3-2存储系统-主存与CPU的连接&外部存储器

一.主存与CPU的连接

（一）连接原理

1.主存通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU连接
2.数据总线的位数与工作频率的乘机正比于数据传输率
3.地址总线的位数决定了可寻址的最大内存空间
4.控制总线指出总线周期类型和本次输入/出操作完成的时刻

（二）主存容量的扩展

1.位扩展法

CPU的数据线数与存储芯片的数据位数不一定相等，此时必须对存储芯片扩位，使其数据位数与CPU的数据线数相等。

位扩展的连接方式是将多个存储芯片的地址端、片选端和读写控制端相应并联，数据端分别引出。位扩展用多个存储器件对字长进行扩充，增加存储字长，可以更好的发挥数据总线的数据传输能力

扩展完成。将8片8K×1位的存储芯片，扩展为1个8K×8位的存储器，容量为8KB

2.字扩展法

字扩展指增加存储器中字的数量，而位数不变。更好的利用CPU的寻址能力

3.字位同时扩展法

既增加存储字的数量（字），又增加存储字长（位）

①图中共8块芯片，每两块为一组，实现位扩展。
②16K=2¹⁴，因此芯片内的地址需要用14位表示，可以把A0~A13作为片内地址，剩余的A14、A15高位地址接2-4译码器，正好对应4个片选信号。每一组的存储芯片有16K个存储单元，每个单元可以存8位（16K×8位）。四组即可达到64K×8位，即进行了字扩展
第一组芯片地址范围：0000 0000 0000 0000~0011 1111 1111 1111
第二组芯片地址范围：0100 0000 0000 0000~0111 1111 1111 1111
第三组芯片地址范围：1000 0000 0000 0000~1011 1111 1111 1111
第四组芯片地址范围：1100 0000 0000 0000~1111 1111 1111 1111
可以看出整个地址范围从全0到全1，连续不间断。

• 简述内存（主存）扩展的方式
  （1）位扩展法：增加数据线（增加存储字长）
  （2）字扩展法：增加地址线（增加存储字的数量）
  （3）字位同时扩展法：存储芯片的字长和存储单元同时增加（存储字的数量和存储字长同时增加）

（三）存储芯片的地址分配和片选

CPU要实现对存储单元的访问，首先要选择存储芯片，即片选。选中的芯片按照地址码选择相应的存储单元，以进行数据的存取，即字选。片内的字选通常是由CPU送出的N条低位地址线完成的，地址线直接连接到所有存储芯片的地址输入端。

片选信号的产生分为线选法和译码片选法

1.线选法

通过地址线直接对芯片进行选择，若CPU有n条多余地址线，可以对应n个片选信号。
优点：不需要地址译码器，线路简单
缺点：地址空间不连续，不能充分利用系统存储空间，造成地址资源浪费

A13为1，A14为0，表示左边芯片的片选信号有效，CPU提供的低13位地址只会读取出左边芯片对应存储单元的8bit数据。反之同理。片选地址线每次寻址时只能有一位有效，不允许同时有多位有效，这样才能保证每次只选中一个芯片。因此00和11开头的地址不能用，因此地址空间不连续。

左边地址范围：010 0000 0000 0000~011 1111 1111 1111
右边地址范围：100 0000 0000 0000~101 1111 1111 1111

2.译码片选法

通过非门，保证给左右两芯片的信号相反。地址空间连续，电路复杂。

这里的非门叫做1-2译码器，即一个输入，两个（2¹个）输出。若有3个输入端，可以对应为2³=8种状态。如果CPU给出n位地址信息，通过译码器的翻译，可以得到2ⁿ个片选信号。

如果给定000，则译码器的0号片选线会被选通（图3-8译码器）

①若A13给1，左边有效。左边地址范围：10 0000 0000 0000~11 1111 1111 1111
②若A13给0，取反为1，右边有效。右边地址范围：00 0000 0000 0000~01 1111 1111 1111

【使用译码片选法进行字扩展】
A14、A13均为0时，则0号选通线被选通
A14、A13分别为0和1，则1号选通线被选通

因此，此芯片（0号选通线指向的芯片）的地址范围是：000 0000 0000 0000~001 1111 1111 1111

同理，A14和A13分别为11时，3号选通线被选通，对应芯片的地址范围是：110 0000 0000 0000~111 1111 1111 1111

可以看出，整个主存合法的地址空间从全0到全1，地址范围是连续的。

此外，若接A15和A13，使得A14任意，则地址会翻倍
如选通线0对应芯片的范围（A15和A13均为0）：
0000 0000 0000 0000~0001 1111 1111 1111（A14为0）
0100 0000 0000 0000~0101 1111 1111 1111（A14为1）
使得16K个地址对应到8K个存储单元上，因此实际应用中不会采用

若想充分利用A15，可以更换为3-8译码器，再增加四片8K×8位的存储芯片即可

【两类译码器】
不带圆圈的表示高电平有效，带圆圈的表示低电平有效

使能端（有圆0有效，无圆1有效，均有效才能工作）：CPU可使用译码器的使能端控制片选信号的生效时间。CPU先通过地址线送出地址信号，待地址信号（电信号）稳定后再发出主存请求信号，再激活译码器使能端。

二.外部存储器

计算机的外存储器又称为辅助存储器，目前主要使用磁表面存储器。

（一）磁盘储存器

优点：①存储容量大，位价格低；②记录介质可重复使用；③记录信息可长期保存而不丢失，甚至可脱机存档；④非破坏性读出，读出时不需要再生。
缺点：存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。

详见操作系统-磁盘：4-3文件管理-磁盘组织与管理

1.磁盘存储器

（1）磁盘存储器的组成
磁盘驱动器（核心部件是磁头组件和盘片组件）、磁盘控制器（硬盘存储器和主机的接口）、盘片
（2）存储区域
一块硬盘含有若干记录面（盘面），每个记录面划分为若干磁道，而每条磁道又划分为若干扇区，扇区（也称块）是磁盘读写的最小单位，即磁盘按块存取。

（3）磁记录管理
磁头和磁性记录介质相对运动时，通过电磁转换完成读/写操作

按某种方案(规律)，把一连串的二进制信息变换成存储介质磁层中一个磁化翻转状态的序列，并使读/写控制电路容易、可靠地实现转换。

磁记录方式：调频制（FM）、改进型调频制（MFM）

（4）磁盘的性能指标
①记录密度
盘片单位面积上记录的二进制信息量。记录密度是指，通常以道密度、位密度和面密度表示。
道密度是沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数（如60道/cm表示1cm内有60个磁道），位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数（如600bit/cm表示每厘米的磁道可以存储600bit信息。同一扇区各磁道存储的比特数相等，即靠近内侧的磁道位密度要大），面密度是位密度和道密度的乘积。

②磁盘的容量
磁盘容量有非格式化容量和格式化容量两类。
非格式化容量是指磁记录表面可利用的磁化单元总数，它由道密度和位密度计算而来；格式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量。
格式化后的容量比非格式化容量要小。

③平均存取时间
平均存取时间=寻道时间(磁头移动到目的磁道的时间)+旋转延迟时间(磁头定位到要读写扇区的时间，一般取转半圈的时间)+传输时间(传输数据所花费的时间）

④数据传输率
磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数。设磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为N字节，则数据传输率为r×N

（5）磁盘地址
磁盘地址为（驱动器号（选中硬盘），柱面号（磁道号），盘面号、扇区号）

（6）磁盘的工作过程
硬盘的主要操作是寻址、读盘、写盘。每个操作都对应一个控制字，硬盘工作时，第一步是取控制字，第二步是执行控制字。
硬盘属于机械式部件，其读写操作是串行的，不可能在同一时刻既读又写，也不可能在同一时刻读两组数据或写两组数据。

2.磁盘阵列RAID

将多个独立的物理磁盘组成一个独立的逻辑盘，数据在多个物理盘上分割交叉存储、并行访问，具有更好的存储性能、可靠性和安全性。

在RAID1~RAID5几种方案中（可靠性逐渐提升），无论何时有磁盘损坏，都可随时拔出受损的磁盘再插入好的磁盘，而数据不会损坏，提升了系统的可靠性

（1）RAID0：无冗余和无校验（没有容错能力）的磁盘阵列。类似于低位交叉编址的多体存储器，并行访问，速度提升。

（2）RAID1：镜像磁盘阵列，存两份相同数据，可以按要求选择磁盘访问，提升速度；当某磁盘数据损坏时也可找到备份。但有冗余，容量减少一半，存在空间浪费。

（3）RAID2：采用纠错的海明码的磁盘阵列。类似于低位交叉编址的多体存储器，并行访问，速度提升。增加4、5、6磁盘进行校验，相当于RAID0的优化。

四位信息位，n=4，根据公式n+k≤2^k-1，得k=3（满足等式的最小k值），表示校验码为3位，k也叫做需要增加的冗余信息位。结合n=4得到共7位。海明码只能纠正一位差错（单比特错误）。并且冗余信息位占用的存储空间数优于RAID1的镜像磁盘阵列

海明码详见此链接

（4）RAID3：位交叉奇偶校验的磁盘阵列
（5）RAID4：块交叉奇偶校验的磁盘阵列
（6）RAID5：无独立校验的奇偶校验磁盘阵列

（二）固态硬盘

见操作系统-磁盘：4-3文件管理-磁盘组织与管理-四.固态硬盘SSD