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3.3 主存储器与CPU的连接
3.3.1 连接原理
​ 单个芯片的容量不可能很大，往往通过存储器芯片扩展技术，将多个芯片集成在一个内存条上，然后由多个内存条及主板上的ROM芯片组成计算机所需的主存空间，再通过总线与CPU相连。下图是存储控制器、存储器总线和内存条的连接关系示意图。

 

​ 内存条插槽就是存储器总线，内存条中的信息通过内存条的引脚，再通过插槽内的引线连接到主板上，通过主板上的导线连接到CPU芯片。

​ 主存与CPU连接原理：

1）主存储器通过数据总线、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积正比于数据传输率。
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（读/写）指出总线周期的类型和本次输入/输出操作完成的时刻。

3.3.2 主存容量的扩展
位扩展法

用多个存储器件对字长进行扩充，增加存储字长使其数据位数与CPU的数据线数相等。

 

连接方式：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。

注意：仅采用位扩展时，各芯片连接地址线的方式相同，但连接数据线的方式不同，在某一时刻选中所有的芯片，所以片选信号CS要连接到所有芯片。

字扩展法

增加存储器中字的数量，而位数不变。

 

连接方式：将芯片的地址线、数据线、读写控制线相应并联，而由片选信号来区分各芯片的地址范围。

如上图所示，用4片16K×8位的RAM芯片组成64K×8位的存储器。将A 15 A 14 A_{15}A_{14}A 
15
​
 A 
14
​
 作为片选信号，连接2/4译码器，完成对4片RAM芯片的选择。各芯片的地址分配如下：

第1片，最低地址：0000000000000000；最高地址：0011111111111111（16位）
第2片，最低地址：0100000000000000；最高地址：0111111111111111
第3片，最低地址：1000000000000000；最高地址：1011111111111111
第4片，最低地址：1100000000000000；最高地址：1111111111111111
注意：仅采用字扩展时，各芯片连接地址线的方式相同，连接数据线的方式也相同，但在某一时刻只需选中部分芯片，所以通过片选信号CS或采用译码器设计连接到相应的芯片。

字位同时扩展法

字位同时扩展是指既增加存储字的数量，又增加存储字长。

 

如上图所示，用8片16K×4位的RAM芯片组成64K×8位的存储器。每两片构成一组16K×8位的存储器（位扩展），4组便构成64K×8位的存储器（字扩展）。

注意：采用字位同时扩展时，各芯片连接地址线的方式相同，但连接数据线的方式不同，而且需要通过片选信号CS或采用译码器设计连接到相应的芯片。

3.3.3 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，即进行片选；然后为选中的芯片依地址码选择相应的存储单元，以进行数据的存取，即进行字选。

​ 片内的字选通常是由CPU送出的N条低位地址线完成的，地址线直接接到所有存储芯片的地址输入端（N由片内存储容量2n决定）。片选信号的产生分为线选法和译码片选法。

线选法

​ 线选法用除片内寻址外的高位地址线直接（或经反相器）分别接至各个存储芯片的片选端，当某地址线信息为“0”时，就选中与之对应的存储芯片。这些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。

​ 假设4片2K×8位存储芯片用线选法构成8K×8位存储器，各芯片的片选信号见表，其中低位地址线A10～A0作为字选线，用于片内寻址。

 

优点：不需要地址译码器，线路简单。
缺点：地址空间不连续，选片的地址线必须分时为低电平（否则不能工作），不能充分利用系统的存储器空间，造成地址资源的浪费。
译码片选法

​ 译码片选法用除片内寻址外的高位地址线通过地址译码器芯片产生片选信号。如上一节采用2/4译码器来实现字扩展。仅用2位便可以产生4位片选信号。

3.4 外部存储器
3.4.1 磁盘存储器
​ 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。

磁盘设备的组成

硬盘存储器的组成：硬盘存储器由磁盘驱动器、磁盘控制器和盘片组成。
磁盘驱动器。核心部件是磁头组件和盘片组件，温彻斯特盘是一种可移动磁头固定盘片的硬盘存储器。
磁盘控制器。硬盘存储器和主机的接口，主流的标准有 IDE、SCSI、SATA等。

存储区域：一块硬盘含有若干记录面，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。

磁头数（Heads）：即记录面数，表示硬盘共有多少个磁头，磁头用于读取/写入盘片上记录面的信息，一个记录面对应一个磁头。
柱面数（Cylinders）：表示硬盘每面盘片上有多少条磁道。在一个盘组中，不同记录面的相同编号（位置）的诸磁道构成一个圆柱面。
扇区数（Sectors）：表示每条磁道上有多少个扇区。

磁记录原理

原理：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。

编码方法：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：通常采用调频制（FM）和改进型调频制（MFM）的记录方式。

磁盘的性能指标

记录密度。记录密度是指盘片单位面积上记录的二进制信息量，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，
位密度是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，
面密度是位密度和道密度的乘积。

注意：磁盘所有磁道记录的信息量一定是相等的，并不是圆越大信息越多，故每个磁道的位密度都不同。

磁盘的容量。磁盘容量有非格式化容量和格式化容量之分。

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。
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） + 旋转延迟时间（磁头定位到所在扇区） + 传输时间（传输数据所花费的时间） + 平均存取时间=寻道时间（磁头移动到目的磁道）+\\旋转延迟时间（磁头定位到所在扇区）+\\传输时间（传输数据所花费的时间）+
平均存取时间=寻道时间（磁头移动到目的磁道）+
旋转延迟时间（磁头定位到所在扇区）+
传输时间（传输数据所花费的时间）+

 

由于寻道和找扇区的距离远近不一，故寻道时间和旋转延退时间通常取平均值。

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，称为数据传输率。假设磁盘转数为r转/秒，每条磁道容量为N字节，则数据传输率为
D r = r N D_r=rN
D 
r
​
 =rN

磁盘地址

主机向磁盘控制器发送寻址信息，磁盘的地址一般如图所示。

驱动器号：电脑可能有多个硬盘
柱面（磁道）号：移动磁头臂（寻道）
盘面号：激活某个磁头
扇区号：通过旋转将特定扇区划过磁头下方

若系统中有4=22个驱动器，每个驱动器带一个磁盘，每个磁盘256=28个磁道、16=24个盘面，每个盘面划分为16=24个扇区，则每个扇区地址要18位二进制代码，其格式如上图所示。

硬盘的工作过程

​ 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。