八、存儲器1.存儲器的基本組成及其讀寫操作
（1）存儲器的基本組成
主存儲器由存儲體、地址譯碼電路、驅動電路、讀寫電路和控制電路等組成。主存儲器主要功能是:①存儲體:是信息存儲的集合體，由某種存儲介質按一定結構組成的存儲單元的集合。通常是二維陣列組織，是可供CPU和計算機其他部件訪問的地址空間。
②地址寄存器、譯碼電路與驅動器:即尋址系統，將CPU確定的地址先送至地址寄存器中，然后根據譯碼電路找到應訪問的存儲單元。在存儲體與譯碼器之間的驅動器的功能是減輕譯碼線驅動負載能力。由于一條譯碼線需要與它控制的所有存儲單元相聯，其負載很大。需要增夾犖動器，以譯碼線連叫犖動器的輸入端，由驅動器的輸出端控制連接在譯碼線上的所有存儲單元。③讀寫電路與數據寄存器:根據CPU的命令，將數據從數據寄存器中寫入存儲體中特定的存儲單元或將存儲體中指定單元的內容讀到數據寄存器中。
④控制電路:接收CPU傳來的控制命令，經過控制電路一系列的處理，產生一組時序信號控制存儲器的操作。
在存儲器的組成中，存儲體是核心，其余部分是存儲體的外圍線路。不同的存儲器都是由這幾部分組成，只是在選用不同的存儲介質和不同的存取方式時，各部分的結構與工作方式略有變化。
（2）存儲體陣列
計算機存儲器中存儲的是“0”和“1”的信息，每一個能存儲一位二進制并能保持兩種狀態的元件稱為記憶元件。若干記憶元件組成存儲單元，一個存儲單元能夠存儲一個或幾個字節的二進制信息。每個存儲單元都有一個地址編號，用以唯一標識存儲單元的位置。信息按地址存入指定的存儲單元中，按地址從指定的存儲單元中取出。存儲單元的集合稱為存儲體。由于存儲體中存儲單元的每個二進制位必須并行工作，因此將存儲單元按其地址的順序組成存儲陣列。
（3）存儲器的地址譯碼系統
CPU要訪問存儲單元的地址由地址總線輸入到地址寄存器中。地址譯碼器將地址轉換為對應地址線（字線）上的控制信號，以表示選中某一單元，并驅動相應的讀寫電路，完成對存儲單元的讀寫操作。
地址譯碼為兩種方式:一種是單譯碼方式，僅有一個譯碼器。譯碼器輸出的每條譯碼線對應一個存儲單元。如地址位數N=10，即譯碼器可以有2 10 =1024種狀態，對應有1024條譯碼線（字線）即1024個存儲單元。另外一種是雙譯碼方式，將譯碼器分成X向和Y向兩個譯碼器，通過雙譯碼器的相互作用確定存儲單元的地址。
設地址長度n仍為10，將其中的前5位輸入到X地址譯碼器中，譯出X 0 到X 31 譯碼線，分別選擇0～31行。將后5位輸入到Y地址譯碼器中譯出Y 0 到Y 31 譯碼線，分別選擇0～31列。X向譯碼器和Y向譯碼器引出的地址線都是2 5 =32條。若采用X向和Y向交*選擇，可以選擇從存儲單元（0，0）至（31，31）共2 5 ×2 5 =1024個存儲單元地址。即同樣可以提供1024種狀態，而地址線只需要64條，比單譯碼器節省93.75%的地址線。
（4）存儲器的讀寫操作
在CPU向存儲體發生讀操作命令時，首先由CPU將相應存儲單元的地址碼送至地址寄存器中;地址譯碼器將地址寄存器中的地址編碼譯成相應地址線（字線）的高電位，標志指定的存儲單元;然后在CPU的統一控制下，由控制電路將讀命令轉換成讀寫電路的操作，執行將指定存儲單元的內容傳送到數據寄存器的操作，完成了整個存儲器讀的操作。存儲器寫的操作與讀的操作相類似。
不同類型的存儲器根據其特點有不同的讀寫操作控制電路、控制機構、讀寫電路及地址譯碼器，但它們的基本操作原理大同小異。
2.RAM的結構、組織及其應用
半導體存儲器有體積小、存取速度快、生產制造易于自動化等特點，其性能價格比遠遠高于磁芯存儲器，因而得到廣泛的應用。
半導體存儲器的種類很多，就其制造工藝可以分成雙極型半導體存儲器和金屬-氧化物-半導體存儲器（簡稱MOS型存儲器）。MOS型存儲器按其工作狀態又可以分為靜態和動態兩種。動態存儲器必須增設恢復信息的電路，外部線路復雜。但其內部線路簡單，集成度高，價格較靜態存儲器便宜。因此經常用做大容量的RAM。
靜態存儲器和動態存儲器的主要差別在于:靜態存儲器存儲的信息不會自動消失，而動態存儲器存儲的信息需要在再生電路的幫助下才能保持。但無論雙極型或MOS型存儲器，其保持的信息將隨電源的撤消而消失。
（1）RAM的組織
半導體RAM芯片是在半導體技術和集成電路工藝支持下的產物。一般計算機中使用的RAM芯片均有自己的存儲體陣列、譯碼電路、讀寫控制電路和I/O電路。①RAM的并聯
為擴展存儲器的字長，可以采用并聯存儲器芯片的方式實現。②RAM的串聯
為擴展存儲器的存儲單元數量，可以采用多個芯片地址串聯的方式解決。③地址復用的RAM組織
隨著大規模集成電路技術的發展，使得一塊存儲器芯片能夠容納更多的內容。其所需地址線隨之增加，為了保持芯片的外部封裝不變，一般采用地址復用的技術，即采用地址分批送入的結構保證不增加芯片的地址引腳。
（2）RAM的實際應用
由于一個存儲器的芯片一般不能滿足使用的要求，所以通常將若干個存儲器芯片按串聯和并聯的兩種方式相結合連接，組成一定容量和字長的存儲器。
如果設計的存儲器容量有x字，字長為y，而采用的芯片為N×M位。要組成滿足字長要求的存儲器所需芯片數為:y/M。根據容量要求，組成要求容量的RAM所需芯片數為:（x/N）×（y/M）。
3.ROM的工作原理及其應用
使用時只讀出不寫入的存儲器稱為只讀存儲器（ROM）。ROM中的信息一旦寫入就不能進行修改，其信息斷電之后也仍然保留。一般用于存放微程序、固定子程序、字母符號陣列等信息。
ROM和RAM相比，使用時不需寫入、再生和刷新等操作，所以其電路比較簡單，但同樣有地址譯碼器、數據讀出電路等。制作ROM的半導體材料有二極管、MOS電路和雙極型晶體管等。因制造工藝和功能不同，一般分為普通ROM、可編程ROM（PROM）、可擦寫可編程ROM（EPROM）和電可擦寫可編程ROM（EEPROM）等。
（1）ROM的工作原理
一般的ROM使用掩模式ROM。這類ROM由生產廠家做成，用戶不能加以修改。
掩模ROM的特點是其存儲內容出廠時由生產廠家一次制成，用戶不能對其內容進行修改，而依賴于生產廠家，這種ROM適用于定型批量制作。在實際使用過程中，部分用戶希望自己根據需要填寫ROM的內容，因此產生可編程ROM（PROM）。PROM與掩模ROM的主要區別是PROM在出廠時其內容均為“0”或“1”，用戶在使用前按照自己的需要利用工具將編碼寫入PROM中，一次寫入不可修改。PROM的使用相當于由用戶ROM生產的最后一道工序中———向ROM中寫入編碼，其余同掩模ROM的使用完全相同。
（2）EPROM和EEPROM的工作原理
為了適應程序調試的要求，針對一般PROM的不可修改特性，設計出可以多次擦寫的可編程ROM（EPROM）。其特點是可以根據用戶的要求用工具擦去ROM中原有的存儲內容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以根據用戶的要求用工具擦去R0M中原有的存儲內容，重新寫入新的編碼。擦除和寫入可以多次進行，其內容同樣不會因斷電而丟失。最常見的EPROM是UVEPROM，其存儲元件常用浮置柵型MOS管組成。出廠時全部置“0”或“1”，由用戶通過高壓脈沖寫入信息。擦寫時通過其外部的一個石英玻璃窗，利用紫外線的照射，使浮柵上的電荷獲得高能而泄漏，恢復原有的全“0”或全“1”狀態，允許用戶重新寫入信息。平時窗口上必須貼有不透明膠紙，以防光線進入而造成信息流失。
另有一種EPROM是通過電氣方法擦除其中的已有內容，也稱為電可擦寫編程ROM（EEPROM）。
4.外存儲器的工作原理
外存儲器是指那些不能被CPU直接訪問的，讀取速度較內存慢，容量比內存大，通常用來存放不常用的程序和數據的存儲器。磁帶、磁盤存儲器是現今最常用的外存，因其利用磁表面介質存儲數據，通常也稱為磁表面存儲器。而光盤是外存發展的方向，有必要了解它們的原理和應用。
（1）磁盤存儲器
磁盤存儲器具有容量大，存取速度高（相對其他種類外存儲器）的特點，因而在各種類型的計算機中普遍被用做主要的外存儲器。磁盤存儲器避免了磁帶存儲的缺點。磁盤存儲器將磁性材料涂粘在以某種材料為主的圓片上，用若干封閉的圓形磁道代替了磁帶的長形磁道。使用時，通過磁盤面的高速旋轉代替磁帶的直線運動，減少尋找特定位置的時間。
磁盤存儲器由磁盤、磁頭、定位系統和傳動系統等部分組成，一般也將這些部件統稱為磁盤驅動器。根據盤片的基本組成材料將磁盤分為硬盤和軟盤兩種。所謂硬盤是指由金屬材料制成一定厚度的盤片基體，這些盤片一般組合成盤片組構成硬盤驅動器的存儲主體。
軟盤和硬盤盤片記錄信息的方式相同，都是將每個盤面由外向內分成若干個磁道，每個磁道也劃分為多個扇區，信息以扇區為單位存儲。
扇區是磁盤存放信息的最小物理單位。扇區包括頭空、序標、數據區、檢驗字段和尾空等幾個部分。通常對磁盤進行的所謂格式化操作就是在磁盤上劃分磁道、扇區及扇區內各特定區域，剛出廠的磁盤上沒有這些劃分，所以必須在格式化后才能使用。
磁盤區域的劃分隨計算機系統的不同而不同，其存儲容量也有較大的差別。但可以通過查閱計算機系統相應的說明掌握磁盤容量的數據。計算一個磁盤容量的公式是:磁盤存儲容量=盤面數×每盤面磁道數×每磁道扇區數×每扇區存儲容量
（2）光盤存儲器
所謂光盤（CD）是利用光學原理讀寫信息的存儲器。由于光盤的容量大、速度較快、不易受干擾等特點，光盤的應用愈來愈廣泛。
光盤系統一般是由光學、電氣和機械部件組成。
從結構上看光盤存儲器同磁盤存儲器基本相同，兩者均有存儲信息的盤片、機械驅動部件、定位部件和讀寫機構。不同的是后者利用磁性原理存儲信息，利用磁頭存取信息;而前者是利用光學原理存儲信息并用光學讀寫頭來存取這些信息。
光盤本身是靠盤面上一些能夠影響光線反射的表面特征存儲信息，例如現在常用的只讀光盤（CD-ROM）上利用光盤表面的凹凸不平表示“0”和“1”。以CD-ROM為例，讀取數據時，由機械驅動部件和定位部件負責確定讀取的位置。激光器發出激光經光學線路至聚焦透鏡射向光盤表面，表面的凹凸不平造成反射光的變化，利用數據光檢測器將這些變化轉換為數據“0”和“1”的電信號傳輸到數據輸出端，整個讀取工作完成。其他類型光盤的寫入過程大體與此相同，唯一的差別是數據自數據輸入端傳來。
一般將光盤存儲器分為只讀式（readonly）、一次寫入式（writeonce）和可擦式（erasable）或可逆式（reversible）三種。只讀式光盤利用材料表面的凹凸不平的特征記錄信息，在出廠前由生產廠家將有關信息存放到光盤上。對于一次寫入式光盤，用戶可以利用會聚的激光束在光盤表面照射使材料發生永久性變化而記錄信息。這種光盤現已普遍用于多媒體系統。可擦式光盤利用激光在磁性材料上或相變材料上實現信息的存儲和擦除。
光盤存儲器的記錄密度高，存儲容量大，一片5.25英寸大小的一次寫入式光盤可以存儲680MB的信息，其容量遠遠大于外形同樣大小的軟磁盤。光盤信息的保存時間也比磁盤的長。目前影響光盤普遍應用的主要原因是光盤存儲器的讀寫速度慢和光盤驅動器的成本高。隨著技術的進步，以上問題是可以解決的。因此光盤存儲器有廣泛的應用前景。
5.虛擬存儲的概念、作用和工作過程
（1）虛擬存儲的概念、作用
一般將由主存和部分輔
存組成的存儲結構稱為虛擬存儲器，其對應的存儲地址稱為虛擬地址（邏輯地址），其對應的存儲容量稱為虛擬容量。將實際主存地址稱為物理地址或實地址，主存的容量稱為實存容量。
當用虛擬地址訪問主存時，系統首先查看所用虛擬地址對應的單元內容是否已裝入主存。如果在主存中，可以通過輔助軟、硬件自動把虛擬地址變成主存的物理地址后，對主存相應單元進行訪問。如果不在主存中，通過輔助的軟、硬件將虛擬地址對應的內容調入主存中，然后再進行訪問。因此，對虛擬存儲器的每次訪問都必須進行虛實地址的變換。
虛擬存儲器的作用是擴大整個主存的容量，允許在程序中使用比主存容量大得多的虛擬存儲器。同時可以減輕人們編程中對程度進行分塊的苦惱，從而提高軟件開發的效率。虛擬存儲器是實現利用小容量的主存運行大規模的程序的一種有效的辦法。盡管實現虛擬存儲要增加一些額外的投資和軟件開銷，虛擬存儲技術在各種計算機系統中仍得到了廣泛的應用。
虛擬存儲器必須建立在主存-輔存結構上，但一般的主存-輔存系統并不一定是虛擬存儲器，虛擬存儲器與一般的主存-輔存系統的本質區別是:
①虛擬存儲器允許人們使用比主存容量大得多的地址空間來訪問主存，非虛擬存儲器最多只允許人們使用主存的整個空間，一般只允許使用操作系統分配的主存中的某一部分空間。
②虛擬存儲器每次訪問主存時必須進行虛、實地址的變換，而非虛擬存儲系統則不必變換。
（2）虛擬存儲的工作原理
虛擬存儲技術，實際上是將編寫程序時所用的虛擬地址（邏輯地址）轉換成較小的物理地址。在程序運行時隨時進行這種變換。為了便于主存與輔存之間信息的交換，虛擬存儲器一般采用二維或三維的復合地址格式。采用二維地址格式時，將整個存儲器劃分為若干頁（或段），每個頁（或段）又包括若干存儲單元。采用三維地址格式時將整個存儲空間分為若干段，每段分為若干頁，每頁又包括若干存儲單元。根據地址格式不同，虛擬存儲器分為:頁式虛擬存儲器、段式虛擬存儲器和段頁式虛擬存儲器。
在虛擬存儲器中邏輯地址與物理地址之間的對應稱為地址映象。通常有三種地址映象的方式:全相聯映象、直接映象和組相聯映象。①全相聯映象
任一邏輯頁能映象到實際主存的任意頁面位置稱為全相聯映象，通常利用頁表法進行地址間的變換。
②直接映象
每個邏輯頁只能映象到一個特定頁面的方式稱為直接映象。如主存實際有2 P 頁，虛擬存儲器的邏輯空間有2 P 頁，則將邏輯空間按物理空間大小分為2 P -P塊，塊內各頁只能映象到主存的相應頁中。即所有各塊的第0頁對應主存的第0頁，各塊的第n頁對應主存的第n頁。若程序需要輪流使用第i塊和第j塊的第m頁，只能將兩頁交替在主存和輔存之間調入調出，形成存儲頁面的“抖動”。③組相聯映象
組相聯映象方法是先按直接映象方法將虛擬存儲空間（邏輯空間）分成若干塊，在主存和邏輯空間中的各塊內劃分為若干組，每個組間按直接映象方法控制。可以這樣理解，如果將組相聯映象方法中的組按直接映象方法的頁來看待，組相聯方法與直接映象方法相同，邏輯空間的各組內的頁只能與對應的物理空間組相聯。但在組內各頁與物理空間的頁面之間采用全相聯映象方法處理。因此，可以認為組相聯映象是全相聯映象和直接映象方法的結合。
6.緩沖技術使用
緩沖技術就是為緩解慢速設備對整個計算機系統速度的影響，在計算機的某些部件中劃定一塊區域，模擬慢速設備的操作，將對慢速設備的操作先存放在此區域中，其他部件完成這一操作后可以繼續其他工作，而慢速設備可以用自己的速度逐漸完成相應的操作。做為中間緩沖的區域稱為緩沖區，相應的技術稱為緩沖技術。
在整個存儲體系的組織中，緩沖技術成為解決容量與速度之間矛盾的主要方法。實際上在計算機系統中緩沖技術解決了許多難題，促進了計算機系統的發展。在存儲體系中，緩沖技術主要體現在Cache的應用和磁盤緩沖的使用。