微机原理与接口技术 课程设计.docx

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微机原理与接口技术课程设计

河南理工大学

计算机科学与技术学院

课程设计报告

2012—2013学年第2学期

课程名称微机原理与接口技术

设计题目计算机系统中各种存储器

的对比研究

学生姓名

学号

专业班级

指导教师

2013年3月13日

前言

随着现代科技高速发展，存储器的使用已逐渐融入我们的生活。

尤其是大学生和企业及公司工作人员都经常使用到电脑和U盘等来存储文件，然而我们对存储器的真正了解又有多少呢。

大学四年的学习时光转眼即逝，面对所学专业，对微机原理课程设计不得不重视之。

我们知道，存储器是计算机组成结构中一个很重要的部分，它的主要功能是存储程序和各种数据，并能在计算机运行过程中高速、自动地完成程序或数据的存取。

其是具有“记忆”功能的设备，是计算机智能化的重要保证。

计算机中全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。

它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

那么现有存储器的种类有哪些、它们又有哪些各自不同的性能及它们是如何在计算机中发挥存储作用的呢？

为了理清楚以上问题，我做了有关于现有各种存储器的对比研究的分析。

通过该课程设计，巩固了以前所学的有关存储器的知识，加深了对存储器的分类、它们之间的区别、各存储器与计算机的连接、以及在计算机中所起的作用等，从而对存储器的未来有了新的认识。

目录

1.存储器概述1

1.1主储存器结构1

1.2主存中存储单元地址的分配2

1.3主存的技术指标3

2.存储器的分类4

2.1按存储介质分类4

2.1.1半导体存储器4

2.1.2磁表面存储器4

2.1.3光盘存储器4

2.2按存取方式分类4

2.2.1随机存储器RAM（RandomAccessMemory）4

2.2.2只读存储器ROM（ReadonlyMemory）5

2.2.3顺序存取存储器5

2.2.4直接存取存储器5

2.3按应用可分类6

3.各种存储器的特点7

3.1存储器基本单元7

3.2随机存取存储器（RAM）7

3.3只读存储器（ROM）8

3.3.1EPROM8

3.3.2EEPROM9

3.4高速缓冲存储器（Cache）9

3.5硬盘10

3.6光盘11

3.7U盘11

4.各种存储器与计算机的连接及其作用12

4.1存储器与CPU的连接12

4.2存储器的作用13

5.设计体会14

6.参考文献14

1.存储器概述

冯.诺依曼计算机以运算器魏中心，而现代计算机系统则以存储器为中心。

在程序执行的过程中，CPU调入的指令、运算器需要的数据，以及需要存回运算结果，都要对存储器运行操作；各种输入输出设备也常直接与存储器交换数据；多处理器系统中，各处理器共享的数据通过共享存储器实现；因此，存储器是各种信息存储和交换的中心。

存储器存储一位（bit）二进制代码的存储元称为基本存储单元；存储器中，作为一个整体存取的二进制数组成一个存储子，存储字的位数被称为存储器的字长。

存放一个存储字的空间称为存储单元，按一定规则组合在一起的大量存储单元构成一个存储体。

对于存储系统，存储器与外界一次传送的二进制位数称为粒度。

依据计算机计算的需要，不同的存储器与同一存储器在不同场合，与外界传送的粒度是不同的，通常有字节、字、双字、页、块、段、和扇区等。

1.1主储存器结构

　主存的实际结构如上图所示，当根据MAR中的地址访问某个存储单元时，需经过地址译码、驱动等电路，才能找到所需访问的单元。

读出时，需经过读出放大器，才能将被选中单元的存储字送到MDR。

写入时，MDR中的数据也必须经过写入电路才能真正写入到被选中的单元中。

现代计算机的主存都由半导体集成电路构成，图中的驱动器、译码器和读写电路均制作在存储芯片中，而MAR和MDR制作在CPU芯片内。

存储芯片和CPU芯片可通过总线连接，如下图所示。

当要从存储器读出某一信息字时，首先由CPU将该字的地址送到MAR，经地址总线送至主存，然后发读命令。

主存接到读命令后，得知需将该地址单元的内容读出，便完成读操作，将该单元的内容读至数据总线上，至于该信息由MDR送至什么地方，远已不是主存的任务，而是由CPU决定的。

若要向主存存入—个信息字时，首先CPU将该字所在主存单元的地址经MAR送到地址总线，并将信息字送入MDR，然后向主存发写命令，主存按到写命令后，便将数据线上的信息写入到对应地址线指出的主存单元中。

1.2主存中存储单元地址的分配

　　主存各存储单元的空间位置是由单元地址号来表示的，而地址总线是用来指出存储单元地址号的，根据该地址可读出一个存储字。

不同的机器存储字长也不同，为了满足字符处理的需要，常用8位二进制数表示一个字节，因此存储字长都取8的倍数。

通常计算机系统既可按字寻址，也可按字节寻址。

例如IBM370机其字长为32位，它可按字节寻址，即它的每一个存储字包含4个可独立寻址的字节，其地址分配如下图（a）所示。

字地址是用该字高位字节的地址来表示，故其字地址是4的整数倍，正好用地址码的末两位来区分同一字的4个字节的位置。

但对PDP－11机而言，其字地址是2的整数倍，它用低位字节的地址来表示字地址，如下图（b）所示。

　　如上图（a）所示，对24位地址线的主存而言，按字节寻址的范围是16MB，按字寻址的范围为4MB。

如上图（b）所示，对24位地址线而言，按字节寻址的范围仍为16MB，但按字寻址的范围为8MB。

1.3主存的技术指标

主存的主要技术指标是存储容量和存储速度。

存储容量：

是指主存能存放二进制代码的总数，即：

存储容量＝存储单元个数×存储字长

它的容量也可用字节总数来表示，即：

存储容量＝存储单元个数×存储字长／8

存储速度：

存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。

存取时间：

又叫存储器的访问时间（MemoryAccessTime），它是指启动一次存储器操作（读或写）到完成该操作所需的全部时间。

存取时间分读出时间和写入时间两种。

读出时间是从存储器接收到有效地址开始，到产生有效输出所需的全部时间。

写入时间是从存储器接收到有效地址开始，到数据写入被选中单元为止所需的全部时间。

存取周期：

（MemoryCycleTime）是指存储器进行连续两次独立的存储器操作（如连续两次读操作）所需的最小间隔时间，通常存取周期大于存取时间。

　　现代MOS型存储器的存取周期可达100ns；双极型TTL存储器的存取周期接近10ns。

　　与存取周期密切相关的指标叫存储器的带宽，它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，单位可用字/秒或字节/秒或位/秒表示。

如存取周期为500ns，每个存取周期可访问16位，则它的带宽为32M位／秒。

　　存储器的带宽决定了以存储器为中心的机器可以获得的信息传输速度，它是改善机器瓶颈的一个关键因素。

为了提高存储器的带宽，可以采用以下措施：

1、缩短存取周期；

2、增加存储字长，使每个周期访问更多的二进制位；

3、增加存储体。

2.存储器的分类

随着计算机系统结构的发展和微电子技术的进步，存储器的种类也越来越多，可以按照多种方法对其进行分类，如按存储介质。

按存取方式或按他们在计算机中的作用来划分。

2.1按存储介质分类

2.1.1半导体存储器

存储元件由半导体器件组成的叫半导体存储器。

其优点是体积小、功耗低、存取时间短。

其缺点是当电源消失时，所存信息也随即丢失，是一种易失性存储器。

　　半导体存储器又可按其材料的不同，分为双极型（TTL）半导体存储器和MOS半导体存储器两种。

前者具有高速的特点，而后者具有高集成度的特点，并且制造简单、成本低廉，功耗小、故MOS半导体存储器被广泛应用。

2.1.2磁表面存储器

磁表面存储器是在金属或塑料基体的表面上涂一层磁性材料作为记录介质，工作时磁层随载磁体高速运转，用磁头在磁层上进行读写操作，故称为磁表面存储器。

　由于用具有矩形磁滞回线特性的材料作磁表面物质，它们按其剩磁状态的不同而区分“0”或“1”，而且剩磁状态不会轻易丢失，故这类存储器具有非易失性的特点。

2.1.3光盘存储器

光盘存储器是应用激光在记录介质（磁光材料）上进行读写的存储器，具有非易失性的特点。

光盘记录密度高、耐用性好、可靠性高和可互换性强等。

2.2按存取方式分类

　　按存取方式可把存储器分为随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存取存储器四类。

2.2.1随机存储器RAM（RandomAccessMemory）

RAM是一种可读写存储器，其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。

计算机系统中的主存都采用这种随机存储器。

由于存储信息原理的不同，RAM又分为静态RAM（以触发器原理寄存信息）和动态RAM（以电容充放电原理寄存信息）。

DDRRAM（Date-RateRAM）也称作DDRSDRAM，这种改进型的RAM和SDRAM是基本一样的，不同之处在于它可以在一个时钟读写两次数据，这样就使得数据传输速度加倍了。

这是目前电脑中用得最多的内存，而且它有着成本优势，事实上击败了Intel的另外一种内存标准－RambusDRAM。

在很多高端的显卡上，也配备了高速DDRRAM来提高带宽，这可以大幅度提高3D加速卡的像素渲染能力。

2.2.2只读存储器ROM（ReadonlyMemory）

只读存储器是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。

这种存储器一旦存入了原始信息后，在程序执行过程中，只能将内部信息读出，而不能随意重新写入新的信息去改变原始信息。

只读存储器分为掩膜型只读存储器MROM（MaskedROM）、可编程只读存储器PROM（ProgrammableROM）、可擦除可编程只读存储器EPROM（ErasableProgrammableROM）、用电可擦除可编程的只读存储器EEPROM（ElectricallyErasableProgrammableROM）。

以及近年来出现了的快擦型存储器FlashMemory，它具有EEPROM的特点，而速度比EEPROM快得多。

2.2.3顺序存取存储器

顺序存取存储器的特点是：

存储器中存储的信息（字或者记录块），完全按顺序进行存放或读出，在信息载体上没有惟一对应的地址号，访问指定信息所花费的时间和信息所在存储单元的物理位置密切相关，故称为顺序存取存储器，常用SAM表示。

例如，磁带存储器就是顺序存取存储器，其信息的记录格式以记录块（或数据块）为单位再加上一些间隔和标志区，顺序地排列成若干个记录块并组成一个记录文件。

当要访问某个记录块时，只能按顺序寻找目的块。

因此，其存取时间长，速度慢。

这种存储器的存储容量可以做得较大，位价格也低。

2.2.4直接存取存储器

直接存取存储器的特点是：

存储器的任何部位（一个字或字节、记录块等）没有实际的、连线的寻址机构，当要存取所需要的信息时，必须执行两个逻辑操作：

首先，直接指向整个存储器的一个小区域（如磁盘上的磁道或磁头）；然后对这一小区域像磁带那样顺序检索、记数或等待，直至找到最后的目的块（磁道上的扇区）。

由于可以直接指向存储器的一个很小的局部，故称为直接存取存储器，常用DAM表示。

又因后半段操作是顺序存取，故又有半顺序存储器之称。

这类存储器的存取时间与信息存放的位置无关，而且，同一位置的信息在不同的时刻存取所需的时间长短也不相同。

磁盘存储器就是直接存取存储器。

这种存储器容量大，存取速度介于随机存储器与顺序存取存储器之间，多用做辅助存储器。

顺序存取存储器和直接存取存储器又合称为串行访问存储器。

2.3按应用可分类