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1、内存,本章介绍了微机系统的内部存储器，包括各种ROM和RAM芯片的特点和功能等。5.1 系统内部存储器 5.2 ROM存储器 5.3 RAM存储器 5.4 内存条和高速缓存,退出,5.1 系统内部存储器,5.1.1 内部存储器简介 系统内部存储器简称为内存，它是系统的主存，负责存储当前运行的程序指令和数据，并通过高速的系统总线，直接供CPU进行处理，因此必须是由高速集成电路存储器组成。CPU、外围芯片组、内存和总线接口这些最基本的部分组成计算机的主机，而内存的容量、速度和可靠性等指标都直接关系到系统的性能。,在微机开始工作时，首先从外存将指定的文件（程序指令和数据）装入内存，然后CPU非常频繁
2、地直接访问内存，执行程序指令，进行数据运算和系统控制等操作，完成特定的任务，并将最终的结果以文件的形式再保存到外存上。硬盘的速度较慢，且其速度对系统的影响远不如内存大。内存由主板和内存条上安装的多种存储器集成电路组成，如只读存储器（ROM）和随机读写存储器（RAM）。主机配备的内存存储容量的大小应根据系统运行的操作系统和应用程序的需要而定，如果要求运行复杂的操作系统和同时运行多个应用程序，所需内存就要更大些。表5-1列出了几种常用软件的内存需求。,表5-1 常用软件对内存的要求,5.1.2 内存的技术指标 内存的主要指标如下：1内存容量 内存容量是指内存的存储单元的数量，单位是字节（Byte）
3、、千字节（KB）和兆字节（MB）。1MB=210KB=1024KB=220Byte=10241024Byte。目前系统内存通常为32MB、64MB、128MB或256MB，显示内存通常为4MB、8MB、16MB或32MB。,2内存速度 内存速度包括内存芯片的存取速度和内存总线的速度。内存存取速度即读、写内存单元数据的时间，单位是毫微秒（nS）。1秒（Sec.）=106微秒（S）=109毫微秒（nS）。常用内存芯片的速度为几十nS到几个nS，显然数值越小速度越快。内存总线的速度是指CPU到内存之间的总线速度，由总线工作时钟决定，如33MHz、66MHz、100MHz和133MHz等，显然数值越大
4、速度约快。所谓PC-100和PC-133的SDRAM内存条，就是指分别满足100MHz和133MHz总线的内存。由于频率和周期互为倒数，10nS和7.5nS的内存应分别对应于100MHz和133MHz总线时钟。,3内存芯片的种类 内存芯片分为只读存储器（ROM）和随机存取存储器（RAM）两大类。ROM又分为PROM、EPROM和EEPROM等。RAM又分为DRAM、SRAM、CMOS RAM和VRAM等，而DRAM等还有各种不同的类型。4奇偶校验 奇偶校验（Parity Check）是系统检查数据存取和传输错误的一种最简单的技术。以奇校验为例，它采用附加的1bit校验位来对8bit数据进行查错
5、，规定正确的数据中所含“1”的个数必须为奇数个。5ECC ECC（Error Check and Correct）即错误检测与纠正，它是一种内存数据检验和纠错技术。ECC是对8bit数据用4bit来进行校验和纠错。带ECC的内存稳定可靠，一般用于服务器。,5.2 ROM存储器,5.2.1 系统ROM BIOS ROM（Read Only Memory）即只读存储器IC。它的特点是只能读不能写，即它存储的内容不会被改写，并且关机后也不会丢失。因此ROM被用来存放开机就要首先执行的BIOS程序。BIOS（Basic Input Output System）即基本输入输出系统，它是微机系统的最基础程
6、序，它“固化”在主板上的ROM芯片中，加电开机后首先执行BIOS，并引导系统进入正常工作状态。所谓“固化”是说BIOS程序是以物理的方式保存在ROM芯片中的，即使关机也不会丢失，所以也叫做ROM BIOS。,BIOS程序中包括系统的启动引导代码、系统加电自检程序POST（Power On Self Test）、系统硬件配置程序（BIOS Setup或CMOS Setup）、基本硬件驱动程序（如键盘、低分辨率显示、软盘、硬盘、通信接口等）以及BIOS的输入输出管理程序等。在微机加电之前，CPU的指令地址指向ROM BIOS的系统启动引导代码。加电后，CPU便首先自动执行引导代码，并开始运行BIO
7、S程序，使BIOS获得系统控制权。BIOS的POST程序根据CMOS存储芯片中的硬件配置数据逐一检测CPU、内存、显示卡、键盘、软盘驱动器和硬盘等，如果各个部分均正常，则引导程序就去引导磁盘操作系统（DOS、Windows等）。,在POST运行中，如果检测到某个硬件不正常，BIOS就会通过PC小喇叭发出故障提示音响代码，或者通过屏幕显示故障提示文字。在BIOS开始运行POST，屏幕显示内存信息时，屏幕下沿会提示按【Del】键去执行系统硬件配置程序（CMOS Setup），进行硬盘类型、软驱类型、日期时间和系统工作参数的设置。如果你及时按【Del】键，便可执行CMOS Setup程序，设置后的数
8、据存入CMOS RAM芯片，在下次启动时BIOS会访问CMOS RAM，得到正确的硬件配置和优化参数来启动系统。如果CMOS设置不当，系统也会因此而无法正常工作。,5.2.2 ROM存储芯片 1PROM PROM（Programmable ROM）即可编程ROM。它允许用户根据自己的需要，利用专门的写ROM设备写入内容，但只允许写一次，使用起来仍然不方便。2EPROM EPROM（Erasable Programmable ROM）即可擦除可编程ROM。它允许用户根据自己的需要，利用专门的EPROM写入器改写其内容，可以多次改写，更新程序比较方便。因此在早期的PC机中都使用EPROM作为BIO
9、S程序的存储器。EPROM的外形见图5-1。它可以用紫外线照射擦除存储数据，用EPROM编程器进行程序编写和输入。,3EEPROM EEPROM或E2PROM（Electrical EPROM）即电可擦除可编程ROM。外形见图5-1，目前的主板都使用EEPROM保存BIOS。EEPROM存储器也叫做闪速存储器（Flash ROM），简称为闪存BIOS。闪存的特点是程序改写、升级方便，只需在机器运行的正常情况下使用专门的应用程序，将来自厂家或网站上的最新版本的BIOS写入闪存即可。闪存ROM的擦除条件是加上12V电压，这可以在主板上用跳线设置成高电压的擦除写入状态。因此目前主板的BIOS升级是容
10、易而及时的，由此主板可以充分发挥最佳效能。,显然闪存BIOS也有致命弱点，它很容易被CIH类的病毒改写破坏，致使主板瘫痪。为此，在主板上采取了硬件跳线禁止写闪存BIOS、软件COMS设置禁止写闪存BIOS和双BIOS闪存芯片等保护性措施。,图5-1 EPROM和EEPROM,5.2.3 ROM BIOS的新特点 ROM BIOS芯片和它在主板上的位置如图5-2所示。目前的ROM BIOS具有如下一些新的特点：1目前BIOS程序存储在闪速存储器（Flash Memory）中，改写和升级比较容易。主板上还有专门的跳线来设置闪存BIOS的允许或不允许改写状态，以便保护BIOS程序不被病毒破坏。2不仅
11、能自动检测硬盘的类型参数，还能自动检测CPU类型、主频和工作电压。也还能自动检测具有PnP功能的扩展卡，并能为之合理分配系统资源。,3除了用软盘A、硬盘C启动操作系统外，还可以用CD-ROM光盘启动系统。4支持SMM（Source Management Mode）即电源管理模式，满足“绿色电脑”的基本要求。它能在主板暂停工作时进入省电状态，即低功耗运行。5具有DMI（Desktop Management Interface）即桌面管理接口，用户可以利用各种支持DMI的工具软件（如Norton等）查看和修改硬件数据，可以直接管理硬件配置。6支持ESCD（Extended System Confi
12、guration Data）即扩展系统配置数据，它包括各扩展卡和集成在主板上的设备的IRQ号、I/O口地址和DMA通道号。在开机完成系统检测后，屏幕显示系统硬件配置表，在表中除了显示上述DMI的数据外，还显示ESCD的数据。,图5-2 ROM BIOS,在选择一个主板时，要特别注意它配备的BIOS程序的版本、功能和兼容性。ROM的读取速度都比较慢，为了提高BIOS读取速度，ROM BIOS本身提供了将自身程序代码复制到RAM上执行的功能，这叫做映象，即Shadow RAM，可在CMOS Setup中加以设置。,5.3 RAM存储器,RAM（Random Access Memory）即随机读写存
13、储器IC。内存主要由RAM存储器芯片构成，按芯片类型和在系统中作用的差别，RAM又可分为DRAM、CMOS RAM、SRAM和VRAM等多种。5.3.1 DRAM DRAM（Dynamic RAM）即动态RAM，因为它的集成度高（单片容量可达64M位）、价格便宜且可读可写，因此系统内存的主要容量空间是由DRAM构成的。,DRAM芯片的容量大存储单元多，地址线的位数多。为了减少芯片的引脚，就把每个存储单元的地址分为行地址和列地址两部分表示。在对每个存储单元进行读写操作时，地址要分两次输入，首先是行地址，然后是列地址，这显然降低了对存储芯片的访问速度。另外DRAM芯片的存储单元是一个电容性电路，系
14、统要定时对存储数据进行额外的刷新，因此，DRAM芯片的存取速度低，一般为70nS（毫微秒）或60nS，比CPU低许多。DRAM芯片的访问方式决定着它的存取速度，按照访问方式DRAM可以分为如下几种：,1FPM FPM（Fast Page Mode）DRAM即快速页方式。FPM的芯片速度可达70ns，常用于486和586主板。2EDO EDO（Extended Data Output）DRAM即可扩展数据输出方式。EDO的芯片速度可达60ns，常用于586和早期Pentium 主板。3SDRAM SDRAM（Synchronous DRAM）即同步DRAM，所谓“同步”是指这种存储器能与系统总线
15、时钟同步工作。SDRAM存储器按系统总线（FSB）的时钟分为66MHz、100MHz和133MHz等多种，后者分别标记为PC100和PC133。SDRAM芯片的读写速度可达10nS，甚至7nS，用于Pentium 以上的主板。,4RDRAM RDRAM（Rambus DRAM）是一种高性能的新型SDRAM存储器。它通过一个新型的高速RamBus总线传输数据，可以支持300MHz总线时钟，又由于是在时钟信号的上升和下降沿均工作，实际上相当于工作在600MHz上。最新的奔腾四主板以双通道的4个RIMM插槽支持RDRAM内存。5DDR DDR（Double Data Rate）即双数据率DRAM，它
16、也是一种新型的高速SDRAM存储器。它在时钟脉冲的上升和下降沿都进行操作，理论上也是目前SDRAM速度的两倍。,5.3.2 CMOS RAM CMOS RAM（Complementary Metal Oxide Semiconductor RAM）即互补型金属氧化物半导体RAM存储器。由于该类存储器耗电极低，开机时由PC电源给CMOS芯片供电，关机后即可切换到主板上的小电池供电，使之不丢失存储信息。因此主板上的CMOS RAM芯片用于存储不允许丢失但需要用户改写的系统BIOS硬件配置信息，如软盘驱动器类型、硬盘驱动器类型、显示模式、内存大小和系统工作状态参数等。每当硬件配置改变时，比如更换了硬
17、盘、内存条等，用户必须在开机时按【Del】键，首先运行BIOS Setup程序（也叫CMOS Setup程序）对相关信息进行修改。每次开机启动时，BIOS程序都要访问CMOS存储芯片，以便正确检测和配置硬件。,CMOS的电池有3.6V的可充电电池和3.3V的普通CR2032钮扣电池等。CMOS RAM芯片和电池如图5-3所示。有些主板的可充电CMOS电池做在了CMOS元件内部。有些CMOS电路也集成到了南桥芯片组内。,图5-3 CMOS RAMM和电池,5.3.3 SRAM SRAM（Static RAM）即静态RAM。SRAM是由静态MOS管构成，它的体积大、集成度比DRAM低、容量小（单片
18、为512Kbits到512KB）和价格高。但是它的速度远高于DRAM，通常为15 nS（毫微秒）到几个nS，因此它被用来构成主板的系统高速缓冲存储器（Cache），以解决低速主存与高速CPU不匹配的瓶颈问题。,5.4 内存条和高速缓存,5.4.1 内存条 早期IBM-PC机的主存储器都是固定安装在主板上，由许多存储芯片组成的，见前面图4-1，容量为256KB。随着系统对内存容量需求越来越大，已无法在主板有限的空间上排列更多的内存芯片了，因此采用ISA总线扩展卡来解决，这就是老式微机的ISA内存扩展卡，通常为384KB，将内存扩充到640KB。ISA总线的数据线是16位，速度又相当慢。,从386
19、微机开始，改为在主板上另外专门为32位数据总线设计了高速的内存总线和内存扩展插槽。内存的DRAM芯片做在称为内存条的印刷电路板上，再把内存条插入内存插槽即可连入系统。内存条是由印刷电路板和内存芯片构成，采用存储器芯片的多少由内存条的容量和芯片的数据位数决定。比如一个1MB的内存条，可以由2个1M4bit的存储芯片组成，如图5-4所示。,图5-4 30线SIMM内存条电路图,内存条插槽的一种叫做SIMM（Single In line Memory Module）即单列直插存储器模块，分为30线（引脚）和72线两种标准。另一种叫做DIMM（Double In line Memory Module）
20、即双列直插存储器模块，为168线标准。30线的SIMM内存扩展插槽提供8位数据，必需四个一组（称为Bank）使用才能提供32位数据宽度的主存，它常用于386或486主板，采用FP内存芯片，存取速度为80或70nS。72线的SIMM内存扩展插槽可提供32位数据，常用于486或586主板。在486机上72线内存条可以单条使用，存储芯片通常为80nS的FPM内存。而在586机上，则应将完全一样的两个72线内存条同时使用构成一组（称为Bank），才能与Pentium CPU的64位外部数据线相吻合，采用的内存芯片通常为70nS的FPM或60nS的EDO内存。,168线的内存扩展可提供64位数据宽，因此
21、168线内存条单条安装便可与64位的Pentium CPU外部数据总线相吻合。这类内存条的芯片分为单面安装和两面安装两种，16M和64M条常做成单面式，8M、32M和128M条常做成两面式，采用的存储芯片为10nS的SDRAM（最初也有EDO的），常用于Pentium MMX（多能奔腾）、Pentium 和Pentium 主板。最初的DIMM SDRAM支持66MHz系统总线，目前还有支持100MHz和133MHz高速系统总线的标有PC100和PC133标记的SDRAM内存条。各种内存条的外形结构如图5-5所示，图5-6是SIMM和DIMM内存条的照片。,图5-5 SIMM和DIMM内存条的结
22、构,图5-6 SIMM和DIMM内存条,内存的速度要由内存总线和内存芯片的速度配合来实现。通常，总线速度用其工作时钟的频率来表示，比如33、66、100和133MHz总线等。而存储器芯片的速度用其存取时间来表示，比如25、20、15、10和7nS等。以频率和周期的倒数关系来比较，与66、100和133MHz内存总线相配合的存储器芯片的速度应该分别为15、10和7.5nS。在比较系统中CPU、系统总线、内存和其它元器件的速度配合时也可以用类似的方法。,5.4.2 系统高速缓存 主存储器的高速缓充存储器也称为“Cache”，它由存取速度较高的SRAM芯片构成。SRAM由静态MOS管构成，速度远高于
23、主存的DRAM存储器，目前可达几毫微秒，因此被用来构成主板上的系统Cache。主板上的Cache芯片如图5-7所示。,图5-7 主板上的Cache,CPU和内存是主机的基本构成，它们决定着系统的速度。由于CPU速度的不断提高，使得构成主存储器的DRAM芯片速度无法与之相配，就大大降低了CPU的执行速度。目前采用的方法是使用少量的高速SRAM芯片组成小容量的高速存储体做为主存的缓冲存储器，来与CPU相匹配，以提高内存的整体访问速度。,在开机时进入CMOS Setup的高级设置表，会看到有“Internal Cache”和“External Cache”两个设置项，其中前一项的内部Cache指的是
24、486或Pentium CPU内建的Cache，常称为“Level1 Cache”或“L1 Cache”，而后一项的外部Cache指的是CPU外部的主板上的Cache，常称为“Level2 Cache”或“L2 Cache”。L1 Cache比L2 Cache的效能要高许多，但容量很有限，因此系统必需有L2 Cache来提高系统速度。对386、486和586主板来说，一般都装有128KB或256KB或512KB的SRAM存储器芯片构成的Cache。高速缓存技术也用于图形加速卡、硬盘、光驱、扫描仪和数码相机等高速设备。Cache的工作原理是：,习题,1了解内存的技术指标。2熟悉ROM BIOS的基本功能和特点。3了解ROM和RAM芯片的种类、特点和作用。4熟悉DRAM、CMOS RAM的种类、特点和作用。5掌握内存条的种类和特点。6了解CACHE的原理。,
