存储系统教案051213.docx
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存储系统教案051213
第五章存储系统
本章内容
☐5.1存储系统概述
☐5.2内部存储器
☐5.3高速缓存
☐5.4外部存储器概述
☐5.5硬盘驱动器
☐5.6其它外部存储器
☐5.7移动存储设备
5.1存储系统概述
☐存储系统
将两种或两种以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件或软硬件相结合的方法组织起来就构成存储系统。
☐特点：
系统的存储速度接近较快的存储器，容量接近较大的存储器。
1.存储系统的组成
2.存储器的层次结构
☐微机拥有不同类型的存储部件
☐由上至下容量越来越大，但速度越来越慢
3.存储器的分类
❑内存—CPU能直接访问的存储器称为～。
⏹作用：
存放当前运行的程序和数据。
⏹特点：
快，容量小，随机存取，CPU可直接访问。
⏹通常由半导体存储器构成RAM、ROM
☐外存—CPU不能直接访问的存储器称为～。
⏹作用：
存放非当前使用的程序和数据及一些长期保存的程序和数据。
⏹特点：
慢，容量大，顺序存取/块存取。
需调入内存后CPU才能访问。
⏹通常由磁、光存储器构成，也可以由半导体存储器构成磁盘、磁带、CD-ROM、DVD-ROM、MO
4.存储介质
☐5.存储器的性能指标
☐
（1）存储容量：
存储容量是指存储器能存储二进制数的多少。
最基本的存储器单元是位（bit），在计算容量时常用字节（Byte）作单位。
最常用的单位是千字节KB、MB、GB和TB。
☐2.存取速度
存取速度（或存取时间）是指从请求写入（或读出）到完成写入（或读出）所需的时间，其单位为纳秒（ns，10-9s）。
☐内存的快慢也可以用存储器的最大频率（MHz）和数据传输率（MB/s）来表示。
☐3.错误校验
内存条采用的错误校验主要有两种：
奇偶校验和ECC校验。
☐奇偶校验是写入操作时在每个字节后增加一个校验位，使增加了校验位后的每个字节中“1”的个数为偶数（称为偶校验）或为奇数（称为奇校验）。
☐以后再要从内存读出时，只要计算读出的字节中“1”的个数，即可知道读出的数据是否出错。
计算“1”的个数是由硬件电路实现的，速度很快，并不会影响读写操作。
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☐有无奇偶校验位一般均可正常工作，但在CMOS设置中必须与实际情况相一致。
☐计算机中有校验的内存条和无校验的内存条不可混用。
☐内存条上是否有奇偶校验位，可以从外观上看出。
☐ECC（ErrorCheckingandCorrecting错误检查和纠正）
ECC内存使用额外的bit存储一个根据数据计算出来的ECC代码。
数据被写入内存，相应的ECC代码同时也被保存下来。
当重新读回原来存储的数据时，将保存下来的ECC代码与读数据时产生的ECC代码做比较。
如果两个代码不相同，就可以用原ECC码改正错误。
奇偶校验只能发现错误，不能纠正错误，主要用于普通微机中。
而ECC校验既可以发现错误，也能纠正错误，由于其价格较高，一般只用于高档服务器中。
☐4.内存Bank
☐物理Bank（PhysicalBank，P-BanK）：
物理Bank就是内存和主板上的北桥芯片之间用来交换数据的通道。
物理Bank的位宽应与CPU数据总线位宽一致。
☐逻辑Bank（LogicalBank，L-Bank）：
内存是用一个个Cell来存储数据的，一个cell存储1Bit。
具有一定容量和一定的位宽的cell阵列就是一个逻辑Bank。
5.2内部存储器
5.2.1内存的组成
☐RAM的组成
☐1.静态RAM（StaticRAM）
（1）基本电路
优点：
不需要动态刷新，外部电路简单，存取速度高。
缺点：
集成度低；功耗大
静态RAM的结构
2.动态RAM（DynamicRAM）
动态RAM的结构
5.2.2内存的种类－RAM
☐1.RAM的特点
（1）可读可写。
读出时不破坏原数据。
（2）随机存取。
存取任一单元所需时间相同。
（3）易失性（挥发性）。
断电后数据丢失。
5.2.2内存的种类-SRAM
2.SRAM
☐SRAM没有刷新问题。
只要有电源正常供电，触发器就能稳定地存储数据，因此称为静态存储器。
优点：
不需刷新，速度快，外围电路比较简单。
缺点：
集成度低，功耗大。
☐SRAM的存取速度在5ns以下，单片容量256KB左右。
在PC机中，SRAM被广泛地用作高速缓冲存储器Cache。
5.2.2内存的种类-DRAM
☐2.DRAM
☐DRAM是靠MOS电路中的栅极电容来存储信息的。
☐由于电容上的电荷会逐渐泄漏，需要定时充电以维持存储内容不丢失（称为动态刷新，每隔1－2ms刷新一次）。
优点：
集成度高，功耗低。
缺点：
需要刷新，速度慢，外围电路就较为复杂。
☐DRAM广泛应用于微机系统中的内存条（主存）。
在微机应用中，与用户关系最密切的是DRAM，也就是内存条。
近几年来，随着微机速度的不断提升，内存条的种类也经历了从PMDRAM、EDODRAM到SDRAM、RDRAM和DDR的发展历程。
5.2.2内存的种类-SDRAM
（1）SDRAM
☐SDRAM-同步式DRAM（SynchronousDRAM）。
SDRAM在一个CPU时钟周期内即可完成数据的访问和刷新，即可与CPU的时钟同步工作，极大地提高了存储器的存取速度（采用了双存储体结构，交替存取，自动切换）。
☐SDRAM的存取时间约为6～10ns，是Pll/Plll微机中流行的标准内存类型配置
5.2.2内存的种类-RDRAM
（2）RDRAM
☐RDRAM（RambusDRAM）是由Rambus公司开发的高速DRAM。
RDRAM有两种：
一种是base/concurrentRDRAM；另一种是directRDRAM。
Ø基于base：
频率600MHz，位宽8位，带宽600MB／s
Ø基于direct：
频率800MHz，位宽16位，带宽1.6GB／s
ØPC133SDRAM：
最高150MHz，位宽64位，带宽900MB/s
☐微机中采用的是DirectRambus内存，共有184条引脚，工作电压为2.5/1.8V。
RambusDRAM内存条
☐（3）DDRSDRAM
☐DDRSDRAM（DualdaterateSDRAM双倍速率SDRAM），简称DDR。
☐可以在时钟触发沿的上、下沿都能进行数据传输。
☐它的制造成本比SDRAM略高一些（约为10%左右），但要远小于RAMBUS的价格。
DDRSDRAM内存条
（4）DDRⅡ
☐DDRⅡ内存将是现有DDRⅠ内存的换代产品，它们的工作时钟预计将为400MHz或更高。
DDRⅡ内存将采用200、220、240针脚。
☐DDRⅡ内存采用了四倍带宽内存技术（QuadBandMemory，简称QBM）。
一个QBM模块由两个DDR内存模块组成，其中一个模块运行在正常频率的速度，而另外一个的模块的时钟周期比前一个模块时钟周期正好慢90度的相位差，也就是说两者的工作起始时间相差1/4个时钟周期，通过这种方法来让QBM一个时钟周期实现了4次数据读写。
5.2.2内存的种类-ROM
☐3.ROM的特点
☐ROM（ReadOnlyMemory）
特点：
只能读出，计算机用户不能写入；
计算机断电后数据不丢失。
☐ROM主要用于固化某些在使用中不需变更和很少变更的程序或数据。
例如微机中的BIOS芯片、某些专用设备中的控制程序等等。
☐ROM可分为掩模ROM、PROM、EPROM和EEPROM等类型。
（1）掩模ROM
掩模ROM（MaskedROM）由制造厂家按照事先设计好的线路生产出来，存储内容已经固化在ROM内，不能改变。
其优点是成本低，适用于已定型的、成批生产的产品。
（2）PROM（熔丝型）
PROM是可编程只读存储器（ProgrammableReadOnlyMemory），只允许写入一次，写入的内容不会丢失，也不会被替换。
主要用于针对用户专门需求来烧制其中的内容。
因此PROM大都固化某些在使用中不需变更的程序或数据。
（3）EPROM
EPROM是可擦除的可编程只读存储器（ErasableProgrammableReadOnlyMemory）。
EPROM中的内容可用，紫外光通过芯片上的一个窗口照射擦除。
写入则是通过专门的EPROM写入器实现的。
EPROM在系统开发人员中得到了广泛的应用。
（4）EEPROM（也写成E2PROM）：
EEPROM是电可擦除的可编程只读存储器（ElectricallyErasableProgrammableReadonlyMemory）。
EEPROM用电就可以在线擦除，而且可以按字节单元来擦除信息。
一般写入和擦除不论多少都只要10ms的时间。
☐4.NVRAM（Non-VolatileRAM，非易失性RAM）
NVRAM既能快速存取，断电时又不丢失数据。
其内部结构分为两部分：
一部分是高速静态RAM阵列；另一部分是与之逐位对应（bit－by－bit）的非易失E2PROM备份阵列。
系统正常工作时，CPU访问SRAM部分以完成快速读写。
当系统断电或者正常关机时，芯片内部的数据保护电路测出电源电压降至4V，就立即关闭写入电路，而迅速地把SRAM中的内容转移到E2PROM中。
电源电压恢复后，E2PROM中的内容又自动放回SRAM阵列中。
这种转储操作能可靠地进行10000次，非易失能力保证能存储10年以上。
☐5.Flashmemory：
快擦型存储器（也译为闪速存储器，简称“闪存”）。
特点：
Ø非挥发性。
借用了EPROM结构简单，又吸收了E2PROM电擦除的特点
Ø高速性（可达70ns）
Ø可区块电擦除（256KB～20GB）
Ø耗电低、集成度高、可靠性高、无需后备电池支持（不加电信息可储存10年以上）
Ø可重新改写、反复使用（10万次以上）
Ø无机械运动部件，抗震性好
5.2.3内存的扩展
☐用多片存储芯片构成所需的内存容量和位数，每个芯片在内存中占据不同的地址范围，任一时刻仅有一片（或一组）被选中。
位扩展
字扩展
字位扩展
⏹存储芯片的存储容量等于：
单元数×每单元的位数：
（M×W）
1.存储器的位扩展
☐位扩展就是对存储芯片的位数进行扩展。
方法：
地址线和控制线（片选、行选、列选、读/写控制）并联，数据线分别引出。
2.存储器的字扩展
☐字扩展就是地址空间的扩展。
方法：
地址线、数据线、读/写控制端，片选端分别引出。
3.字位扩展
Ø
（1）根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；
Ø
（2）进行位扩展以满足字长要求→单元存储体；
Ø（3）对“单元存储体”进行字扩展以满足容量要求。
☐若已有存储芯片的容量为L×K，要构成容量为M×N的存储器，需要的芯片数为：
（M/L）×（N/K）
5.2.4内存新技术
☐双通道内存技术
☐双通道内存技术就是双通道内存控制技术。
☐它的技术核心：
芯片组（北桥）可以在两个不同的数据通道上分别寻址、读取数据，内存可以达到64×2的位宽。
☐双通道体系包含了两个独立的、具备互补性的智能内存控制器，两个内存控制器都能够在彼此间零等待时间的情况下同时工作，等同于一个128bit内存体系所提供的带宽。
☐例如，当控制器B准备进行下一次存取内存的时候，控制器A就在读/写主内存，反之亦然。
两个内存控制器的这种互补性可以让等待时间缩减50%
双通道技术是一种关系到主板芯片组的技术，与内存自身无关，只要在芯片内部整合两个内存控制器，就可以构成双通道DDR系统。
主板厂商需要按照内存通道将内
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