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1、第3章 存储器技术,存储器就是用来存储程序和数据的，程序和数据都是信息的表现形式。按照存取速度和用途可把存储器分为两大类：内存储器（简称内存，又称主存储器）和外存储器。存储器的容量越大，记忆的信息也就越多，计算机的功能也就越强。,3.1存储器技术简介,注意：外存与内存之间经过DMA控制进行数据的成批交换。,存储器的简单工作原理,存储系统的分类,注：CPU不能直接用指令对外存储器进行读写。要使用外存中的信息，必须先将它调入内存储器。,价格、容量、速度三者间不可调和的矛盾,信息存储上的局部性,存储器分级体系的产生,3.1.1 存储器分类,RAM的种类：在RAM中，按工艺可分为双极性RAM和金属氧化
2、物（MOS）RAM两大类。用MOS器件构成的RAM，可分为静态读写存储器（SRAM）和动态读写存储器（DRAM）两种。,1.随机读写存储器,各类型随机存储器的特点和用途,1）双极性RAM：主要特点是存取速度快；主要用于要求存取速度高的微型计算机中。2）金属氧化物（MOS）RAM：集成度高，价格便宜，随着技术发展速度也不慢；广泛应用于现代生产的各种计算机中。SRAM：状态稳定，只要不掉电，信息不会丢失。优点是不需刷新，缺点是集成度低。适于不需要大存储容量的微型计算机，如单片机中。（6264）DRAM：存储单元以电容为基础，电路简单，集成度高。但电容中的电荷由于漏电会逐渐丢失，所以需定时刷新。适用
3、于大存储容量的计算机中。（内存条）,ROM的种类：1）掩膜工艺ROM；2）可一次编程ROM（PROM）；3）可擦除PROM；可擦除PROM常见的有三种：EPROM、EEPROM、FLASH ROM。,2.只读存储器,各种只读存储器的特点和用途,EPROM：可反复擦除和写入，在其正面的陶瓷封装上有一个玻璃窗口，可以看到内部的集成电路，用紫外线孔照射就可以擦除其内的数据，需要专门的擦除器和编程器。EEPROM：以电信号来修改内容，只需用厂商提供的专用刷新程序就可以轻而易举地改写内容，不需要专用改写设备。（双电压）FLASH ROM：只需要专用程序就可改写（单电压）,半导体存储器的分类,3.1.2
4、存储器的主要性能指标,1.存储容量2.存取时间3.可靠性4.功耗5.价格,3.2 存储器的连接,1）CPU总线的带负载承受能力2）CPU的时序与存储器的存取速度之间的配合3）存储器的组织、地址分配与片选问题,1.CPU与存储器的连接时应注意的问题,2.存储器的连接,系统总线（主要是低位地址信号线）存储器的连接方式有：全地址译码方式和部分地址译码方式。,1）全地址译码方式就是利用地址总线的所有地址信号引脚来惟一地决定存储器芯片的1个单元，也即使存储器芯片的每1个存储单元惟一地占据内存空间的一个地址。2）部分地址译码方式就是把CPU系统总线中的部分地址信号线与存储器芯片相连接，参与存储器地址的译码
5、。,1）全地址译码方式,6264与8088CPU在最大工作模式下采用的就是全地址译码方式连接；6264芯片有13条地址信号线（决定了能寻址8K个存储单元），还有8条双向数据总线（决定该芯片的基本存储单元为一个字节）；由CS1、CS2、OE、WE四个信号相互配合来完成对的读写；6264芯片惟一地占据内存空间0F0000H到0F1FFFH这8KB空间；（A0 A12决定某个存储单元的低位地址，A13 A19决定高位地址）,2）部分地址译码方式,8KB芯片6264所占的内存地址空间范围被分成了0DA000H 0DBFFFH、0DE000H 0DFFFFH、0FA000 0FBFFFH、0FE000H
6、 0FFFFFH；（地址空间重叠：原因是A14、A17没参与译码）重叠区域决不可再分配给其他芯片，只能空着，否则回造成总线竞争而使计算机系统无法正常工作。（部分译码方式是以牺牲内存空间为代价换得译码上的简单）用一条高位地址线接选片信号端的方法叫线性选择（现在已经很少用到）,这种方法直接用CPU地址总线中某一高位线作为存储器芯片的片选信号，简称为线选法。线性选择法的优点是连接简单，片选信号的产生，不需复杂的逻辑电路。,例：某一计算机，共有16条地址线，现接入1KB的RAM和1KB的ROM，由此可以确定，当地址范围要求如图所示，会产生什么问题？,3）译码电路,实现地址译码需要译码电路（如74LS1
7、38、74LS148 等）；用74LS138译码器和与非门配合、且A13 A19全为高电平时，才使存储器芯片选择信号有效，允许8088CPU经过系统总线读出存储器中的程序或数据信息；（如2764）,3.3 存储器管理,1.RAM区：为前640KB空间，地址范围从00000H到9FFFFH。2.保留区：空间为128KB，地址范围从0A0000H到0BFFFFH。3.ROM区：存储空间的最后256KB，地址范围从0C0000H到0FFFFFH。,把8088能够寻址到的1MB空间分为RAM区、保留区和ROM区三个区：,3.3.1 IBM PC/XT中的存储空间分配,IBM PC/XT存储空间的分配,
8、是用户的主要工作区，可读/可写（系统程序占用一部分空间）,作为字符/图形显示缓冲器区域。,前192KB存放系统的控制ROM；后64KB是基本系统ROM区（最后40KB是基本ROM，如放BIOS的8KB）,3.3.2 扩展存储器及其管理,1.寻址范围：,2.存储器管理,1实地址方式 实地址方式是8028680486最基本的工作方式，寻址范围只能在1MB范围内，故不能管理和使用扩展存储器。它在复位时，启动地址为FFFF0H，在此安装一个跳转指令，进入上电自检和自举程序。,2虚地址保护方式（1）存储器管理机制：80386先使用段机制，把包含两个部分的虚拟地址空间转化为一个中间地址空间的地址，然后再用
9、分页机制把线性地址转化为物理地址（2）分段分页机制：是所管理的存储器块具有固定的大小它把线性地址空间中的任一页映射到物理空间的一页。,（3）保护：第一是保护操作系统的存储段和其专用处理寄存器不被应用程序所破坏；第二是为每一个任务分配不同的虚地址空间，从而使不同任务之间完全隔离，实现任务的保护。（4）虚拟存储器的概念：由存储器管理机制以及一个大容量的快速硬盘存储器或光盘支持。,3虚拟8086方式 支持存储管理、保护及多任务环境中执行8086程序，创建一个在虚拟8086方式下执行8086程序的任务，可以使CPU同时执行三个任务：以32位虚地址保护方式执行第一个任务的80386程序；以16位虚地址保
10、护方式执行第二个任务的80286程序；以虚拟8086方式执行第三个任务的8086程序。,3.4 内部存储器技术发展,1.扩展数据输出动态随机访问存储器EDO DRAM；2.同步动态随机访问存储器SDRAM；3.突发存取的高速动态随机存储器Rambus DRAM；,3.5 外部存储器简介,1.硬盘的基本结构：由封装在铸铝腔体中的磁头、磁盘组件与控制电路组件组成。（这种结构称为温彻斯特磁盘。）2.硬盘的工作原理：磁盘：靠磁层的磁化方向来存储信息的；磁头：非接触式的悬浮的形式；用磁头读取信息的顺序是：,3.5.1 硬盘及硬盘驱动器,上图是1982年用在IBM-XT上的一块10M的硬盘，除了外型略大，
11、无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并无大的差别,2、内部结构,揭开外盖后的硬盘，结构一目了然,1.浮动磁头组件由读写磁头、传动手臂、传动轴三部分组成。磁头是硬盘技术最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面飞行，飞高间隙只有0.10.3um，可以获得极高的数据传输率。现在转速5400rpm的硬盘飞高都低于0.3um，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输存储的可靠性。,2.磁头驱动机构由音圈电机和磁头驱动小车组成，新型大容量硬盘还具有高效的防震动机构。高精度的轻型磁头驱动机构能够对磁头进行正确的驱动和定位，并在很短的
12、时间内精确定位系统指令指定的磁道，保证数据读写的可靠性。,3.盘片和主轴组件盘片是硬盘存储数据的载体，现在的盘片大都采用金属薄膜磁盘，这种金属薄膜较之软磁盘的不连续颗粒载体具有更高的记录密度，同时还具有高剩磁和高矫顽力的特点。主轴组件包括主轴部件如轴瓦和驱动电机等。随着硬盘容量的扩大和速度的提高，主轴电机的速度也在不断提升，有厂商开始采用精密机械工业的液态轴承电机技术。4.前置控制电路前置放大电路控制磁头感应的信号、主轴电机调速、磁头驱动和伺服定位等，由于磁头读取的信号微弱，将放大电路密封在腔体内可减少外来信号的干扰，提高操作指令的准确性。,3.硬盘上信息的存储格式,磁盘被划分为：记录面、柱面
13、和扇区；记录面被划分为一系列的同心圆（叫磁道）；每个磁道有分为若干个扇区；（磁道编号从内到外）所有记录面上同一编号的磁道构成了柱面；（柱面数等于每个记录面上的磁道数）信息是按扇区存放的，每个扇区中存放一定数量的字节（通常为512B）由磁头号、磁道号和扇区号来确定某一个存储单元的；,硬盘是一种磁介质的外部存储设备，数据存储在密封、结净的硬盘驱动器内腔的多片磁盘片上。盘片一般是以铝为主要成分的片基表面涂上磁性介质所形成。每一面上都相应地有一个读写磁头磁盘片的每一面上，以转动轴为轴心，以一定的磁密度为间隔的若干个同心圆，被划分成磁道每个磁道又被划分为若干个扇区，数据存按其存放所有盘片相同的位置的磁道
14、构成了所谓的柱面,数据在磁盘上的格式：,头间隔：用来留出一定的时间作为磁盘控制器读/写准备时间；序标：用来作为磁盘控制器的同步定时信号；校验字：用来校验磁盘读出的数据是否正确；尾间隔：用来做扇区间隔；,4.硬盘和主机的数据传送方式,1）PIO模式：用软件控制，即I/O指令来完成数据的传送。2）DMA模式：由DMA控制器控制硬盘读写，因此节省了宝贵的CPU资源。,5.硬盘与主机的接口标准,ATA（IDE）接口和SCSI接口；,6.磁盘阵列技术,3.5.2 光盘存储器,1.光盘记录信息的原理（8-14EFM编码；1X、2X、24X、48X、52X）2.光盘的种类,3.5.3 移动存储器,1.光存储
15、技术和移动存储器2.使用磁介质的移动存储器3.使用特殊存储器技术的移动存储器,硬盘的维护,（1）防止硬盘受震动（2）硬盘正在读写时不能随意关机或重新启动系统（3）控制硬盘的工作环境（4）不要轻易对硬盘进行低级格式化（5）定期整理、维护硬盘（6）硬盘上的数据保护（7）定期检测病毒,“硬盘有价，数据无价”这句深入人心的口号套用在数据恢复领域便是巨大的市场潜力。特别是对于企业来说，数据的损失可能会带来灾难性的后果。因此，不惜一切代价拯救数据的观点就源源不断地为数据恢复行业贡献利润。以高端市场为例，RAID磁盘阵列单盘报价普遍在3000元左右，大型企业往往使用2040个硬盘组成RAID磁盘阵列，一旦出
16、现数据危机，其修复价格可以高达10万元甚至更多。国内的数据恢复市场刚刚起步，普通用户对数据恢复并不怎么了解，即使是众多的电脑高手也只是停留在软件修复的层次上，真正的复杂的数据恢复是涉及到较高技术含量的操作的，而数据恢复行业一直以来都是披着一层神秘的面纱，无尘操作环境也让普通用户敬而远之。,开盘操作与超净间：,当遇到磁头故障或者盘片划伤时，一般都需要开盘进行数据恢复。这项操作不仅要求较高的技术，更需要洁净的环境，因为硬盘中的磁盘一旦暴露在空气中就会接触到致命的灰尘，从而导致数据报废。不同的领域对于数字所表示的等级概念是完全不同的。然而数据恢复行业正存在概念上的模糊与宣传的误导，直接催化了“超净间
17、神话”的诞生。突出的误区之一便是对“百级”、“千级”、“万级”的等级内涵一无所知，甚至于颠倒了等级次序。根据中华人民共和国国家标准GBJ7384，洁净厂房设计规范明确规定了空气洁净度的四个等级（洁净度即指洁净环境中空气含尘粒多少的程度），并制作了相应表格以示划分之标准：,鲜为人知的数据恢复操作：,如果外围设备存在硬件故障，那么只要打开盘体之后，将损坏的部件更换（常见损坏部件为磁头和电机）就有可能解决问题。此外，将盘片取下后通过各种方式来读取数据也是可行的方案，只是其操作难度更大。首先，开盘操作一定要在超净间进行。,毫无疑问，没有超净间就根本谈不上开盘恢复数据，因为硬盘的内部盘体无法暴露在低洁净
18、度的环境下，这是任何正规数据恢复服务商都不可节省的投资。,在进入超净间之前，工程师必须穿洁净服。工程师此前还得在风室内吹走身上的灰尘，这样才能保证进入超净间后不会降低其洁净度。为了确保在接触硬盘时的安全，工程师还得佩带专用的洁净手套。,使用专用的六角螺丝刀打开硬盘之后，我们就可以清晰看到其内部结构，这部分内容我们在先前的段落中已经详细介绍过。,一般而言，最常见的硬件故障便是其磁头损坏，此时需要工程师以精巧的手工将完好的磁头更换上去。在整个硬盘结构中，磁头的精密度非常高，一般出现故障后也难以修复。当遇到硬盘因为磁头故障而无法读取数据时，可以直接将相同品牌与型号（严格要求版本号一致）硬盘的磁头更换
19、上去。这样的操作方法可能将另外一个完好的硬盘报废，但是对于无价的数据而言，几百元的硬盘备件费是很多客户都能够承受的。,表面看起来操作好像并不复杂，但是具体实施过程中难度极高，而且要求工程师有着丰富的经验。更换磁头可谓是最惊心动魄的步骤，这不仅是技巧方面的要求，还要凭借经验操作。不同硬盘所内置的盘片数量和磁头复杂度都不一样，部分型号的操作难度非常大。工程师在更换磁头时万万不能触及盘片，而且更换上其它磁头时也需要调整好位置。,1、页式虚拟存储器,在页式虚拟存储器中，把虚存空间和实存空间划分成等长的块，分别称为虚页（或页面）和实页（或页框）。每页长度应为2的整数幂。每个地址由两部分组成：页号和页内地
20、址。按页进行管理，信息往内存调入是以页为单位的，所以实地址与虚地址间的页内地址相同。因此，虚-实地址的转换主要是虚页号向实页号的转换。,（1）页表机制同一个系统，运行不同的程序时，有不同的虚存的虚存空间。机器作业时，存储管理软件要根据主存的运行情况，为每个程序自动建立一张页表，存放在主存特定区域,虚页号,其他信息,实页号,0123,程序A的页表,0123,虚空间,0123456,实页号,实空间,页表信息字,程序A的虚页,（2）地址转换机构,为了进行某一虚页号向实页号的转换，必须要能根据虚地址找到该虚页的页表信息字。由于每个程序的页表信息字是按虚页号顺序存好的，所以为找到某一页表信息字，必须先得到该程序的页表区的首地址。某一页表信息字的地址，实际上是程序的页表区首地址与该虚页号之和，也就是说，虚页号是其页表信息字地址相对于该程序页表区首地址的偏移量。由于页表被保存在内存特定区中，程序投入运行时，便由存储管理软件把这个程序的页表区首地址送到页表基址寄存器中。,虚页号,页内地址,页表基址寄存器,实页号,页内地址,某程序页表（在主存）,+,来自CPU,逻辑地址,去主存,物理地址,
