存储系统教案051213.docx

1、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

2、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、MO4. 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

3、，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。1011 011011100 10011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

4、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 （ Error Checking and Correcting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（Physical Bank，P

5、-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（Logical Bank，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（Static RAM）（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（Dynamic RAM）动态RAM的结构5.2.2 内存的种类RAM1.RAM的特点（1)

6、 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-SRAM2. SRAMSRAM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-DRAM2. DRAMDRAM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

7、新，每隔12ms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PM DRAM、 EDO DRAM到SDRAM、RDRAM和DDR的发展历程。5.2.2 内存的种类-SDRAM（1） SDRAMSDRAM-同步式DRAM（Synchronous DRAM）。 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

8、动切换）。SDRAM的存取时间约为610ns，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） RDRAMRDRAM（Rambus DRAM）是由Rambus公司开发的高速DRAM。 RDRAM有两种：一种是base/concurrent RDRAM；另一种是direct RDRAM。基于base：频率 600MHz，位宽8位，带宽600MBs基于direct：频率 800MHz，位宽16位，带宽1.6GBsPC133 SDRAM：最高150MHz，位宽64位，带宽900MB/s微机中采用的是 Direct Rambus内存，共有184条引脚，工作电压为2

9、.5/1.8V。Rambus DRAM 内存条（3）DDR SDRAMDDR SDRAM（Dual date rate SDRAM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。DDR SDRAM内存条（4）DDRDDR内存将是现有DDR内存的换代产品，它们的工作时钟预计将为400MHz或更高。DDR内存将采用200、220、240针脚。DDR内存采用了四倍带宽内存技术 （Quad BandMemory ，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

10、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-ROM3. ROM的特点ROM（Read Only Memory）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（Masked ROM）由制造厂家按照事先设计好的线路

11、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（Programmable Read OnlyMemory），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） EPROMEPROM是可擦除的可编程只读存储器（ErasableProgrammable Read Only Memory）。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。 EPR

12、OM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（ElectricallyErasable Programmable Read only Memory）。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-Volatile RAM，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（bitbybit）的非易失E2PROM备份阵列。系统正常工作时，CPU访问SRA

13、M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. Flash memory：快擦型存储器（也译为闪速存储器，简称“闪存”）。特点：非挥发性。借用了EPROM结构简单，又吸收了E2PROM电擦除的特点高速性（可达70ns）可区块电擦除（256KB20GB）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）可重新改写、反复使用（1

14、0万次以上）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：（MW）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(1)根据内存容量及芯片容量确定所需存储芯片数；(2)进行位扩展以满足字长要求单元存储体；(3)对“单元存储体”进行字扩展

15、以满足容量要求。若已有存储芯片的容量为LK，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642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