為：內存儲器－通過CPU的外部總線直接與CPU相連外存儲器－CPU要通過I/O接口電路才能訪問

按存儲器信息的器件和媒體來分有：半導體存儲器、磁表面存儲器、磁泡存儲器磁芯存儲器光盤存儲器等。6.2存儲器的分類與組成

下圖為CPU與存儲器的連接結構示意圖。圖中內存由半導體存儲器芯片組成，外存則有磁帶、硬磁盤和軟磁盤等。半導體存儲器的分類如圖所示。6.2.1半導體存儲器的分類

RAM在程序執(zhí)行過程中，每個存儲單元的內容根據(jù)程序的要求既可隨時讀出，又可隨時寫入，故可稱讀／寫存儲器。它主要用來存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)、中間結果，也用來與外存交換信息和用作堆棧等。RAM所存儲的信息在斷開電源時會立即消失，是一種易失性存儲器。

RAM按工藝又可分為雙極型RAM和MOSRAM兩類，而MOSRAM又可分為靜態(tài)(Static)和動態(tài)(Dynamic)兩種。雙極型RAM的特點是存取速度快，但集成度低，功耗大，主要用于速度要求高的位片式微中；靜態(tài)MOSRAM的集成度高于雙極型RAM,功耗低于雙極型RAM；動態(tài)RAM比靜態(tài)RAM具有更高的集成度,但是它靠電路中柵極電容來儲存信息，由于電容器上的電會泄它需要定時進行刷新。

只讀存儲器ROM按工藝也可分為雙極型和MOS型，但一般根據(jù)信息寫入的方式不同，而分為:掩模式ROM;可編程PROM和可擦除;可再編程EPROM等。

半導體存儲器的組成框圖如圖5.3所示。它一般由存儲體、地址選擇電路、輸入輸出電路和控制電路組成。6.2.2半導體存儲器的組成1.存儲體存儲體是存儲1或0信息的電路實體，它由許多存儲單元組成，每個存儲單元賦予一個編號，稱為地址單元號。而每個存儲單元由若干相同的位組成，每個位需要一個存儲元件。存儲器的地址用一組二進制數(shù)表示，其地址線的位數(shù)n與存儲單元的數(shù)量N之間的關系為：N=2n

n地址線數(shù)與存儲單元數(shù)的關系列于下表中：2.地址選擇電路地址選擇電路包括地址碼緩沖器，地址譯碼器等。地址譯碼器用來對地址碼譯碼。地址譯碼方式有兩種：

(1)單譯碼方式（或稱字結構）它的全部地址只用一個電路譯碼，譯碼輸出的字選擇線直接選中對應地址碼的存儲單元。(2)雙譯碼方式（或稱重合譯碼）

它將地址碼分為X和Y兩部分，用兩個譯碼電路分別譯碼。

Ｘ向譯碼又稱行譯碼，其輸出線稱行選擇線，它選中存儲矩陣中一行的所有存儲單元。

Ｙ向譯碼又稱列譯碼，其輸出線稱列選擇線，它選中一列的所有單元。只有X向和Y向的選擇線同時選中的那一位存儲單元,才能進行讀或寫操作。

3.讀/寫電路與控制電路讀/寫電路包括讀/寫放大器、數(shù)據(jù)緩沖器（三態(tài)雙向緩沖器）等。它是數(shù)據(jù)信息輸入和輸出的通道。外界對存儲器的控制信號有讀信號（ＲＤ）、寫信號（ＷＲ）和片選信號（ＣＳ）等，通過控制電路以控制存儲器的讀或寫操作以及片選。只有片選信號處于有效狀態(tài)，存儲器才能與外界交換信息。

隨機(讀寫)存儲器按信息存儲方式可分為靜態(tài)RAM(StaticRAM,簡稱SRAM)和動態(tài)RAM(DynamicRAM,簡稱DRAM)。

（1）

SRAM的特點讀寫速度快；所用管子數(shù)目多，單個器件容量??；

T1、T2總有一個處于到通狀態(tài)，功耗較大；

SRAM通常用來做Cache。6.3隨機存儲器6.3.1靜態(tài)RAM（SRAM）（2）SRAM的基本存儲電路SRAM的基本存儲電路，是由６個RAM管組成的RS觸發(fā)器.如圖5.5所示：從上頁圖可以開出：用來存儲1位二進制信息(0或1)的基本存儲電路，是組成存儲器的基礎。T1,T3及T2,T4兩個NMOS反相器交叉耦合組成雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路。其中T3,T4為負載管，T1,T2為反相管，T5,T6為選通管。T1和T2的狀態(tài)決定了存儲的1位二進制信息。

這對交叉耦合晶體管的工作狀態(tài)是，當一個晶體管導通時，另一個就截止；反之亦然。假設T1導通，T2截止時的狀態(tài)代表1；相反的狀態(tài)即T2導通，T1截止時的狀態(tài)代表0，即A點的電平高低分別代表1或0。

當行線X和列線Y都為高電平時，開關管T5,T6,T7,T8均導通，該單元被選中，于是便可以對它進行讀或寫操作。

讀操作：當讀控制信號為高電平而寫控制信號為低電平時，T1和T2斷開，T3導通，于是觸發(fā)器的狀態(tài)(A點的電平)便通過T6,T8和T3讀出至數(shù)據(jù)線上，且觸發(fā)器的狀態(tài)不因讀出操作而改變。寫操作：當寫控制信號為高電平而讀控制信號為低電平時，T1和T2導通，T3斷開，可進行寫操作。若數(shù)據(jù)線為高電平，則T2輸出的高電平通過T8,T6加至T1的柵極，具有反相的T1輸出低電平通過T7,T5加至T2的柵極。不管T1,T2原來狀態(tài)如何，迫使T1導通、T2截止，使觸發(fā)器置成1狀態(tài)。若數(shù)據(jù)線為低電平時，則與上述情況相反，迫使T1截止，T2導通，使觸發(fā)器置成0狀態(tài)。（3）SRAM的組成SRAM的結構組成原理圖如圖5.6所示：

利用基本存儲電路排成陣列，再加上地址譯碼電路和讀寫控制電路就可以構成讀寫存儲器。下面以4行4列的16個基本存儲電路構成16×1靜態(tài)RAM為例來說明RAM原理，見下頁圖所示。這是一個16×1的存儲器(即一共16個字，而每個字僅為1位)，它由以下幾部分組成：16×1SRAM原理圖

(1)16個基本存儲電路組成的4×4存儲矩陣；(2)2套(行與列)地址譯碼電路；(3)4套列開關管(即圖中的T7,T8，這里每個列方向4個基本存儲電路共用一套)；(4)一套讀寫控制電路。該存儲器的控制信號有兩個，一個為片選信號，低電平有效，用來選擇應訪問的芯片。有效時，該芯片被選中，才能進行讀寫操作。另一個是寫允許信號或讀寫控制信號R/，規(guī)定低電平時存儲器進行寫操作；高電平時存儲器進行讀操作。數(shù)據(jù)線為一條，雙向，三態(tài)。

當給定地址碼以后，例如A3A2A1A0=0000,則A1A0經行地址譯碼電路使0行線為高電平，A3A2經列地址譯碼電路使0列線為高電平，于是0基本存儲電路被選中。這時若CS為高電平，不管WE為什么狀態(tài)，讀控制、寫控制均為低電平，三態(tài)門1、2、3均斷開，該片不工作；若CS為低電平且WE為低電平時，寫控制為高電平，可進行寫操作；若CS為低電平且WE為高電平時，讀控制為高電平，可進行讀操作。同理，當?shù)刂反aA3A2A1A0=0100時，4基本存儲電路被選中；當A3A2A1A0=1100時，12基本存儲電路被選中。（4）SRAM的讀/寫過程

讀出過程:

①地址碼A0－A11加到RAM芯片的地址輸入端，經X與Y地址譯碼器譯碼，產生行選與列選信號，選中某一存儲單元，該單元中存儲的代碼，經一定時間，出現(xiàn)在I／O電路的輸入端。I/O電路對讀出的信號進行放大、整形，送至輸出緩沖寄存器。緩沖寄存器一般具有三態(tài)控制功能，沒有開門信號，所存數(shù)據(jù)還不能送到DB上。②在送上地址碼的同時，還要送上讀/寫控制信號（R/W或RD、WR）和片選信號（CS）。讀出時，使R/W＝１，CS＝０，這時，輸出緩沖寄存器的三態(tài)門將被打開，所存信息送至DB上。于是，存儲單元中的信息被讀出。

寫入過程:①地址碼加在RAM芯片的地址輸入端，選中相應的存儲單元，使其可以進行寫操作。②將要寫入的數(shù)據(jù)放在DB上。③加上片選信號CS＝０及寫入信號R/W＝０。這兩個有效控制信號打開三態(tài)門使DB上的數(shù)據(jù)進入輸入電路，送到存儲單元的位線上，從而寫入該存儲單元。

（4）靜態(tài)RAM芯片舉例靜態(tài)RAM芯片有2114、2142、6116、6264等。例如：常用的Intel6116是CMOS靜態(tài)RAM芯片，屬雙列直插式、21引腳封裝。它的存儲容量為2K×8位，其引腳及內部結構框圖如圖5.7所示：

DRAM芯片是以MOS管柵極電容是否充有電荷來存儲信息的，其基本單元電路一般由四管、三管和單管組成，以三管和單管較為常用。由于它所需要的管子較少，故可以擴大每片存儲器芯片的容量，并且其功耗較低，所以在微機系統(tǒng)中，大多數(shù)采用動態(tài)RAM芯片。6.3.2動態(tài)RAM（DRAM）1）DRAM芯片的結構存儲矩陣地址總線I/O緩沖器數(shù)據(jù)總線讀寫控制/動態(tài)刷新電路RAS地址鎖存器CASWE

2）DRAM的特點所用管子少，芯片位密度高；功耗??；需要刷新；存取速度慢；DRAM主要用來做內存。3）DRAM的種類

FPMDRAM存取時間80-100nsEDODRAM 存取時間50-70ns SDRAM 存取時間6-10ns(1）動態(tài)基本存儲電路

①三管動態(tài)基本存儲電路三管動態(tài)基本存儲電路如圖5.8所示，它由３個管子和兩條字選擇線，兩條數(shù)據(jù)線組成。

寫入操作時，寫選擇線上為高電平，Ｔ1導通。待寫入的信息由寫數(shù)據(jù)線通過Ｔ1加到Ｔ2管的柵極上，對柵極電容Cg充電。若寫入１，則Cg上充有電荷；若寫入０，則Cg上無電荷。寫操作結束后，Ｔ1截止，信息被保存在電容Cg上。

讀出操作時，先在Ｔ4管柵極加上預充電脈沖，使Ｔ4管導通，讀數(shù)據(jù)線因有寄生電容CD而預充到１（VDD）。然后使讀選擇線為高電平，Ｔ3管導通。若Ｔ2管柵極電容Cg上已存有“１”信息，則Ｔ2管導通。這時，讀數(shù)據(jù)線上的預充電荷將通過Ｔ3,Ｔ2而泄放，于是，讀數(shù)據(jù)線上為０。若Ｔ2管柵極電容上所存為“０”信息，則Ｔ2管不導通，則讀數(shù)據(jù)線上為１。因此，經過讀操作，在讀數(shù)據(jù)線上可以讀出與原存儲相反的信息。若再經過讀出放大器反相后，就可以得到原存儲信息了。

對于三管動態(tài)基本存儲電路，即使電源不掉電，Cg的電荷也會在幾毫秒之內逐漸泄漏掉，而丟失原存１信息。為此，必須每隔１ms～３ms定時對Cg充電，以保持原存信息不變，此即動態(tài)存儲器的刷新（或叫再生）。刷新要有刷新電路，如圖5.8所示，若周期性地讀出信息，但不往外輸出（這由讀信號ＲＤ為高電平來保證），經三態(tài)門（由刷新信號ＲＦＳＨ為低電平時使其導通）反相，再寫入Cg，就可實現(xiàn)刷新。

器件工作溫度增高會使放電速度變快。刷新時間間隔一般要求在1——100ms內，工作溫度為70℃時，典型的刷新時間間隔為2ms。一般C=0.2pF，若允許C兩端電壓變化差為ΔV=1V，泄漏電流I=10-10A，則ΔT=

因此，2ms以內必須對存儲信息進行刷新。盡管一行中的各個基本存儲電路在讀出或寫入時都進行了刷新，但對存儲器中各行的訪問具有隨機性，無法保證一個存儲器模塊中的每一個存儲單元都能在2ms內進行一次刷新。只有通過專門的存儲器刷新周期對存儲器進行定時刷新才能保證存儲器刷新的系統(tǒng)性。在存儲器刷新周期中，將一個行地址發(fā)送給存儲器器件，然后執(zhí)行一次讀操作，便可完成對選中的行中各基本存儲電路的刷新。刷新周期和正常的存儲器讀周期的不同之處主要有以下幾點：(1)在刷新周期中輸入至存儲器器件的地址一般并不來自地址總線，而是由一個以計數(shù)方式工作的寄存器提供。

每經過一次(即一行)存儲器刷新，該計數(shù)器加1，所以它可以順序提供所有的行地址，每一行中各個基本存儲電路的刷新是同時進行的，所以不需要列地址。而在正常的讀周期中，地址來自地址總線，既有行地址，又有列地址。(2)在存儲器刷新周期中，存儲器模塊中每塊芯片的刷新是同時進行的，這樣可以減少刷新周期數(shù)。而在正常的讀周期中，只能選中一行存儲器芯片。(3)在存儲器刷新周期中，存儲器模塊中各芯片的數(shù)據(jù)輸出呈高阻狀態(tài)，即片內數(shù)據(jù)線與外部數(shù)據(jù)線完全隔離。從用于刷新的時間來說，刷新可采用“集中”或“分散”兩種方式的任何一種。

集中刷新方式是在信息保存允許的時間范圍(2ms)內，集中一段時間對所有基本存儲電路一行一行地順序進行刷新，刷新結束后再開始工作周期。散刷新方式是把各行的刷新分散在2ms的期間內完成。

動態(tài)RAM的缺點是需要刷新邏輯，而且刷新周期存儲器模塊不能進行正常讀/寫操作。但由于動態(tài)RAM集成度高、功耗低和價格便宜，所以在大容量的存儲器中普遍采用。

②單管動態(tài)基本存儲電路

單管動態(tài)基本存儲電路如圖5.9所示，它Ｔ1管和寄生電容Cs組成。

寫入時，使字選線上為高電平，T1管導通，待寫入的信息由位線D（數(shù)據(jù)線）存入Cs。

讀出時，同樣使字選線上為高電平，T1管導通，則存儲在Cs上的信息通過T1管送到D線上，再通過放大，即可得到存儲信息。

為了節(jié)省面積，電容Cs不可能做得很大，一般使Cs＜Cd。這樣，讀出“1”和“0”時電平差別不大，故需要鑒別能力高的讀出放大器。此外，Cs上的信息被讀出后，其記存的電壓由0.2V下降為0.1V。這是一個破壞性讀出，要保持原存信息，讀出后必須重寫。因此，使用單管電路，其外圍電路比較復雜。但由于使用管子最少，4K以上容量較大的RAM，大多采用單管電路。（2）動態(tài)RAM芯片舉例Intel2116單管動態(tài)RAM芯片的引腳和邏輯符號如圖5.10所示。Intel2116單管動態(tài)RAM芯片引腳名稱見表5.2。

Intel2116芯片的存儲容量為16K×1位，需要14條地址輸入線，但2116只有16條引腳。由于受封裝引線的限制，只用了A0到A67條地址輸入線，數(shù)據(jù)線只有1條(1位)，而且數(shù)據(jù)輸入(DIN)和輸出(DOUT)端是分開的，他們有各自的鎖存期。寫允許信號WE為低電平時表示允許寫入，為高電平時可以讀出。如表5.2指出，它需要3種電源。Intel2116的內部結構如圖5.11所示：

綜上所述，動態(tài)基本存儲電路所需管子的數(shù)目比靜態(tài)的要少，提高了集成度，降低了成本，存取速度快。但由于要刷新，需要增加刷新電路，外圍控制電路比較復雜。靜態(tài)ＲＡＭ盡管集成度低些，但靜態(tài)基本存儲電路工作較穩(wěn)定，也不需要刷新，所以外圍控制電路比較簡單。究竟選用哪種ＲＡＭ，要綜合比較各方面的因素決定。ROM的存儲元件如圖5.12所示：它可以看作是一個單向導通的開關電路。當字線上加有選中信號時，如果電子開關Ｓ是斷開的，位線Ｄ上將輸出信息１；如果Ｓ是接通的，則位線Ｄ經Ｔ１接地，將輸出信息0。6.4只讀存儲器6.4.1只讀存儲器存儲信息的原理和組成

ROM的組成結構與RAM相似，一般也是由地址譯碼電路、存儲矩陣、讀出電路及控制電路等部分組成。圖5.13是有16個存儲單元、字長為1位的ROM示意圖。16個存儲單元，地址碼應為4位，因采用復合譯碼方式，其行地址譯碼和列地址譯碼各占兩位地址碼。

對某一固定地址單元而言，僅有一根行選線和一根列選線有效，其相交單元即為選中單元，再根據(jù)被選中單元的開關狀態(tài)，數(shù)據(jù)線上將讀出0或1信息例如，若地址Ａ3～Ａ0為0110，則行選線Ｘ2及列選線Ｙ1有效（輸出低電平），圖中，有*號的單元被選中，其開關Ｓ是接通的，故讀出的信息為０。當片選信號有效時，打開三態(tài)門，被選中單元所存信息即可送至外面的數(shù)據(jù)總線上。圖中所示僅是16個存儲單元的1位，8個這樣的陣列，才能組成一個16×8位的ROM存儲器。（1）不可編程掩模式MOS只讀存儲器不可編程掩模式MOSROM又稱為固定存儲器，其內部存儲矩陣的結構如圖5.13所示。它是由器件制造廠家根據(jù)用戶事先編好的機器碼程序，把0、1信息存儲在掩模圖形中而制成的ROM芯片。這種芯片制成以后，它的存儲矩陣中每個MOS管所存儲的信息0或1被固定下來，不能再改變，而只能讀出。如果要修改其內容，只有重新制作。因此，它只適用于大批量生產，不適用于科學研究。6.4.2只讀存儲器的分類

（2）可編程存儲器

為了克服上述掩模式MOSROM芯片不能修改內容的缺點，設計了一種可編程序的只讀存儲器PROM(ProgrammableROM），用戶在使用前可以根據(jù)自己的需要編制ROM中的程序。熔絲式PROM的存儲電路相當于圖5.12的元件原理圖，其中的電子開關S改為一段熔絲，熔絲可用鎳鉻絲或多晶硅制成。

假定在制造時，每一單元都由熔絲接通，則存儲的都是０信息。如果用戶在使用前根據(jù)程序的需要，利用編程寫入器對選中的基本存儲電路通以20mA－50mA的電流，將熔絲燒斷，則該單元將存儲信息１。這樣，便完成了程序修改。由于熔絲燒斷后，無法再接通，所以，PROM只能一次編程.編程后，不能再修改。

（3）可擦除、可再編程的只讀存儲器

PROM芯片雖然可供用戶進行一次修改程序，但仍很局限。為了便于研究工作，試驗各種ROM程序方案，就研制了一種可擦除、可再編程的ROM，即EPROM（ErasablePROM）。

在EPROM芯片出廠時，它是未編程的。若EPROM中寫入的信息有錯或不需要時，可用兩種方法來擦除原存的信息。一種是利用專用的紫外線燈對準芯片上的石英窗口照射10－20分鐘，即可擦除原寫入的信息，以恢復出廠的狀態(tài)，經過照射后的EPROM，就可再寫入信息。寫好信息的EPROM為防止光線照射，常用遮光紙貼于窗口上。這種方法只能把存儲的信息全部擦除后再重新寫入，它不能只擦除個別單元或某幾位的信息，而且擦除的時間也越長。紫外線擦除EPROM的時間較長，并且不能只擦除個別單元的信息。

近幾年來，采用金屬－氮－氧化物－硅（MNOS）工藝生產的MNOS型PROM，它是一種利用電來改寫的可編程只讀存儲器，即EEPROM（E2PROM），這種只讀存儲器的E2PROM的主要特點是能在應用系統(tǒng)中進行在線讀寫，并可按字節(jié)進行擦除和改寫。E2PROM除了并行傳送數(shù)據(jù)芯片外，還有各種容量串行傳送數(shù)據(jù)芯片。串行E2PROM具有體積小、成本低、電路連接簡單、占用系統(tǒng)地址線和數(shù)據(jù)線少等優(yōu)點。

但是，E2PROM有存取速度慢，完成改寫程序需要較復雜的設備等缺點，現(xiàn)在正在迅速發(fā)展高密度、高存取速度的E2PROM技術。（1）Intel2716的引腳與內部結構2716EPROM芯片的容量為2K×8位，采用NMOS工藝和雙列直插式封裝，其引腳、邏輯符號及內部結構見圖5.14（a）、（b）及（c）。6.4.3EPROM芯片實例----Intel2716（2）2716的工作方式2716的工作方式見表5.3所示：

本章要解決兩個問題：一個是如何用容量較小、字長較短的芯片，組成微機系統(tǒng)所需的存儲器；另一個是存儲器與ＣＰＵ的連接方法與應注意的問題。6.5存儲器的連接（1）位數(shù)的擴充用１位或４位的存儲器芯片構成８位的存儲器，可采用位并聯(lián)的方法。例如，可以用８片２Ｋ×１位的芯片組成容量為２Ｋ×８位的存儲器，如圖5.15所示。這時，各芯片的數(shù)據(jù)線分別接到數(shù)據(jù)總線的各位，而地址線的相應位及各控制線，則并聯(lián)在一起。圖5.16則是用２片１Ｋ×４位的芯片，組成１Ｋ×８位的存儲器的情況。這時，一片芯片的數(shù)據(jù)線接數(shù)據(jù)總線的低4位，另一片芯片的數(shù)據(jù)線則接數(shù)據(jù)總線的高4位。而兩片芯片的地址線及控制線則分別并聯(lián)在一起。6.5.1存儲器芯片的擴充技術

（2）地址的擴充

當擴充存儲容量時，采用地址串聯(lián)的方法。這時，要用到地址譯碼電路，以其輸入的地址碼來區(qū)分高位地址，而以其輸出端的控制線來對具有相同低位地址的幾片存儲器芯片進行片選。地址譯碼電路是一種可以將地址碼翻譯成相應控制信號的電路。有2-4譯碼器，3-8譯碼器等。例如圖5.17是一個2-4譯碼器，入端為A0、A12位地址碼，輸出用1K×4位芯片組成1K×8位存儲器4根控制線，對應于地址碼的4種狀態(tài)，不論地址碼A0、A1為何值，輸出總是只有一根線處于有效狀態(tài)，如邏輯關系表中所示，輸出以低電平為有效。

例：圖5.18是用4片16K×8位的存儲器芯片（或是經過位擴充的芯片組）組成64K×8位存儲器連接線路。16K存儲器芯片的地址為14位，而64K存儲器的地址碼應有16位。連接時，各芯片的14位地址線可直接接地址總線的A0～A13，而地址總線的A15，A14則接到2-4譯碼器的輸入端，其輸出端4根選擇線分別接到4片芯片的片選CS端。

因此，在任一地址碼時，僅有一片芯片處于被選中的工作狀態(tài)，各芯片的取值范圍如表5.４所示。

在上一章中，對8086最小方式與最大方式的典型系統(tǒng)結構以及8086存儲器高低位庫的連接，曾作過一些概略的介紹。這里，將結合存儲器的分類及其與8086CPU的具體連接給予較詳細的說明。6.5.2存儲器與CPU的連接

1.只讀存儲器與8086CPU的連接

ROM、PROM或EPROM芯片都可以與8086系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)程序存儲器。例如，2716、2732、2764和27128這一類EPROM芯片，由于它們屬于以1字節(jié)寬度輸出組織的，因此，在連接到8086系統(tǒng)時，為了存儲16位指令字，要使用兩片這類芯片并聯(lián)組成一組。圖5.19給出了兩片2732EPROM與8086系統(tǒng)總線的連接示意圖。該存儲器子系統(tǒng)提供了4K字的程序存儲器(即存放指令代碼的只讀存儲器)。2.靜態(tài)RAM與8086CPU芯片的連接

一般，當微機系統(tǒng)的存儲器容量少于16K字時，宜采用靜態(tài)RAM芯片，因為大多數(shù)動態(tài)RAM芯片都是以16K×1位或64K×1位來組織的，并且，動態(tài)RAM芯片還要求動態(tài)刷新電路，這種附加的支持電路會增加存儲器的成本。8086CPU無論是在最小方式或最大方式下，都可以尋址1MB的存儲單元，存儲器均按字節(jié)編址。圖5.20給出了2K字的讀寫存儲器子系統(tǒng)。存儲器芯片選用靜態(tài)RAM6116(2K×8位)。

3.EPROM、靜態(tài)RAM與8086CPU連接的實例

圖5.21給出了8086CPU組成的單處理器系統(tǒng)的典型結構。圖中，8086接成最小工作方式（MN/MX引腳置邏輯高電平）。當機器復位時，8086將執(zhí)行FFFF0H單元的指令。

存儲器與CPU連接時，原則上可將存儲器的地址線、數(shù)據(jù)線與控制信號線分別接到CPU的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線上去。但在實用中，有些問題必須加以考慮。（1）CPU外部總線的負載能力CPU外部總線的負載能力，即能帶一個標準的TTL負載。對于MOS存儲器來說，它的直流負載很小，主要是電容負載，故在小系統(tǒng)中，CPU可以與存儲器直接相連。而在較大的存儲系統(tǒng)中，連接的存儲器芯片片數(shù)較多，就會造成總線過載，故應增加總線的驅動能力。通常采用加緩沖器或總線驅動器等方法來實現(xiàn)。6.5.3存儲器與CPU連接應該注意的一些問題（2）各種信號線的配合與連接通常，由于CPU的各種信號要求與存儲器的各種信號要求有所不同，往往要配合以必要的輔助電路。

數(shù)據(jù)線：數(shù)據(jù)傳送一般是雙向的。存儲器芯片的數(shù)據(jù)線有輸入輸出共用的和分開的數(shù)據(jù)線的連接兩種結構。對于共用的數(shù)據(jù)線，由于芯片內部有三態(tài)驅動器，故它可以直接與CPU數(shù)據(jù)總線連接。而輸入線與輸出線分開的芯片，則要外加三態(tài)門，才能與CPU數(shù)據(jù)總線相連,如圖5.22所示：

地址線：存儲器的地址線一般可以直接接到CPU的地址總線。而大容量的動態(tài)RAM，為了減少引線的數(shù)目，往往采用分時輸入的方式，這時，需在CPU與存儲器芯片之間加上多路轉換開關，用CAS與RAS分別將地址的高位與低位送入存儲器。

控制線：CPU通過控制線送出命令，以控制存儲器的讀寫操作，以及送出片選信號、定時信號等。（3）CPU的時序與存儲器的存儲速度之間的匹配CPU在取指和存儲器讀、寫操作時，其時序是固定的，由此來選擇存儲器的存取速度。對速度較慢的存儲器，需要增加等待周期Ｔw，以滿足快速CPU的要求。（4）存儲器的地址分配及片選信號的產生

內存包括RAM和ROM兩大部分，而RAM又分為系統(tǒng)區(qū)（即監(jiān)控程序或操作系統(tǒng)占用的內存區(qū)域）和用戶區(qū)，因而，要合理地分配內存地址空間。此外，由于目前生產的存儲器芯片，其單片的存儲容量有限，需要若干片存儲器芯片才能組成一個存儲器，故要求正確解決芯片的片選信號。20世紀90年代中后期以來，計算機及其相關設備的技術得到了迅猛發(fā)展，但作為重要組件之一的內存的發(fā)展相對就比較緩慢了。一般286、386和486微機采用的是單面內存(SIMM)，總共僅有30線，這些單面內存只有32位的內存總線帶寬，容量從256KB到4MB不等。但當內存的標準總線拓展到64位時，這種單面內存就必須成對地安裝才能使用。換句話說，如果要安裝4MB內存，就必須使用兩條2MB的單面內存。6.6幾種新型的半導體存儲器

1.帶高速緩存動態(tài)隨機存儲器：CDRAM（CachedDRAM）

CDRAM是日本三菱電氣公司開發(fā)的專有技術，通過在DRAM芯片上集成一定數(shù)量的高速SRAM作為高速緩沖存儲器Cache和同步控制接口，來提高存儲器的性能。這種芯片使用單一的＋3V電源，低壓TTL輸入輸出電平。目前三菱公司可以提供的CDRAM為4MB和16MB版本，其片內Cache為16KB，與128位內部總線配合工作，可以實現(xiàn)100MHz的數(shù)據(jù)訪問。流水線式存取時間為7ns。

2.DirectRambus接口動態(tài)隨機存儲器：DRDRAM（DirectRambusDRAM）從1996年開始，Rambus公司就在Intel公司的支持下制定出新一代RDRAM標準，這就是DRDRAM。它與傳統(tǒng)的DRAM的區(qū)別在于引腳定義會隨命令而變，同一組引腳線可以被定義成地址，也可以被定義成控制線。其引腳數(shù)僅為正常DRAM的1/3。當需要擴展芯片容量時，只需要改變命令，不需要增加芯片引腳。這種芯片可以支持400MHz外頻，再利用上升沿和下降沿兩次傳輸數(shù)據(jù)，可以使數(shù)據(jù)傳輸率達到800MHz。同時通過把單個內存芯片的數(shù)據(jù)輸出通道從8位擴展成16位，這樣在100MHz時就可以使最大數(shù)據(jù)輸出率達16GB/S。

3.雙數(shù)據(jù)傳輸率同步動態(tài)隨機存儲器：DDRDRAM（DoubleDataRateDRAM）在同步動態(tài)讀寫存儲器SDRAM的基礎上，采用延時鎖定環(huán)（Delay－1ockedLoop）技術提供數(shù)據(jù)選通信號對數(shù)據(jù)進行精確定位，在時鐘脈沖的上升沿和下降沿都可傳輸數(shù)據(jù)（而不是第一代SDRAM僅在時鐘脈沖的下降沿傳輸數(shù)據(jù)，“DDR”即是“雙數(shù)據(jù)率”的意思），這樣就在不提高時鐘頻率的情況下，使數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍。由于DDRDRAM需要新的高速時鐘同步電路和符合JEDEC標準的存儲器模塊，所以主板和芯片組的成本較高，一般只能用于高檔服務器和工作站上。另外，最新出品的GeForce256顯卡大量采用了DDR存儲器，顯示效果成倍提升。

4.虛擬通道存儲器：VCM（VirtualChannelMemory）VCM由NEC公司開發(fā)，是一種新興的“緩沖DRAM”，該技術將在大容量SDRAM中采用。它集成了所謂的“通道緩沖”，由高速寄存器進行配置和控制。在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸（即“帶寬”增大）的同時，VCM還維持著與傳統(tǒng)SDRAM的高度兼容性，所以通常也把VCM內存稱為VCMSDRAM。在設計上，系統(tǒng)（主要是主板）不需要作大的改動，便能提供對VCM的支持。VCM可從存前端進程的外部對所集成的這種“通道緩沖”執(zhí)行讀寫操作。對于內存單元與通道緩沖之間的數(shù)據(jù)傳輸，以及內存單元的預充電和刷新等內部操作，VCM要求它獨立于前端進程進行，即后臺處理與前臺處理可同時進行。由于專為這種“并行處理”創(chuàng)建了一個支撐架構，所以VCM能保持一個非常高的平均數(shù)據(jù)傳輸速度，同時不用對傳統(tǒng)內存架構進行大的更改。

5.快速循環(huán)動態(tài)存儲器：FCRAM（FastCycleRAM）FCRAM由富士通和東芝聯(lián)合開發(fā)，數(shù)據(jù)吞吐速度可達普通DRAM/SDRAM的4倍。FCRAM將目標定位在需要極高內存帶寬的應用中，比如業(yè)務繁忙的服務器以及3D圖形及多媒體處理等。FCRAM最主要的特點便是行、列地址同時（并行）訪問，而不像普通DRAM那樣，以順序方式進行（首先訪問行數(shù)據(jù)，再訪問列數(shù)據(jù)）。由于動態(tài)RAM(DRAM)集成度高且價格低，因此微機系統(tǒng)中主存儲器均采用DRAM構成。近幾年來推出的高檔CPU的速度越來越快，而一般的低價DRAM速度很難滿足CPU對速度的要求。靜態(tài)RAM(SRAM)雖速度高，但價格高，用它構成大容量主存儲器是根本不可能的。

6.7高速緩沖存儲器6.7.1概述

高速緩沖存儲器(CacheMemory,簡稱高速緩存)由小容量的高速SRAM和高速緩存控制器組成。它的功能是把CPU將要使用的指令和數(shù)據(jù)從DRAM主存儲器中復制到高速緩存SRAM中，而由高速緩存SRAM向CPU直接提供它所需要的大多數(shù)的指令和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)零等待狀態(tài)。

DRAM構成的主存儲器和高速緩存一起構成了動態(tài)存儲器系統(tǒng)。這種動態(tài)存儲器系統(tǒng)可以構成模擬大量高速緩存的方式，使得整個系統(tǒng)以近乎DRAM的價格，提供近乎大容量SRAM的性能。命中率高的高速緩沖存儲器系統(tǒng)的存取速度接近于SRAM存儲器系統(tǒng)。

在高速緩沖存儲器系統(tǒng)中，所有信息都存儲于主存儲器內，而其中一部分則拷貝一份存儲在高速緩存內。每當CPU要存取存儲器時，都先檢查高速緩存。若所要的指令或數(shù)據(jù)在高速緩存內，則CPU直接存取高速緩存。這種情況稱為高速命中。反之，若CPU所要的指令或數(shù)據(jù)不在高速緩存內，則需存取較慢速的主存儲器，這種情況稱為高速未命中。在高速未命中，CPU在等待存取主存儲器時，高速緩存控制器就將這些數(shù)據(jù)由主存儲器取入高速緩存內。

由于使用高速緩存的主要目的在于提高訪問存儲器的速度，因而高速命中率愈高，高速緩沖存儲器系統(tǒng)的性能愈好理想的情況是如果我們能完全預測CPU未來要存取的存儲位置，而預先將這些存儲位置的內容送入高速緩存內，則高速緩存的命中率可達百分之百。不過，這是不可能的。但是，絕大多數(shù)計算機程序都有一個基本特性，即程序緊接著需存取的存儲位置通常都位于目前其所存取的存儲位置附近。這一原則即稱為程序局部性(programlocality)或存取局部性(localityofreference)原理。

程序局部性是明顯的。例如，一般程序的執(zhí)行都是順序地一一執(zhí)行相鄰的指令，因而彼此都很靠近。還有循環(huán)的執(zhí)行亦是CPU在一段期間內均一直重復執(zhí)行同一組在一起的指令。此外，諸如數(shù)據(jù)變量的存取亦經常是連續(xù)存取幾次。堆棧只能由棧頂一端存取，故一串的壓棧與彈出操作均存取距離目前棧頂不遠的存儲位置。字符串或數(shù)組的存取亦經常是循序地一一經過每一元素。

根據(jù)局部性原理，在預測程序的存取類型不可能的情況下，提高高速命中率最可靠的方法即以高速緩存存取CPU在最近的過去一直在使用的指令與數(shù)據(jù)。因為，根據(jù)局部性原理，這些指令與數(shù)據(jù)，亦是在最近的未來CPU所最可能用到的。在CPU第1次存取到某些位置時，我們即將這些位置以及附近位置的內容送入高速緩存內，若無意外，則這些新送入的存儲內容應當是CPU稍后就會再存取到的。

每次在CPU存取到不在高速緩存里面的新存儲區(qū)時，我們都這樣做。而在高速緩存已經存滿時，我們即把現(xiàn)有高速緩存內很久沒用到的部分刪除，讓高速緩存永遠保存著最新的最常用的數(shù)據(jù)內容。

高速緩存控制器將主存儲器分成若干個塊，每一塊為2、4、8、16或32個字節(jié)，并在需要時，每次取入一個塊，而不是一個字節(jié)。這樣的塊可以包含處在所需字節(jié)前后的數(shù)據(jù)。塊的大小要適宜，否則影響系統(tǒng)的性能。

高速SRAM均含有兩部分。其中，數(shù)據(jù)部分即含由主存儲器取入的存儲內容。另外，標志部分則含這些已取入的存儲內容在主存儲器中的地址。常所指的高速緩存大小，即指其存儲數(shù)據(jù)那一部分的大小，而忽略標志部分。高速緩存的大小也影響系統(tǒng)的性能。

另外，在CPU更新了高速緩存中某一存儲位置的內容后，若對應的主存儲器相應位置的內容未立即更新，則稍后新取入高速緩存的數(shù)據(jù)很可能正好存入剛被CPU更新過的高速緩存位置。

這種情況稱為高速緩存更新內容丟失。為防止此種現(xiàn)象發(fā)生，可采用通寫(writethrough)與回寫(writeback)兩種方式處理。對于通寫方式，每當CPU對高速緩存某一位置進行寫操作時，高速緩存控制器會立即將這項新內容寫入主存儲器所對應的位置內。對于回寫方式，高速緩存的每一存儲塊的標志字段上都附有一更新位。若高速緩存某一存儲塊所含的數(shù)據(jù)曾被CPU更新過，但未同時更新主存儲器的對應位置內容時，則該塊的更新位的值置為1。

每當要將新的內容寫入高速緩存任一存儲塊時，高速緩存控制器即檢查該塊的更新位。若為0，則直接寫入；否則，先將該存儲塊現(xiàn)有內容寫回主存儲器對應位置后，再將新內容寫入該存儲塊。

高速緩存有3種類型，即全相關式高速緩存、直接映像式高速緩存和多路成組相關式高速緩存。80486CPU設置了8KB的內部高速緩存，用于存儲指令和數(shù)據(jù)。CPU訪問內部高速緩存比訪問主存儲器要大大節(jié)省時間，減少了對外部總線的使用，因而提高了系統(tǒng)的性能。Pentium片內設置了兩個8KB內部高速緩存，一個作為指令高速緩存，另一個作為數(shù)據(jù)高速緩存。指令和數(shù)據(jù)分別使用不同的高速緩存，使Pentium的性能大大超過80486。6.7.2內部高速緩存

在80386CPU系統(tǒng)中設置了外部高速緩存，而80486CPU也支持外部高速緩存，其引腳信號PWT和PCD支持外部高速緩存的實施。外部高速緩存的容量通常比內部高速緩存的容量大得多，一般為32～256KB。在80486系統(tǒng)中，當內部高速緩存沒有命中時，則在外部高速緩存中大多能命中，只有當外部高速緩存也沒有命中時，才去訪問速度較低的主存儲器。這樣，使CPU訪問存儲器的平均等待時間幾乎趨于零。外部高速緩存在存儲器系統(tǒng)中的位置如圖所示。外部高速緩存由高速緩存SRAM和高速緩存控制器兩部分組成。高速緩存控制器含有控制邏輯和標志存儲器。高速緩存采用直接映像方式或2路成組相關方式。6.7.3外部高速緩沖

系統(tǒng)程序和各種應用程序以及數(shù)據(jù)存放在硬盤中，系統(tǒng)中需要常駐內存的程序以及當前執(zhí)行的程序由操作系統(tǒng)調入主存儲器(DRAM)中，CPU經常要使用的主存儲器中的指令和數(shù)據(jù)被拷貝到高速緩存中。外部高速緩存位于CPU和主存儲器(DRAM)之間，它一般由幾片高速小容量的靜態(tài)隨機存取存儲器SRAM組成，讀寫周期一般為15--35ns。高速緩存控制器根據(jù)高速緩存的結構控制高速緩存的操作。

為什么需要高速緩存？CPU工作速度與內存工作速度不匹配例如，800MHz的PIIICPU的一條指令執(zhí)行時間約為1.25ns，而133MHz的SDRAM存取時間為7.5ns，即83%的時間CPU都處于等待狀態(tài)，運行效率極低。解決：CPU插入等待周期——降低了運行速度；采用高速RAM——成本太高；在CPU和RAM之間插入高速緩存——成本上升不多、但速度可大幅度提高?？偨YDBCPUCache控制部件CacheRAMAB①送主存地址②檢索(用主存地址作為關鍵字,查找CAM)—前提：每次訪問的主存地址都保留在CAM內。CAM—ContentAccessMemory③命中則發(fā)出讀Cache命令,從Cache取數(shù)據(jù)④不命中則發(fā)出讀RAM命令,從RAM取數(shù)據(jù)6.7.4Cache的工作原理

取指令、數(shù)據(jù)時先到CACHE中查找：找到（稱為命中）——直接取出使用；沒找到——到RAM中取，并同時存放到CACHE中，以備下次使用。只要命中率相當高，就可以大大提高CPU的運行效率，減少等待。現(xiàn)代計算機中CACHE的命中率都在90%以上。命中率影響系統(tǒng)的平均存取速度系統(tǒng)的平均存取速度≈

Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×不命中率例如：RAM的存取時間為8ns，CACHE的存取時間為1ns，CACHE的命中率為90%。則存儲器整體訪問時間由沒有CACHE的8ns減少為： 1ns×90%+8ns×10%=1.7ns速度提高了近4倍。在一定的范圍內，Cache越大，命中率就越高，但相應成本也相應提高Cache與內存的空間比一般為1128不命中時有以下幾種替換算法：隨機替換先進先出FIFO最近最少使用LRU（LeastRecentlyUsed）最久沒有使用LFU（LeastFrequentlyUsed）Cache與主存的一致性兩種常用的更新算法：寫穿式（WT，WriteThrough）——同時更新回寫式（WB，WriteBack）——僅當替換時才更新主存一般有兩級CACHE（有的具有三級）L1CACHE——容量一般為8KB～64KBL2CACHE——容量一般為128KB～2MB

新型CPU一般將這兩級CACHE都做在CPU內核中。而且運行速度與CPU內核相同，使CPU的整體性能有了極大的提高。6.7.5PC機中的Cache

（1）磁表面存儲信息原理

在計算機中，作為存儲信息的磁性材料，具有矩形磁滯回線特性，如圖7.25所示。當外加電流產生的磁場強度H(或-H)建立時，磁性材料將相應地產生一磁感應強度B(或-B)；當磁場強度H(或-H)等于0時，磁感應強度不等于0而等于+Br(或-Br)。這就是磁性材料的剩磁現(xiàn)象。我們將+Br與-Br分別稱為正向剩磁和負向剩磁。正是利用磁性材料的兩種不同剩磁狀態(tài)來表示二進制信息。

6.8磁盤存儲器6.8.1磁表面存儲信息基礎

規(guī)定+Br表示1，則-Br表示0。如要使磁性材料存1，則加正向脈沖電流；若存0，則加反向脈沖電流。根據(jù)電磁感應原理，變化磁場穿過閉合線圈時，可以在線圈中產生感應電勢或電流。如果讓已被磁化的磁性材料在繞有線圈回路的磁頭空隙處運動，使穿過線圈回路中的磁通量發(fā)生變化，那么在線圈中將會產生感應電信號，這樣就可以把通過磁性材料的不同剩磁狀態(tài)所表示的二進制信息轉換為電信號輸出。這就是磁性材料存儲二進制信息的基本原理。

無論哪種磁表面存儲器，記錄信息的過程都是一種電磁信息轉換過程，它是通過磁頭和與磁頭作相對運動的磁介質來實現(xiàn)的。

磁表面存儲器的讀寫設備能把數(shù)據(jù)脈沖序列轉換為磁表面介質上的不同磁化狀態(tài)，這就是寫過程；反過來也可以把磁表面介質上不同的磁化狀態(tài)還原為數(shù)據(jù)脈沖序列，即讀過程。工作過程可用下頁圖表示。

（2）磁表面存儲信息的讀寫原理

磁表面存儲器寫入和讀出信息，都是由磁頭來實現(xiàn)的，磁頭的結構如圖所示。

①寫操作由圖可見，寫過程就是把數(shù)據(jù)序列經過寫電路形成寫電流，寫電流流經寫線圈，產生與數(shù)據(jù)相對應的磁場，磁化磁頭縫隙下的磁層，完成“電—磁”轉換。載磁體在磁頭下面作恒速運動，輸入的脈沖序列不斷改變磁頭中電流的方向，也就是不斷改變磁場的方向，則在表面磁介質上形成一串與輸入脈沖序列相對應的有規(guī)律的小磁化單元。若假定該磁化單元的極性表示為二進制信息0，則其相反的極性就表示為1。

②讀操作讀過程就是把對應于二進制數(shù)據(jù)序列的階躍脈沖序列從磁表面介質中還原出來，完成“磁—電”轉換。讀出記錄在磁表面上的信息，是通過磁頭與載磁體之間的相對運動來實現(xiàn)的。當磁頭與被磁化了的磁層表面作相對運動時，磁頭鐵芯中的磁力線發(fā)生變化，在磁頭線圈回路中便產生感應電勢信號（由于磁化單元中剩余磁感應的方向不同，因而磁頭線圈回路中的感應電勢方向也不同，從而可以讀出在磁表面上的信息是1或是0），這個信號經過讀電路放大和處理后，就還原出原來寫進去的那種數(shù)據(jù)脈沖序列，完成了對磁表面介質的讀過程。

（3）磁表面存儲器的記錄方式

記錄方式就是磁表面存儲器記錄二進制信息的方式。為了提高磁表面存儲器的記錄密度和增強記錄的可靠性，采用了多種記錄方式。但目前磁表面存儲器常用的記錄方式是調頻制FM（frequencymodulation）方式和改進型調頻制MFM（modifiedfrequencymodulation）方式。采用何種方式取決于數(shù)據(jù)信號和時鐘信號的編碼方式。

磁盤存儲器主要由3部分組成:磁盤、磁盤驅動器和磁盤控制器。（一）磁盤磁盤分為兩種，若磁盤盤片用鋁合金制成，稱為硬磁盤；若磁盤盤片用塑料制成，則稱為軟磁盤。在磁盤盤片表面上涂以極薄的磁性氧化物層，作為存儲信息的載體。1）軟磁盤簡稱軟盤。在微機系統(tǒng)中使用的軟盤主要有5.25英寸和3.5英寸兩種。5.25英寸軟盤封裝在方形的保護套內，3.5英寸軟盤封裝在一個保護磁盤的硬塑料套中。6.8.2磁盤存儲器的組成

通常把一張軟盤片的兩個面都分成若干條磁道，每條磁道又分成若干個扇區(qū)，每個扇區(qū)可存放一定字節(jié)的數(shù)據(jù)。由于存取文件是以扇區(qū)為單位進行的。因此，必須對每個扇區(qū)地址進行編號，這種編號稱為軟盤地址。軟盤地址一般由磁道號、面(頭)號、區(qū)段號組成。①磁道號。在軟盤上，從最外側00道開始，依照順序向里排列。再向里排列還有10道左右的備份磁道，用來替換壞磁道。

②面(磁頭)號。對雙面軟盤驅動器而言，0面對應的讀/寫磁頭，編號記作00；1面對應的讀/寫磁頭，編號記作01。③扇區(qū)號。通常將每一條磁道劃分為若干個扇區(qū)，盡管外磁道和內磁道的記錄密度不同，但扇區(qū)數(shù)相同。

軟盤的格式化出廠的軟盤都是空白磁盤，它不能寫入信息。為了寫入信息必須對盤片表面劃分磁道和扇區(qū)，登記各扇區(qū)的地址標志，這種操作稱為軟盤格式化。格式化操作由專用軟件（如磁道操作系統(tǒng)中的FORMAT文件）來完成。格式化后的軟盤叫空盤，在空盤上就可以寫入信息了。

2）硬盤

硬盤是計算機最重要的外部存儲設備，包括操作系統(tǒng)在內的各種軟件、程序、數(shù)據(jù)都需要保存在硬盤上。①硬盤的磁頭

一塊硬盤存取數(shù)據(jù)的工作完全是依靠磁頭來進行的，磁頭是硬盤進行讀寫的“筆尖”，通過全封閉式的磁阻感應讀寫，將信息記錄在硬盤內部特殊的介質上。

②硬盤的盤面

硬盤內部是由金屬磁盤組成的，分為單碟、雙碟與多碟。它們通過表面的磁性物質結合在一起，具有更高的記錄密度和更強的安全性能。目前市場上主流硬盤的盤片大都是由金屬薄膜磁盤構成，這種金屬薄膜磁盤較之普通的金屬磁盤具有更高的剩磁和高頑力，因此也被大多數(shù)硬盤廠商所普遍采用。

③硬盤的馬達

硬盤主軸上的馬達控制磁頭在盤片上高速工作。硬盤正因為有了馬達才得以帶動盤片在真空封閉的環(huán)境中高速旋轉，馬達高速運轉時所產生的浮力使磁頭飄浮在盤片上方進行工作。硬盤在工作時，通過馬達的轉動將用戶需要存取的數(shù)據(jù)所在的扇區(qū)帶到磁頭下方，馬達的轉速越快，用戶等待存取記錄的時間也就越短。④硬盤的平均訪問時間、平均尋道時間和平均潛伏時間硬盤的平均尋道時間是指硬盤在盤面上移動讀寫頭至指定磁道尋找相應目標數(shù)據(jù)所用的時間。我們在描述硬盤讀取數(shù)據(jù)能力的時候，目前主要以ms為計算單位，而硬盤讀取數(shù)據(jù)一般在6ms～14ms之間。當硬盤的單碟容量增大時，磁頭的尋道動作和移動距離會相應減少，這樣也就導致硬盤本身的平均尋道時間減少，從而提高了硬盤的速度。

所謂平均潛伏時間，其含意是指相應磁道旋轉到磁頭下方的時間，一般情況下在2ms～6ms之間。而平均訪問時間指的就是平均尋道時間與平均潛伏時間的總和。平均訪問時間基本上也就代表了硬盤找到某一數(shù)據(jù)所用的時間。平均訪問時間越短越好，一般情況下應該控制在11ms～18ms之間，建議用戶選擇那些平均訪問時間在15ms以下的硬盤。

⑤硬盤的外部傳輸率和內部傳輸率

硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率(ExternalTransferRate)是指電腦通過接口將數(shù)據(jù)傳給硬盤的傳輸速度。所謂內部數(shù)據(jù)傳輸率(InternalTransferRate)就是指硬盤將這些數(shù)據(jù)記錄在盤片上的速度，也稱最大或最小持續(xù)傳輸率(SustainedTransferRate)，反映硬盤緩沖區(qū)未用時的性能。從實際應用方面分析，硬盤的外部數(shù)據(jù)傳輸率比內部傳輸率要快很多，在這兩個速度之間有一緩沖區(qū)以緩解二者的速度差距。

⑥硬盤的緩沖區(qū)

硬盤的緩沖區(qū)是指硬盤本身的高速緩存（Cache)，它能夠大幅度地提高硬盤整體性能。高速緩存其實就是指硬盤控制器上的一塊存取速度極快的DRAM內存,分為寫通式和回寫式。

⑦硬盤的接口類型

硬盤的接口類型主要分為EIDE(EnhancedIntegratedDriveElectronics)和SCSI(SmallComputerSystemInterface)兩種。早期的EIDE接口硬盤采用了PIOMode4模式，其傳輸速率可以達到16－6MB／s。SCSI接口硬盤的基本數(shù)據(jù)傳輸率是20MB／s(8bit,50線)。

（二）磁盤驅動器

1）軟盤驅動器

軟盤控制器ＦＤＣ（FloppyDiskController)是實現(xiàn)軟盤驅動器與主機之間信息交換的接口電路，應用ＦＤＣ設計的軟磁盤接口一般如圖所示。

上頁圖軟磁盤接口框圖軟盤控制器的型號很多，但功能相似，其主要功能是將主機的命令翻譯成控制驅動器的各種信息；將磁盤上的串行信息轉換為并行信息輸入計算機，或把來自計算機的信息變成寫入磁盤的串行信息；寄存軟盤驅動器的各種狀態(tài)，供主機讀出；對信息進行校驗等。

軟盤在使用時必須由面板上狹縫插入軟盤驅動器內，由驅動器實現(xiàn)讀/寫操作，驅動器結構如圖所示。軟盤驅動器一般由轉動磁盤的驅動機構，讀/寫磁頭的定位機構，讀/寫磁頭，讀/寫邏輯，驅動電機和步進電機的控制邏輯等組成。

軟盤驅動器的工作原理當軟盤插入驅動器后，驅動電機在2秒內帶動軟盤以300轉每分鐘的速度在保護套內快速旋轉。主機發(fā)出控制命令，通過磁盤控制電路的控制邏輯，由索引孔檢測磁道的起始位置；同時步進電機轉動，通過磁頭定位機構帶動磁頭沿磁盤徑向移動，以便尋找需要讀寫的磁道及扇區(qū)。一旦找到所尋磁道及扇區(qū)的起始位置，讀寫邏輯電路按程序控制命令對磁盤進行信息的存取。而對于寫保護缺口被封貼的盤，禁止寫電流通過磁頭線圈，使信息只能讀出，不能寫入。雙面驅動器有上下兩個磁頭，分別對上下兩個盤面進行讀/寫操作。軟盤驅動器由軟盤控制器進行控制。軟盤驅動器提供給控制器的信號有：讀數(shù)據(jù)信號、索引信號(表示盤片磁道起始位置，每轉一圈，發(fā)出一次)、00道信號(表示磁頭正在0號磁道)和準備就緒信號。軟盤控制器送給驅動器的信號有：

驅動器選擇信號(使驅動器和控制器邏輯上接通)；

電機接通信號(控制主軸驅動電機旋轉或停止)；步進信號(使讀/寫磁頭按指定方向移動，每個步進信號使磁頭移過一個磁道)；方向選擇信號(指向磁頭移動方向)；寫數(shù)據(jù)及寫允許信號(允許把數(shù)據(jù)寫入磁盤)；磁頭選擇信號(選兩個磁頭之一)等。

2)硬盤驅動器

微機中的硬盤驅動器主要是溫徹斯特磁盤驅動器(WinchesterDiskDrive)，簡稱溫盤驅動器，俗稱溫盤。溫盤技術的主要特點是：①溫盤驅動器的HAD(HeadDiskAssembly)組件和定位機構采用全封閉方式。

②磁頭采用接觸式起停在磁盤表面起停區(qū)(設在盤片最內圈)。上述技術使溫盤具有高密度大容量、高可靠性及小巧、對環(huán)境要求不高等優(yōu)點，目前的微機幾乎全部使用溫盤作為系統(tǒng)的外存儲器。

硬盤驅動器主要由兩大部分組成：①頭盤組件(HDA)。將磁頭、盤片密封在一個腔體中。它包括磁頭組件、磁頭驅動機構(音圈電機驅動)、盤片及驅動機構(直流無刷電機驅動)、讀寫前置電路和循環(huán)過濾器等。②印刷電路板組件(PCBA)。包括控制電路、主軸電機伺服電路和音圈電機驅動電路以及硬盤驅動器讀寫電路等。硬盤的基本工作原理與軟磁盤相同，都是利用磁表面存儲信息，當磁頭在旋轉著的盤片表面的磁性介質上移動時進行讀/寫操作。

但又有許多新特點，除了全密封特點外，磁頭工作時不與盤面接觸，靠空氣浮力使磁頭浮在盤面上，其間隙很小，約為0.3μm,只有在停機與啟動時磁頭與盤面接觸，主軸轉速為3600轉/分以上，尋道速度、位密度及道密度等指標均比軟盤驅動器高得多。另一個重要區(qū)別是，硬盤驅動器由多個盤片構成盤片組，由主軸統(tǒng)一控制旋轉。一般為雙面磁盤片，每個盤片需兩個磁頭，磁頭數(shù)一般為2、4、6、8等。每個盤片上的每條磁道可分為16個或32個扇區(qū)。當分為16個扇區(qū)時，則每個扇區(qū)存儲512B信息；當分為32個扇區(qū)時，則每個扇區(qū)存儲256B信息。每個盤片對應的同心圓磁道構成若干個圓柱面，稱為柱面。顯然每個柱面上存儲的信息量相等。

（三）磁盤控制器

1)軟盤控制器

軟盤控制器FDC(FloppyDiskController)是實現(xiàn)軟盤驅動器與主機之間信息交換的接口電路。從軟盤控制器的結構上看，它與系統(tǒng)總線相連，一般用34芯扁平電纜連接到軟盤驅動器上。

軟盤控制器主要功能是采用DMA方式使軟盤驅動器中磁盤與內存儲器快速交換信息。將主機的命令翻譯成控制軟盤驅動器的各種信號；從磁盤上讀回的串行信息轉換成并行信息輸入主機內存儲器中，或者把主機內存儲器中讀出的并行信息變成寫入磁盤的串行信息；寄存軟盤驅動器的各種狀態(tài)，供主機讀?。粚π畔⑦M行校驗等。

2)硬盤控制器硬盤控制器一般由專用控制芯片、調制解調器、狀態(tài)字及I/O接口等組成。硬盤控制器與系統(tǒng)總線的接口應包括并行數(shù)據(jù)線、地址線、DMA請求以及磁盤操作后向系統(tǒng)發(fā)出的中斷請求信號等。

硬盤控制器與硬盤驅動器的接口標準發(fā)展很快。常用的控制器接口有：ST506/412接口IDE(IntegratedDriveElectronics)接口ESDI(EnhancedSmallDeviceInterface)接口

SCSI(SmallComputerSystemInterface)接口無論哪種接口，它都要通過內部調制解調等功能部件實現(xiàn)系統(tǒng)并行數(shù)據(jù)與硬盤驅動器串行數(shù)據(jù)兩種格式的轉換并傳送。

1)軟盤驅動器與系統(tǒng)的連接

驅動器自成體系，是相對獨立的部件，通過總線電纜與適配器相連接。驅動器主要由3大功能系統(tǒng)組成：①讀寫系統(tǒng)，用于將數(shù)據(jù)寫在盤片上或從盤片上讀出數(shù)據(jù)，主要由電子線路實現(xiàn)。②磁頭定位系統(tǒng)，用于實現(xiàn)磁頭對磁道的尋找和定位，由電子線路和機械部件混合組成。其尋道時間及定位精度是十分重要的。③主軸驅動系統(tǒng)，用來保證磁盤片以一定的速度穩(wěn)定地旋轉。6.8.3磁盤驅動器與系統(tǒng)的連接圖軟盤驅動器與系統(tǒng)的連接

2)硬盤驅動器與系統(tǒng)的連接在軟盤驅動器中，讀寫磁頭與盤片接觸在一起，以便讀寫數(shù)據(jù)。在硬盤驅動器中，磁頭和盤片是非接觸式的。主軸驅動系統(tǒng)使盤片高速旋轉，通常達3600r/min，從而在盤片表面產生一層氣墊，磁頭便浮在這層氣墊上。磁頭與盤片間具有μm級的空隙。

相對于利用磁通變化和磁化電流進行讀寫的磁盤，人們把用光學原理讀寫信息的圓盤叫做光盤。光盤存儲技術是采用磁盤以來最重要的新型數(shù)據(jù)存儲技術，它具有容量大、速度高、工作穩(wěn)定可靠以及耐用性強等許多獨特的優(yōu)良性能。6.9光盤存儲器

(1)尺寸。標準的CDROM和CDDA盤片的直徑均為120mm,中心裝卡孔為15mm，厚度為1.2mm。

(2)記錄密度（107－108位/cm2）,存貯容量（580或680MB）。

(3)數(shù)據(jù)傳輸速率。以原始的150MB/s傳輸速率為基礎，出現(xiàn)了2倍速、4倍速、8倍速、12倍速的光盤驅動器。.

(4)緩沖器的大小。為了提高光盤驅動器的效率，每個光驅都配有自己的緩沖區(qū)（即一個用電池供電的RAM區(qū)），緩沖區(qū)的大小直接影響光驅的性能。一般在64KB-1MB。

(5)平均存取時間。早期的單速150KB/s光驅存取信息的平均時間為350ms,二倍速光驅為200ms左右，四倍速光驅大約在100－160ms。6.9.1光盤的主要技術指標

1）只讀光盤

只讀光盤是一次成型的產品，由一種稱為母盤的原盤壓制而成。其主要特點是盤上信息一次制成，可以復讀而不能再寫。現(xiàn)在人們廣泛使用的CD音樂盤、VCD影碟以及存放多媒體信息的光盤CDROM等都屬此類。這種光盤的存儲容量一般在650MB--700MB左右。6.9.2典型光盤

2）DVD數(shù)字視盤DVD是1996年推出的一種數(shù)字視盤，主要由于存儲視頻圖像。一張DVD盤片可存儲47GB--177GB的數(shù)據(jù)。目前，DVD的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為2MB/s左右。

3）一次性刻錄光盤CD-RCD-R是只能寫入一次的光盤。它需要專門的刻錄機來刻錄信息，一旦將信息刻錄好之后就再也不能更改。這種光盤的容量一般為650MB。

4）可擦寫光盤

可擦寫光盤與CD-ROM光盤的本質區(qū)別是可以重復讀寫信息，如MO,PD,CD-RW等均屬此類光盤。其中，MO（magnetoopticaldisk，磁光盤）是利用磁性材料作為記錄介質而用激光作為記錄、讀出和擦除手段的存儲器。目前流行的3.5寸MO光盤容量有230MB、640MB和1.5GB幾種。（一）光盤存儲器的組成下圖是光盤數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的工作原理圖。該系統(tǒng)的功能部件包括：6.9.3盤存儲器的組成及寫讀原理該系統(tǒng)的功能部件包括：(1)激光源和與之相連的形成讀／寫光點的光學系統(tǒng)，通過它可將數(shù)據(jù)寫入光盤或由其中讀出。(2)檢測和校正讀／寫光點與數(shù)據(jù)道之間的定位誤差的光電系統(tǒng)。通過光檢測器產生聚焦伺服與跟蹤伺服信號，根據(jù)這些信號在與光盤垂直的方向上移動聚焦透鏡，在光盤的半徑方向上移動聚焦透鏡或使跟蹤反射鏡偏轉，即可相應地實現(xiàn)聚焦控制和跟蹤控制，把激光聚焦在光盤的記錄層上，使光點中心與信道中心吻合。(3)檢測和讀出數(shù)據(jù)的光電系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)光檢測器產生數(shù)據(jù)信號，在記錄過程中還產生形成凹坑（或其他信息標志）的監(jiān)測信號。以上3部分組成小巧的光學讀／寫頭，簡稱光頭，即圖中的點劃線內部分。(4)移動光頭的機構。光頭安置在平臺或小車上，并與直流電機連接，以便在徑向讀／寫數(shù)據(jù)，校正光盤的偏心。(5)寫／讀數(shù)據(jù)通道中的編碼／譯碼，以及誤差檢驗與校正（即ＥＣＣ）電路。(6)光盤，即數(shù)據(jù)存儲媒體。(7)光盤旋轉機構。由直流電機轉動光盤，通過旋轉編碼器產生伺服信號，控制光盤轉速，以便進行寫／讀操作。(8)光盤機的電子線路，包括所有運動機構的伺服電路，和把數(shù)據(jù)傳送到光盤以及從光盤上輸出數(shù)據(jù)的通道電路。光盤存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通道如圖示。

用戶數(shù)據(jù)通過接口被送進輸入緩沖器，緩沖器可提供“彈性”存儲能力，以適應變化著的輸入數(shù)據(jù)速率。數(shù)據(jù)從輸入緩沖器以稱為子塊的字符組形式進入記錄格式器。每個子塊要通過錯誤檢測與校正編碼器，加入奇偶校驗位，以便隨后讀出時進行錯誤保護。記錄格式器將子塊組成地址塊，在其上加入地址信息，以便于讀出時的數(shù)據(jù)檢索。最后，記錄格式器將地址塊編組成若干字節(jié)的面向用戶的數(shù)據(jù)塊，這是讀出時可隨機檢索的最小數(shù)據(jù)單位。

(二)盤片的構造

盤片是一個圓形薄片,其外尺寸有多種，最常見的標準尺寸是外徑120mm，內孔徑15mm，厚度1.2mm，其剖面圖見下頁。盤片由3層組成：一層是用透明的聚碳酸脂構成的襯底；一層是記錄著信息的鋁反射層