第四章存儲(chǔ)器系統(tǒng)

4.1存儲(chǔ)器概述4.2存儲(chǔ)器子系統(tǒng)組成和接口4.3I/O子系統(tǒng)組成和接口4.4輔助存儲(chǔ)器4.5相對(duì)簡單計(jì)算機(jī)4.6實(shí)例：一臺(tái)基于8085的計(jì)算機(jī)同濟(jì)大學(xué)軟件學(xué)院4.1存儲(chǔ)器概述◆存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)部件，用于存放程序和數(shù)據(jù)?！粲?jì)算機(jī)發(fā)展的重要問題之一，就是如何設(shè)計(jì)容量大、速度快、價(jià)格低的存儲(chǔ)器?！舯菊掠懻?存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)與讀寫原理4.1.1存儲(chǔ)器的種類1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類

存儲(chǔ)介質(zhì)特點(diǎn)：①兩種穩(wěn)定狀態(tài)；②方便檢測(cè)；③容易相互轉(zhuǎn)換。

(1)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：速度快，用作內(nèi)存。

◆記憶原理：觸發(fā)器、電容（靜態(tài)、動(dòng)態(tài)）

◆雙極型晶體管（ECL、TTL、I2L）

◆場(chǎng)效應(yīng)管型MOS（PMOS、NMOS、CMOS）

(2)磁表面存儲(chǔ)器：容量大，用作外存。

(3)光存儲(chǔ)器：可靠性高，保存時(shí)間長。2.按存儲(chǔ)方式分類存儲(chǔ)方式：訪問存儲(chǔ)單元的方法。兩個(gè)名詞術(shù)語：◆存儲(chǔ)位元：記錄（存儲(chǔ)）一位二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)介質(zhì)區(qū)域或存儲(chǔ)元器件。◆存儲(chǔ)單元：存儲(chǔ)一個(gè)機(jī)器字或一個(gè)字節(jié)，且具有唯一地址的存儲(chǔ)場(chǎng)所。

(1)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器RAM

存儲(chǔ)器的任意單元都可隨機(jī)訪問。◆訪問時(shí)間與存儲(chǔ)單元的位置無關(guān)

(2)只讀存儲(chǔ)器ROM

正常工作時(shí)只讀，能隨機(jī)讀出，不能隨機(jī)寫入。

◆

MROM：只讀

◆

PROM：一次寫

◆可多次改寫ROM：EPROM、E2PROM(3)順序存取存儲(chǔ)器◆信息以文件形式組織，一個(gè)文件包含若干個(gè)塊， 一個(gè)塊包含若干字節(jié)； ◆

存儲(chǔ)時(shí)以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)間

與數(shù)據(jù)物理位置關(guān)系極大； ◆

速度慢，容量大，成本低； ◆

磁帶、電荷耦合器件CCD、VCD(4)直接存取存儲(chǔ)器

信息的組織同順序存取存儲(chǔ)器。對(duì)信息

的存儲(chǔ)分兩步：先隨機(jī)查找數(shù)據(jù)區(qū)域，找到

后再順序存儲(chǔ)。

例：磁盤盤片磁道扇間空隙扇區(qū)3.按存儲(chǔ)器信息的可保存性分(1)

斷電后是否丟失數(shù)據(jù)◆易失性存儲(chǔ)器

特點(diǎn)：斷電后，信息就丟失。如SRAM◆非易失性存儲(chǔ)器(永久性存儲(chǔ)器)

特點(diǎn)：斷電后，信息不丟失。如磁盤(2)讀出后是否保持?jǐn)?shù)據(jù)

◆破壞性存儲(chǔ)器

特點(diǎn)：讀出時(shí)，原存信息被破壞，需重寫。

如：DRAM

◆非破壞性存儲(chǔ)器

特點(diǎn)：讀出時(shí)，原存信息不被破壞。

如：SRAM

4.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類

(1)高速緩沖存儲(chǔ)器：位于主存和CPU之間

(2)主存儲(chǔ)器

(3)輔助存儲(chǔ)器：不能由CPU的指令直接訪問，必須通過專門的程序或?qū)ｉT的通道把所需的信息與主存進(jìn)行成批交換，調(diào)入主存后才能使用。4.1.2主存儲(chǔ)器的基本操作

1.主存與CPU之間的連接MDRMARCPU主存讀數(shù)據(jù)總線地址總線寫2.主存儲(chǔ)器的基本組成

3.主存的基本操作

MAR：地址寄存器MDR：數(shù)據(jù)寄存器CPU讀操作（取操作）地址（MAR）ABMEM讀命令（Read）CBMEMMEM存儲(chǔ)單元內(nèi)容（M）DBMDRCPU寫操作（存操作）地址（MAR）ABMEM寫命令（Write）CBMEMMEM存儲(chǔ)單元MDBMDR◆從系統(tǒng)的角度看計(jì)算機(jī)怎樣執(zhí)行這些操作圖4.2存儲(chǔ)器讀寫數(shù)據(jù)的操作時(shí)序

(1)存儲(chǔ)容量：存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制信息總量。

(2)速度:主存的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)?！舸嫒r(shí)間：又稱訪問時(shí)間，是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。

◆存儲(chǔ)周期:指連續(xù)啟動(dòng)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)體操作所需的最小時(shí)間間隔。它包括存儲(chǔ)器的存取時(shí)間和自身恢復(fù)時(shí)間。

4.1.3存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)

(3)帶寬（存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)傳輸率、頻寬）:存儲(chǔ)器單位時(shí)間所存取的二進(jìn)制信息的位數(shù)。

帶寬＝存儲(chǔ)器總線寬度/存取周期(4)價(jià)格（每位價(jià)格）除上述指標(biāo)外，影響存儲(chǔ)器性能的還有功耗、可靠性等因素。4.2存儲(chǔ)器子系統(tǒng)組成和接口4.2.1半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的種類◆主存儲(chǔ)器主要由半導(dǎo)體存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)◆半導(dǎo)體存儲(chǔ)器（按存儲(chǔ)方式分）（1）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RandomAccessMemory，RAM）（2）只讀存儲(chǔ)器（Read-OnlyMemory，ROM）它們各自有許多不同的類型。4.2.1.1ROM芯片

1.按可編程方式和頻度的不同，ROM芯片有幾種不同

的類型：

(1)掩膜式ROM（或簡單地稱為ROM）

在芯片制作時(shí)就將數(shù)據(jù)編程進(jìn)去了。一旦安裝完畢，數(shù)據(jù)就不再更改。

雙極型固定掩模型ROM(2)PROM(可編程ROM)

可由用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的PROM編程器編程。

具有保險(xiǎn)絲一樣的內(nèi)部連接，只能編程一次。存儲(chǔ)位元的基本結(jié)構(gòu)有兩種：全“1”熔斷絲型、全“0”肖特基二極管型

雙極熔絲型PROM存儲(chǔ)矩陣(3)EPROM是可擦除PROM

能編程，內(nèi)容可以擦除，即可以重復(fù)編程。

編程類似電容器充電，紫外線照射可重置其內(nèi)

容。疊柵注入MOS管（Stacked-gateInjectionMOS，SIMOS）(4)EEPROM，或E2PROM，電可擦除PROM

和EPROM相似，但用電擦除和重編程，不用

紫外線?？尚薷膫€(gè)別單元，重編程只要幾秒鐘。(5)flashE2PROM

Intel公司80年代后期一種高密度、非易失性的可讀/寫存儲(chǔ)器

可用電擦除數(shù)據(jù)塊，而不是單個(gè)的存儲(chǔ)單

元。兼?zhèn)淞薊EPROM和RAM的優(yōu)點(diǎn)。

2.不管哪一種ROM，它們的外部配置幾乎一樣。

把存儲(chǔ)體及其外圍電路（包括地址譯碼與驅(qū)動(dòng)電路、讀寫放大電路及時(shí)序控制電路等)）集成在一塊硅片上，稱為存儲(chǔ)器芯片。

譯碼驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)體讀寫電路片選線(使能端)讀/寫控制線地址線……數(shù)據(jù)線……存儲(chǔ)器芯片的基本結(jié)構(gòu)ROM芯片：2n×m位

則它有：n個(gè)地址輸入An-1～A0m個(gè)數(shù)據(jù)輸出Dm-1～D0

芯片使能輸入端（CE）輸出允許端（OE）除掩膜式ROM，其它所有的ROM都有一個(gè)編程

控制輸入端（VPP），用來控制向芯片輸入數(shù)據(jù)。4.2.1.2RAM芯片

1.按保持?jǐn)?shù)據(jù)方式的不同，RAM芯片分為：

(1)動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）

利用MOS晶體管極電容(或MOS電容)上充

積的電荷來存儲(chǔ)信息的。通常定義：電容充電至高電平，為1；電容放電至低電平，為0。由于有漏電阻存在，電容上的電荷不可

能長久保存，需要周期地對(duì)電容進(jìn)行充電，

以補(bǔ)允泄漏的電荷，這就叫刷新。

C0WCTD單管MOS動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)位元電路

定義：C上有電荷—“1”

C無電荷—“0”保持：字線w低，T截止，切斷了C的通路，C

上電荷狀態(tài)保持不變。當(dāng)然由于漏電存在，需刷新。寫入操作寫入“1”，位線D上加高電位，對(duì)電容C充電。寫入“0”，位線D上加低電位，電容C通過T放電。讀操作當(dāng)T導(dǎo)通以后，若原存信息為“1”，電容C上的電荷通過T輸出到位線上，在位線上檢測(cè)到電流，表示所存信息為“1”。若原存信息為“0，電容C上幾乎無電荷，在位線上檢測(cè)不到電流，表示所存信息為“0”。(2)靜態(tài)RAM（SRAM）

利用觸發(fā)器來存儲(chǔ)信息。一旦寫入數(shù)據(jù)，

內(nèi)容一直保持有效，不需要刷新。一種六管靜態(tài)存貯元件電路，它由兩個(gè)反相器彼此交叉反饋構(gòu)成一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。定義：T1通導(dǎo)，T2截止，為“1”狀態(tài)；

T2

通導(dǎo)，T1

截止，為“0”狀態(tài)。保持字驅(qū)動(dòng)線W處于低電位時(shí)，T5、T6截止，切斷了兩根位線與觸發(fā)器之間的聯(lián)系。寫入操作寫入“1”：位線D上加低電位，位線D上加高電位，即B點(diǎn)為高電位，A點(diǎn)為低電位，導(dǎo)致T1導(dǎo)通，T2截止，保存了信息“1”。寫入“0”：位線D上加高電位，位線D上加低電位，即B點(diǎn)為低電位，A點(diǎn)為高電位，導(dǎo)致T2導(dǎo)通，T1截止，保存了信息“0”。讀操作若原存信息為“1”，即T1導(dǎo)通，T2截止。這時(shí)B點(diǎn)為高電位，A點(diǎn)為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線D為低電位，位線D為高電位，表示讀出的信息為“1”。若原存信息為“0”，即T2導(dǎo)通，T1截止。這時(shí)A點(diǎn)為高電位，B點(diǎn)為低電位，分別傳給兩根位線，使得位線D為高電位，位線D為低電位，表示讀出的信息為“0”。2.動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM的比較

集成度、功耗、容量、速度、價(jià)格3.兩種RAM外部配置相同

2n×m的芯片都有：

n個(gè)地址輸入

m個(gè)雙向數(shù)據(jù)引腳

（正常操作條件下數(shù)據(jù)引腳也可輸入數(shù)據(jù)）

芯片使能端（CE或者CE’）

讀使能端（RD或RD’）

寫使能端（WR或WR’）

或一個(gè)組合的信號(hào)，如R/W’4.2.2內(nèi)部芯片組成

ROM、RAM芯片內(nèi)部組成相似。1.線性組成（linearorganization）

隨著單元數(shù)量的增加，線性組成中地址譯碼

器的規(guī)模變得相當(dāng)?shù)拇蟆４藭r(shí)可使用多維譯碼。

圖4.48×2的ROM芯片的內(nèi)部線性組成

◆三位地址被譯碼，以選擇8個(gè)單元中的1個(gè)，

但CE要有效。如果CE=0,譯碼器無效，則不選

擇任何單元。譯碼選中單元的三態(tài)緩沖器有效，

允許數(shù)據(jù)傳送到輸出緩沖器中。如果CE=1且

OE=1，則輸出緩沖器有效，數(shù)據(jù)從芯片中輸出；

否則，輸出是三態(tài)。線性組成的存儲(chǔ)器芯片（64字×8位）CE2.二維組成（two-dimensionalorganization）

多維譯碼帶來的節(jié)省很重要。

如:4096×1的芯片，其線性組成需要一個(gè)12～4096

譯碼器，大小與輸出的數(shù)量（4096）成正比。如

果排列成64×64的二維數(shù)組，則要兩個(gè)6～64譯

碼器，大小正比于2×64。兩個(gè)譯碼器一起大約

是那個(gè)大譯碼器大小的3%。

圖4.58×2的ROM芯片的內(nèi)部二維組成二維組成的存儲(chǔ)器芯片（16×1位）4.2.3存儲(chǔ)器子系統(tǒng)的組成

構(gòu)造單個(gè)芯片的存儲(chǔ)器只需從系統(tǒng)總線上連接地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。大多數(shù)存儲(chǔ)器系統(tǒng)需要組合多個(gè)芯片。要組成一個(gè)主存儲(chǔ)器，需要考慮的問題：①如何選擇芯片根據(jù)存取速度、存儲(chǔ)容量、電源電壓、功耗及成本等方面的要求進(jìn)行芯片的選擇。②所需的芯片數(shù)量

例：用1K×4位芯片組成32K×8位的存儲(chǔ)器，所需芯片為：③

如何把許多芯片連接起來。通常存儲(chǔ)器芯片在單元數(shù)和位數(shù)方面都與實(shí)際存儲(chǔ)器要求有很大差距，所以需要在字方向和位方向兩個(gè)方面進(jìn)行擴(kuò)展。一、組合構(gòu)造多位連接芯片相應(yīng)的地址和控制信號(hào)，數(shù)據(jù)引腳連

到數(shù)據(jù)總線的不同位。

例：2個(gè)8×2的芯片組合成一個(gè)8×4的存儲(chǔ)器

◆共同的三位地址輸入，共同的CE、OE信號(hào)。

◆第一個(gè)芯片數(shù)據(jù)引腳連到數(shù)據(jù)總線的第3位

和第2位，

◆第二個(gè)芯片數(shù)據(jù)引腳則連在第1位和第0位。

圖4.6由兩個(gè)8×2ROM芯片構(gòu)成的8×4存儲(chǔ)器子系統(tǒng)

用4K×2位的RAM存儲(chǔ)芯片構(gòu)成4K×8位的存儲(chǔ)器

二、組合構(gòu)造多字

兩個(gè)8×2芯片組成一個(gè)16×2的存儲(chǔ)子系統(tǒng)。圖4.7（a）使用高位交叉，各芯片高位地址相同，

同一芯片所有存儲(chǔ)單元在系統(tǒng)內(nèi)存中相鄰。

圖4.7（b）用的是低位交叉，各芯片低位地址相同。低位交叉能為流水線存儲(chǔ)器訪問提供速度上的優(yōu)勢(shì)，對(duì)能同時(shí)從多于一個(gè)存儲(chǔ)器單元中讀取數(shù)據(jù)的CPU來說，低位交叉也存在速度上的優(yōu)勢(shì)。

例：用16K×8位的RAM存儲(chǔ)器芯片構(gòu)成64K×8位的存儲(chǔ)器。需要4片16K×8位的芯片

64K×8位的存儲(chǔ)器：16位地址線A15～A016K×8位的芯片的片內(nèi)地址線：14根用16位地址線中的低14位A13～A0進(jìn)行片內(nèi)尋址高兩位地址A15、A14用于選擇芯片設(shè)存儲(chǔ)器從0000H開始連續(xù)編址，則四塊芯片的地址分配：

第一片地址范圍為：0000H～3FFFH

第二片地址范圍為：4000H～7FFFH

第三片地址范圍為：8000H～BFFFH

第四片地址范圍為：C000H～FFFFHA15A14A13A12………A2A1A0

000000000000000000111111111111110000H～3FFFH第一片

010000000000000001111111111111114000H～7FFFH第二片

100000000000000010111111111111118000H～BFFFH第三片

11000000000000001111111111111111C000H～FFFFH第四片片內(nèi)地址芯片使能端地址CE0CE1CE2CE3三、字、位擴(kuò)展用2K×4位的存儲(chǔ)芯片構(gòu)成4K×8位存儲(chǔ)器

4.2.4多字節(jié)數(shù)據(jù)組成用多個(gè)字節(jié)表示整型、浮點(diǎn)或字符串?dāng)?shù)值，必須存

儲(chǔ)在多個(gè)單元中，CPU應(yīng)定義數(shù)據(jù)在這些單元中的順序。

1.兩種多字節(jié)數(shù)據(jù)排列順序

◆高端優(yōu)先（bigendian）

數(shù)值的最高字節(jié)存儲(chǔ)在單元X中，次高字節(jié)存

儲(chǔ)在單元X+1中，以此類推。

◆低端優(yōu)先（littleendian）

最低字節(jié)存儲(chǔ)在單元X中，次低字節(jié)存儲(chǔ)在X+1

中，以此類推。

2.同一字節(jié)的不同位也有大、小endian結(jié)構(gòu)◆大endian結(jié)構(gòu)

0位代表字節(jié)中最右邊的位，最左邊的位是位7。◆小endian結(jié)構(gòu)

最左邊的位是位0，最右邊的位是位7。3.對(duì)齊（信息存儲(chǔ)的整數(shù)邊界原則）

存儲(chǔ)多字節(jié)值的起始單元?jiǎng)偤檬悄硞€(gè)多字節(jié)讀取模塊的開始單元。

該多字節(jié)值的首字節(jié)地址必須是該信息寬度(字

節(jié)數(shù))的整數(shù)倍。對(duì)齊的CPU具有更好的性能。字節(jié)信息的起始地址為：×…××××半字信息的起始地址為：×…×××０單字信息的起始地址為：×…××００雙字信息的起始地址為：×…×０００

4.2.5刷新刷新是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)別于靜態(tài)存儲(chǔ)器的明顯標(biāo)志。CPU與刷新線路在訪問存儲(chǔ)器方面是竟?fàn)幍?，為了確保信息不丟失，刷新優(yōu)先，而CPU和DMA請(qǐng)求會(huì)由于刷新正在進(jìn)行而推遲響應(yīng)。推遲的程度與刷新線路操作類型有關(guān)。動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器采用“讀出”方式進(jìn)行刷新。

1.刷新周期從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍的時(shí)間間隔。主要與電容的放電速度有關(guān)。2.刷新方式

(1)集中式刷新在刷新周期內(nèi)集中安排刷新時(shí)間，在刷新時(shí)

間內(nèi)停止R/W操作。例如：某存儲(chǔ)器芯片容量為16K×1位，存儲(chǔ)矩陣為128×128，在2ms（刷新周期）內(nèi)要對(duì)128行全部刷新一遍。假設(shè)存儲(chǔ)器的存取周期為0.5s。

◆優(yōu)點(diǎn)：主存利用率高，控制簡單?！羧秉c(diǎn)：刷新時(shí)間內(nèi)不能使用存儲(chǔ)器，形成一段

“死區(qū)”，且芯片的存儲(chǔ)行數(shù)越多，死區(qū)越長。(2)

分散式刷新

將系統(tǒng)的存取周期分成兩部分，前半期可用于正常讀寫或保持，后半期用于刷新，如圖所示。存儲(chǔ)芯片的存取周期：0.5s系統(tǒng)存取周期應(yīng)：1s

◆優(yōu)點(diǎn)：不存在“死區(qū)”，控制較簡單。

◆缺點(diǎn)：刷新動(dòng)作過于頻繁，系統(tǒng)速度損失一半。(3)異步式刷新

是上述兩種方式的結(jié)合。把刷新操作平均分配到整個(gè)最大刷新間隔內(nèi)進(jìn)行，相鄰兩行的刷新間隔為：最大刷新間隔時(shí)間÷行數(shù)。在前述的128×128矩陣?yán)又校?ms內(nèi)分散地將128行刷新一遍，即每隔15.5s（2000s÷128≈15.5s）刷新一行。

此方式“死區(qū)”長度幾乎無，且每行在2ms內(nèi)只刷新一次，機(jī)器的工作效率高，但控制稍復(fù)雜。目前最常用的是異步式刷新。4.3I/O子系統(tǒng)組成和接口

輸入/輸出（I/O）設(shè)備功能很不一樣，但都是I/O子系統(tǒng)的一部分。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者而言，CPU和各I/O設(shè)備之間的接口非常相似。圖4.1中，每一I/O設(shè)備與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的地址、數(shù)據(jù)和控制總線相連接，都包括一個(gè)I/O接口電路，此電路與總線交互、也與實(shí)際的I/O設(shè)備交互來傳輸數(shù)據(jù)。1.輸入設(shè)備的一般接口電路

輸入設(shè)備來的數(shù)據(jù)傳送到三態(tài)緩沖器，當(dāng)?shù)刂房?/p>

線和控制總線上的值正確時(shí)，緩沖器設(shè)為有效，數(shù)據(jù)

傳到數(shù)據(jù)總線上，CPU可以讀取數(shù)據(jù)。條件不正確時(shí)，

Enablelogic不會(huì)使緩沖器有效，緩沖器保持三態(tài)，

不把數(shù)據(jù)傳到總線上?！羰鼓苓壿?/p>

每個(gè)I/O設(shè)備有唯一的地址。除非從數(shù)據(jù)總線

得到正確的地址，使能邏輯不置緩沖器有效。同時(shí)

必須從控制總線上得到正確的控制信號(hào)。對(duì)輸入設(shè)

備，RD（或RD’）、IO/M（獨(dú)立I/O中）必須有效。

圖4.9(b)：一個(gè)輸入設(shè)備的使能邏輯

設(shè)備所在系統(tǒng)有8位地址及RD、IO/M

信號(hào)

設(shè)備地址為11110000

用組合邏輯（使能邏輯必須在單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)產(chǎn)生），不能使用時(shí)序器件。2.輸出設(shè)備接口電路設(shè)計(jì)（端口地址為11110000）◆裝載邏輯

在輸出設(shè)備中發(fā)揮著使能邏輯的作用。獲得正

確的地址和控制信號(hào)后，發(fā)出寄存器的LD信號(hào)，

促使它從數(shù)據(jù)總線上讀數(shù)據(jù)。然后輸出設(shè)備可以

在空閑時(shí)從寄存器中讀取該數(shù)據(jù)，同時(shí)CPU可以執(zhí)

行其它任務(wù)。

圖4.10（b）：輸出設(shè)備產(chǎn)生裝載信號(hào)的邏輯

端口地址為11110000

與圖4.9（b）大致相同，只是用WR代替了RD3.輸入輸出組合接口

本質(zhì)上是兩個(gè)接口：一個(gè)用于輸入，另一個(gè)用于輸出。邏輯器件既用來產(chǎn)生緩沖器的使能信號(hào)，又用來

產(chǎn)生寄存器的載入信號(hào)。

如下圖：地址為11110000的組合I/O接口圖4.11帶接口和使能/裝載邏輯的雙向輸入輸出設(shè)備4.I/O設(shè)備比CPU和存儲(chǔ)器慢得多，與CPU交互時(shí)，存在

時(shí)序上的問題。

◆就緒信號(hào)（READY）：一個(gè)控制輸入信號(hào)，CPU用

來同步與I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。通常為高電平。當(dāng)CPU輸出某I/O設(shè)備的地址和正確的控制信號(hào)，使其三態(tài)緩沖器有效，該I/O設(shè)備置READY信號(hào)為低電平。CPU讀取這一信號(hào)，并繼續(xù)輸出同樣的地址和控制信號(hào)，使緩沖器保持有效。在硬盤驅(qū)動(dòng)器的例子中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)器旋轉(zhuǎn)磁頭，并且定位讀寫頭，直到讀到想要的數(shù)據(jù)為止。

設(shè)置READY為低電平而生成的附加時(shí)鐘周期叫做等待狀態(tài)（waitstates）。

CPU也可使用READY同步與存儲(chǔ)器子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

I/O設(shè)備通過緩沖器將數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)總線上，并重

新設(shè)置READY為高電平。

CPU才從總線上讀入數(shù)據(jù)，之后繼續(xù)它的正常操作。4.4輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器作為主存儲(chǔ)器的后援存儲(chǔ)器，用于存放

CPU當(dāng)前暫時(shí)不用的程序和數(shù)據(jù)。當(dāng)CPU需要時(shí)，再將數(shù)據(jù)成批地調(diào)入主存。從輔存所處的位置和與主機(jī)交換信息的方式看，它屬于外部設(shè)備的一種。2.輔存的特點(diǎn)容量大，成本低，可以脫機(jī)保存信息3.輔存主要有兩類:

磁表面存儲(chǔ)器、光存儲(chǔ)器

如磁盤、磁帶、光盤等4.4.1磁表面存儲(chǔ)器的基本原理1.磁表面存儲(chǔ)器把某些磁性材料均勻地涂敷在載體的表面上，形成厚度為0.3～5μm的磁層，將信息記錄在磁層上，構(gòu)成磁表面存儲(chǔ)器。2.磁表面存儲(chǔ)器存儲(chǔ)信息的原理利用磁性材料在不同方向的磁場(chǎng)作用下，形成的兩種穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)來記錄信息。3.磁表面存儲(chǔ)器的讀寫操作◆磁頭：磁表面存儲(chǔ)器的讀寫元件。利用磁頭來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)?！舸蓬^是由鐵氧化體或坡莫合金等高導(dǎo)磁率的材料制成的電磁鐵，磁頭上繞有讀寫線圈，可以通過不同方向的電流?！魧懘蓬^：用于寫入信息的磁頭。讀磁頭：用于讀出信息的磁頭。復(fù)合磁頭：既可用于讀出，又可用于寫入的磁頭。◆讀/寫操作:通過磁頭與磁層相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一般都采用磁頭固定，磁層作勻速平移或高速旋轉(zhuǎn)。由磁頭縫隙對(duì)準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)的磁層進(jìn)行讀/寫操作。磁頭磁表面存儲(chǔ)器的的讀寫元件當(dāng)載體相對(duì)于磁頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)寫入一連串的二進(jìn)制信息。局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I寫N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ssttffee讀出“0”讀出“1”讀數(shù)據(jù)系列PMFMMFMNRZNRZ1RZ111110000位周期

T4.4.2磁表面存儲(chǔ)器的記錄方式歸零制(RZ)

寫0時(shí)，先發(fā)+I，然后回到0；

寫1時(shí)，先發(fā)-I,，然后回到0。2.不歸零制(NRZ)

寫0時(shí)，維持-I不變；寫1時(shí)，維持+I不變。即只有信息變換時(shí)，才在磁層中產(chǎn)生轉(zhuǎn)變區(qū)。NRZ數(shù)據(jù)系列111110000讀出信號(hào)3.

見“1”就翻的不歸零制(NRZ1)

在NRZ基礎(chǔ)上形成的、寫入規(guī)律為：見1就翻。

寫0時(shí)，寫入電流維持原方向不變。

寫1時(shí)，寫入電流方向翻轉(zhuǎn)。NRZ1數(shù)據(jù)系列111110000讀出信號(hào)4.

調(diào)相制(PM)

又稱為相位編碼。其寫入規(guī)律是：

寫0，寫入電流由負(fù)變?yōu)檎?/p>

寫1，寫入電流由正變?yōu)樨?fù)當(dāng)相鄰兩位相同時(shí)，兩位交界處要翻轉(zhuǎn)一次。

PM數(shù)據(jù)系列111110000讀出信號(hào)5.調(diào)頻制(FM)

寫1時(shí)，不僅在位周期的中心產(chǎn)生磁化翻轉(zhuǎn)，而且在位與位之間也必須翻轉(zhuǎn)。寫0時(shí)，位周期中心不產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，但位與位之間的邊界處要翻轉(zhuǎn)一次。

由于寫1時(shí)磁化翻轉(zhuǎn)的頻率為寫0時(shí)的兩倍，故稱為“倍頻制”。

FM數(shù)據(jù)系列111110000讀出信號(hào)6.改進(jìn)調(diào)頻制(MFM或M2F)

寫1時(shí)，在位單元中間改變寫入電流方向；寫兩個(gè)以上0時(shí)，在它們的交界處改變寫入電流方向。

M2F的轉(zhuǎn)變區(qū)數(shù)約為FM的一半。在相同技術(shù)條件下，M2F位單元長度可縮短為FM的一半，使M2F的記錄密度提高近一倍。M2F制度廣泛用于軟盤與小容量硬盤中。

MFM讀出信號(hào)數(shù)據(jù)系列1111100004.4.3磁盤存儲(chǔ)器1.磁盤的分類磁頭固定，每磁道一個(gè)磁頭，環(huán)境要求高，沒有磁頭運(yùn)動(dòng)，速度快?？尚侗P組，可卸下保存。一個(gè)磁頭運(yùn)動(dòng)尋道，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。固定盤組采用密封方式，環(huán)境要求不高。如溫盤。2.磁盤存儲(chǔ)器的組成及邏輯結(jié)構(gòu)◆磁盤存儲(chǔ)器由驅(qū)動(dòng)器、控制器和盤片三部分組成主機(jī)磁盤控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器盤片◆磁盤驅(qū)動(dòng)器又稱磁盤機(jī)或磁盤子系統(tǒng)用于控制磁頭與盤片的運(yùn)動(dòng)及讀寫。是獨(dú)立于主機(jī)之外的完整裝置。音圈電機(jī)控制系統(tǒng)位置檢測(cè)電路模擬控制電路

功率放大邏輯電路

音圈電機(jī)測(cè)速輸出控制器送來的目的磁道信號(hào)編碼電路寫入驅(qū)動(dòng)器磁頭選擇譯碼電路讀放大器輸入輸出寫入電路讀出電路磁頭寫入線圈磁頭讀出線圈選頭信號(hào)33讀/寫電路驅(qū)動(dòng)器內(nèi)包含有旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)部件、磁頭定位部件、讀寫電路和數(shù)據(jù)傳送電路等。◆磁盤控制器主機(jī)與磁盤驅(qū)動(dòng)器之間的接口，通常是插在主機(jī)總線插槽中的一塊印刷電路板。

磁盤控制器的作用：接受主機(jī)發(fā)出的命令與數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)器的控制命令和數(shù)據(jù)格式，控制驅(qū)動(dòng)器的操作。◆盤片：存儲(chǔ)信息的介質(zhì)

3.磁盤信息記錄格式（1）磁盤的結(jié)構(gòu)盤片磁道扇間空隙扇區(qū)◆記錄面：磁盤片表面稱為記錄面。盤片的上下兩面都能記錄信息?！舸诺溃河涗浢嫔弦幌盗型膱A。每個(gè)盤片表面通常有幾十到幾百個(gè)磁道。磁道的編址：從外向內(nèi)依次編號(hào)，最外一個(gè)同心圓叫0磁道，最里面的一個(gè)同心圓叫n磁道，n

磁道里面的圓面積不用來記錄信息?！羯葏^(qū)：將盤面沿垂直于磁道的方向劃分成若干個(gè)扇區(qū)。扇區(qū)的編號(hào)方法：可以連續(xù)編號(hào)，也可間隔編號(hào)?！糁妫▓A柱面）：n個(gè)面上位于同一半徑的磁道形成一個(gè)圓柱面。磁盤組的圓柱面數(shù)等于一個(gè)盤面的磁道數(shù)?！舸疟P地址的表示例如，若某盤片組有8個(gè)記錄面，每個(gè)盤面分成256條磁道，8個(gè)扇區(qū)；當(dāng)主機(jī)要訪問其中第5個(gè)記錄面上，第65條磁道，第7個(gè)扇區(qū)的信息時(shí)，則主機(jī)應(yīng)向磁盤控制器提供如下的地址信息：

0100000l101111磁道號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)驅(qū)動(dòng)器號(hào)磁道號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)（2）磁盤的信息記錄格式磁盤存儲(chǔ)器的每個(gè)扇區(qū)記錄定長的數(shù)據(jù)，讀/寫操作是以扇段為單位一位一位串行進(jìn)行的。每一個(gè)扇區(qū)記錄一個(gè)記錄塊。4.磁盤存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)⑴存儲(chǔ)容量C

磁盤組所有盤片能記錄的二進(jìn)制信息的最大數(shù)量，一般以字節(jié)為單位。若一個(gè)磁盤組有n個(gè)盤面存儲(chǔ)信息，每個(gè)面有T

條磁道，每條磁道分成S個(gè)扇區(qū)，每段存放B個(gè)字節(jié)，則存儲(chǔ)容量C為：

C＝n×T×S×B⑵平均尋址時(shí)間（平均存取時(shí)間）從發(fā)出讀寫命令到讀出或?qū)懭胄畔⑺璧臅r(shí)間。平均尋址時(shí)間＝平均磁道定位時(shí)間＋平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間◆磁道定位時(shí)間：把讀寫頭移到相應(yīng)的磁道位置上所需的時(shí)間。平均磁道定位時(shí)間為最大和最小定位時(shí)間的平均值。◆旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間：定位以后尋找所需扇區(qū)的時(shí)間旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間的平均值為磁盤旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。⑶存儲(chǔ)密度◆位密度

沿磁道方向單位長度所能存儲(chǔ)的二進(jìn)制位數(shù)?！舻烂芏龋貉卮疟P徑向單位長度所包含的磁道數(shù)◆面密度：位密度與道密度的乘積⑷數(shù)據(jù)傳輸率Dr

磁盤存儲(chǔ)器單位時(shí)間內(nèi)所能傳送的數(shù)據(jù)量。設(shè)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為n轉(zhuǎn)/秒，每條磁道容量為N

個(gè)字節(jié)，則

Dr＝n×N(字節(jié)/秒)

設(shè)D為位密度，v為磁盤旋轉(zhuǎn)的線速度，則

Dr＝D×v(字節(jié)/秒)⑸價(jià)格例：磁盤組有6片磁盤，每片有兩個(gè)記錄面，最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm，外徑33cm，道密度為40道/cm，內(nèi)層位密度400位/cm，轉(zhuǎn)速2400轉(zhuǎn)/分，平均尋道時(shí)間為10ms。問：

(1)共有多少柱面?(2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少？

(3)數(shù)據(jù)傳輸率多少?(4)平均尋址時(shí)間是多少？

(5)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式，直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址?(6)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量，應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上，還是記錄在同一個(gè)柱面上?解：(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域＝16.5－11＝5.5(cm)

因?yàn)榈烂芏龋?0道/cm，所以共有40×5.5＝220道，即220個(gè)圓柱面。

(2)內(nèi)層磁道周長為2πR＝2×3.14×11＝69.08（cm）每道信息量＝400位/cm×69.08cm＝27632位

＝3454B

每面信息量＝3454B×220＝759880B

盤組總?cè)萘浚?59880B×l0＝7598800B＝7.25MB(3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr＝r×NN為每條磁道容量，N＝3454Br為磁盤轉(zhuǎn)速，r＝2400轉(zhuǎn)/60秒＝40轉(zhuǎn)/秒

Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s(4)磁盤旋轉(zhuǎn)一圈的時(shí)間為

平均尋址時(shí)間

Ta＝10ms＋25/2ms＝22.5ms(5)采用定長數(shù)據(jù)塊格式，直接尋址的最小單位是一個(gè)扇區(qū)，每個(gè)記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息，在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中，活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式：驅(qū)動(dòng)器號(hào)磁道號(hào)盤面號(hào)扇區(qū)號(hào)4.4.3光盤存儲(chǔ)器◆光盤：利用光學(xué)方式讀寫信息的圓盤光盤采用聚焦激光束在盤式介質(zhì)上非接觸地記錄高密度信息，以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)(如反射率、偏振方向)的變化來表示所存儲(chǔ)信息的“1”或“0”?！艄獗P的優(yōu)點(diǎn)：記錄密度高。◆光盤的缺點(diǎn)：存取時(shí)間長，數(shù)據(jù)傳輸率低。1.光盤的分類(1)只讀型光盤（ReadOnly）廠商以高成本制作出母盤后大批重復(fù)壓制出來的光盤。記錄的信息只能讀出，不能被修改。(2)一次型光盤用戶可以在這種光盤上寫入信息，寫后可以直接讀出。寫入信息會(huì)使介質(zhì)的物理特性發(fā)生永久性變化，因此只能寫一次。寫后的信息不能再改變。(3)可擦寫型光盤（Rewriteable）用戶可對(duì)這類光盤進(jìn)行隨機(jī)寫入、擦除或重寫信息。2.光盤存儲(chǔ)器的工作原理（只讀）HRHR激光光源(c)(b)(a)可擦寫型光盤4.5相對(duì)簡單計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)使用相對(duì)簡單CPU的計(jì)算機(jī)：

有8KROM，起始地址為0

緊接著是8K的RAM

一個(gè)存儲(chǔ)器映射、地址為8000H的雙向I/O端口1.CPU

16個(gè)地址引腳：A15到A0

通過引腳D7到D0訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線兩根控制線：READ和WRITE

圖4.12，只包括了CPU的細(xì)節(jié)，隨著設(shè)計(jì)推進(jìn)，

將開發(fā)出其余部分的細(xì)節(jié)。圖4.12相對(duì)簡單計(jì)算機(jī)：只有CPU的細(xì)節(jié)2.存儲(chǔ)器子系統(tǒng)

(1)8KROM：從地址0開始(從0到8K-1的所有地址)

二進(jìn)制表示：

00000000

0000

0000～000111111111

1111(2)8KRAM：緊跟在ROM后面，地址從8K到16K-1

0010000000000000～0011111111111111

為簡化設(shè)計(jì)，在存儲(chǔ)器子系統(tǒng)中，使用一個(gè)8K的

ROM芯片和一個(gè)8K的RAM芯片。

(3)訪問存儲(chǔ)器芯片，處理器必須提供芯片用的地址

和控制信號(hào)。

◆地址信號(hào)

8K的存儲(chǔ)器有213個(gè)存儲(chǔ)單元，需要13位的地

址輸入來選擇其中一個(gè)單元。

A12到A0：芯片的地址輸入(從地址總線上獲得)

A15、A14和A13：用來選擇存儲(chǔ)器芯片

ROM芯片地址范圍：

00000000

0000

0000～000111111111

1111

(地址的最高三位總是000)

即當(dāng)A15A14A13=000時(shí)，ROM芯片必須有效。

類似的，RAM芯片有效的條件是A15A14A13=001。

◆使能信號(hào)

◆

ROM芯片還有一個(gè)輸出使能信號(hào)

將控制總線上的READ信號(hào)連接到ROM的輸出使能上◆

RAM有兩個(gè)控制輸入RD和WR，控制總線的READ和

WRITE信號(hào)能驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)信號(hào)（CPU的設(shè)計(jì)應(yīng)該確保

這兩個(gè)信號(hào)不會(huì)同時(shí)發(fā)出）。

這些信號(hào)和芯片使能邏輯一起可以保證：任何

時(shí)刻，只有一個(gè)存儲(chǔ)器芯片中的一個(gè)存儲(chǔ)單元被訪

問。圖4.13相對(duì)簡單計(jì)算機(jī)：存儲(chǔ)器細(xì)節(jié)3.I/O子系統(tǒng)系統(tǒng)指明一個(gè)雙向I/O端口，地址為8000H，

或100000000000

0000。用地址和控制信號(hào)來激勵(lì)

該端口的輸入和輸出接口電路。非常類似圖4.11中的設(shè)計(jì)。用寄存器來存儲(chǔ)輸出

到該設(shè)備的數(shù)據(jù)，用三態(tài)緩沖器傳遞來自該設(shè)備的輸

入數(shù)據(jù)。

只要作兩個(gè)修改:

◆第一個(gè)很簡單，由于相對(duì)簡單CPU用的是存儲(chǔ)器映

射I/O，因此將IO/M信號(hào)從電路中刪除。

◆第二個(gè)是修改地址邏輯，以辨認(rèn)地址8000H，而不

是F0H，用組合邏輯可以很容易做到這一點(diǎn)。

圖4.14相對(duì)簡單計(jì)算機(jī)：最后的設(shè)計(jì)4.6實(shí)例：一臺(tái)基于8085的計(jì)算機(jī)

1.8085的一個(gè)特征(地址復(fù)用技術(shù))

使用8個(gè)復(fù)用引腳，AD7到AD0，為所有數(shù)據(jù)位和

地址的低八位。在存儲(chǔ)器訪問的第一個(gè)時(shí)鐘周期，

這些引腳包含地址的低8位；剩下的時(shí)鐘周期，它們

用來傳送或接收數(shù)據(jù)。這是為了減少微處理器引腳

的個(gè)數(shù)。2.一個(gè)附加電路

存儲(chǔ)器要求整個(gè)地址有效，否則不能訪問數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)地址鎖存選通信號(hào)ALE，該信號(hào)在存儲(chǔ)器或I/O訪問的第一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)設(shè)置為1，訪問的剩余時(shí)間為0。用來將低位地址存儲(chǔ)到一個(gè)寄存器中，這樣即使低位地址從AD引腳刪除，還可以從寄存器中得到，這叫做多路分配總線。

第一個(gè)時(shí)鐘周期，8085將地址的低8位A7到A0輸出到這些引腳上，ALE信號(hào)為高，使這些值裝入鎖存器中。在第一個(gè)時(shí)鐘周期末尾，ALE信號(hào)變低，并且A7到A0的值存入了鎖存器，這樣總線空閑，可以用來傳送數(shù)據(jù)位D7到D0。

本節(jié)給出的計(jì)算機(jī)中，這些功能是在專門的芯片里完成的，它可能使用了一個(gè)類似的電路。3.8085微處理器計(jì)算機(jī)的最小系統(tǒng)配置

◆

2K的EPROM：起始地址為0

地址范圍從0到2K-1

0000000000000000到0000011111111111

◆

256字節(jié)RAM：從地址4K開始，范圍為

000100000000

0000到0001000011111111

◆

4個(gè)8位的I/O端口：地址為00H，01H，19H和1A