存储系统——是计算机的重要组成部分,用来存储计算机工作需要的信息（程序和数据）的部件，构成计算机的信息记忆功能。
存储体系：由内部存储器和外部存储器两个层次构成。
CPU、内存储器、外存储器的系统连接关系：
内存储器
通过总线或存储器专用通道连接；
均为半导体存储器，但分为随机存储器和只读存储器两种；
外存储器
通过接口连接到主机系统；
分为磁性存储器、光存储器和半导体存储器三种。
半导体存储器分类
半导体存储器芯片分类：
内部存储器的作用及主要技术参数
▶ 内部存储器：CPU通过总线或存储器通道，按照地址访问（读取或写入），访问速度很快（相比访问外部存储器）。根据不同的用途，可以用RAM（随机存储器）或ROM（只读存储器）实现，RAM和ROM分别占据不同的地址区段。
▶ 内部存储器访问：
◿ 读取——将存储器指定地址的一个或多个字节传送到CPU；
◿ 写入——将CPU中一个或多个字节传送到存储器指定地址。
▶ RAM的作用
◿ 程序运行，由外部存储器传送到RAM；
◿ 运行数据，程序中的数据部分；
◿ 与外部设备间数据交换的缓冲存储。
▶ ROM的作用
◿ 固化在硬件中的基本输入输出程序；
◿ 硬件相关的初始数据、静态数据。
● 存储容量：存储器可以容纳的二进制信息量称为存储容量。以字节(B:Byte)为单位。
1KB = 1024B
1MB = 1024KB = 1,048,576B
1GB =1024MB = 1,048,576KB = 1,073,741,824B
● 速度：读取时间=从发出读出命令到信息稳定在存储器输出端的时间，一般单位为ns(纳秒，10-9秒)。
DRAM芯片一般为几十ns，SRAM芯片为几ns。
其他速度包括写入速度（一般与读取速度差别不大）、擦除速度等。
● 突发访问支持：向存储器发出一次地址，可以连续读/写多个字节。目前由DRAM芯片构成的内存条（模块）突发传送模式下读写速度可以达到几个ns。
● 带宽：（存储器位数/8）×读取速度峰值，单位为MB/s。
● 错误校验：内存在读写过程中检测和纠正错误的能力，常用的错误校验方式有奇偶校验和ECC两种。
◿ 奇偶校验（Parity）：一般每个字节增加一位，用于奇校验或偶校验，只有检错能力。
◿ ECC：一般每64位增加8位。具有数据检错和纠错能力，ECC可以纠正存储器访问的绝大多数错误。
半导体存储器的组成及工作原理
● SRAM
SRAM芯片：内部由存储矩阵、地址译码器、存储控制逻辑和双向缓冲器组成。
WR: 写控制 (WRite)
OE: 输出允许 (Output Enable)
CE: 片选 (Chip Enable)
● DRAM
DRAM的位存储电路：为MOS管+电容器动态存储电路，其记忆信息的机理是依靠电容器C存储电荷的状态，电容器C有电荷时，为逻辑“1”，没有电荷时，为逻辑“0”。
单元读写：只有行选择信号和列选择信号同时有效时才选中该存储单元，再根据数据线状态和控制电路完成对电容电压的读取（读）或对电容的充放电（写）。
刷新：由于电容器存在漏电，因此需要定期对电容器充放电，每隔一定时间（一般2ms左右的刷新周期）就要刷新一次。
DRAM芯片结构：存储阵列为多页面结构，地址线为行地址和列地址分别传送，由行选通（RAS）信号和列选通（CAS）信号控制。数据线分为输入和输出，WE有效为写，无效为读。
● ROM
◿ 只读存储器ROM：
信息只能读取，也不会在掉电时丢失。
◿ ROM器件的特点：
只读，写入需要先擦除信息，再通过特殊操作写入；
结构简单，所以密度高，且成本低；
非易失，可靠性高；
相比较DRAM和SRAM，读取速度慢。
◿ ROM的技术发展过程：
掩膜ROM → PROM → EPROM → EEPROM → Flash Memory
内存模组
● 基本构造
● 标准
内存模组——在PC中使用的各种规格的内存条，由DRAM芯片构成的条状电路模块。
● 时序参数——CPUZ测试内存
SPD（Serial Presence Detect）：用1个小容量EEPROM芯片，记录内存的速度、容量、电压与行、列地址带宽等参数信息。当开机时PC的BIOS将自动读取SPD中记录的信息，以完成正确的硬件参数设置(如外频、读取时间、及各种延时)。
● 内存模组相关技术——性能测试
AIDA64测试内存速度
PC Wizard测试存储器系统性能
02、总线与芯片组
总线——概念
总线的定义——是严格定义一组的信号线的集合，用于实现计算机各部件之间的信息传输的公共通道。
总线特征——公共性、标准性、可扩展性。
总线连接——通过总线可以实现点对多点连接（主从连接）或多点连接。只能实现点对点连接的通道概念上不是总线，但习惯上可能称作总线。
总线信息
数据——传输的数据内容
地址——传输的存储位置，如存储器地址、端口地址等
控制——传输对类型，如存储器读/写、端口读/写等
其他——时钟、复位、电源等
单总线结构计算机
总线类型：
总线——性能
● 总线位宽
总线宽度指的是可以同时传送的数据位数。如USB、SPI、I2C位宽是1，FSB是64位，PCI是32或64位。
● 总线时钟频率总线的传送时钟频率。总线的最高时钟频率可能随着版本的提高而增加。
● 总线带宽每秒钟传送的字节数，最大数据传输率。
总线带宽=总线的位宽÷ 8×总线的工作时钟频率（字节/秒）
或 =总线的位宽×总线的工作时钟频率（位/秒）
芯片组——概念
构成现代PC机主机板的三大半导体部件——CPU、存储器、芯片组。
非芯片组结构的计算机主机板——所用的集成电路大部分是标准的中、小规模集成电路芯片
目前计算机的构成和多项性能取决于芯片组
芯片组的主要生产厂商
CPUZ检测芯片组型号及相关参数
南北桥架构
Intel芯片组总结
03、接口与通信设备
● 接口——用于完成计算机主机系统与外部设备之间的信息交换。接口由接口硬件（接口电路、连接器、连接电缆等)和接口软件(程序)组成。
● 接口的指标
→ 传输速度、传输距离、传输媒介类型；
→ 可靠性（差错控制） 、安全性（保密）；
→ 资源占用（包括CPU时间、中断、DMA等）；
→ 使用方便性和高层协议功能。
接口的功能
● 接口的基本功能
→ 数据传送：CPU执行输入/输出指令与外部设备交换数据。
→ 数据缓冲：用于实现输入输出过程中的暂存。接口电路中存储机制可以是寄存器（1~2个字节）、FIFO存储器（数十到数百字节）、或是普通数据存储器。
→ 信号变换：完成计算机数字信号与I/O设备信号（如模拟信号、开关信号、计数脉冲等）的相互转换。
→ 中断：接口电路一般有中断功能，以提高接口程序的效率。
● 接口的高级功能
→ 差错控制：实现检错或纠错。
→ 高层通信协议：实现呼叫、数据加密、流量控制等。
→ 即插即用、电源管理、动态配置等。
接口软件与硬件
● 接口软件、I/O总线、接口电路和连接的外部设备的关系
● 接口电路构成
● 接口电路的构成——控制和状态寄存器
由地址译码器确定控制和状态寄存器地址，不同的接口电路占用不同的I/O端口地址。
串行接口COM1的I/O地址范围3F8～3FF共8个地址。部分定义如下：
● 数据缓冲存储
接口电路在发送和接收过程中，都有缓冲存储机制。多数缓存机制为FIFO方式。
● 数据变换机制
数据变换可以是电平变换（如RS-232串行接口）、脉冲变换（如红外接口）、差分变换（如USB），也可以是数模变换（如音频）等。
● 接口的操作：程序对接口的访问（读/写）方式。不同的接口电路支持不同的操作方式。
查询控制方式：在程序的主动控制下，通过读取状态寄存器了解接口的情况，完成相应的程序操作。为了及时了解接口的状态，需要时间密集的查询操作。CPU效率低。
中断控制方式：当接口出现需要程序干预的事件，通过中断通知CPU，CPU再读取状态寄存器，确定事件的种类，以便执行不同的代码处理。CPU效率高而且及时。
DMA（Direct Memory Access）控制方式：CPU与接口的数据传送采用DMA传送，即传送的具体过程由硬件（DMA控制器）完成，传送速度比通过CPU快，尤其是在批量传送时效率很高。
串行接口
● 串行接口——RS-232C基本特性
RS-232C接口：
→ 传输速率：75~115,200（128,000）b/s；
→ 传输距离：最长电缆15米（低速率时）；
→ 电缆/连接器：采用9线或25线信号传输，当前多用9线。采用D型连接器；
→ 协议简单：无高层协议；
→ 在Pentium 4时代作为PC的标准配置，目前在PC上的应用逐渐减少。
● 串行接口——RS-232C信号
异步串行传输：异步串行传输中以字节为传输单位，传输一个字节包括起始位、数据位和终止位。
● RS-232C信号电平：采用双极方式，负电平（-3 ~ -15V）代表逻辑1，正电平（+3 ~ +15V）代表逻辑0。一般采用±5V 或±12V。
● 串行接口——RS-232C传输参数
RS-232C接口应用参数：在使用RS-232C通信之前必须设置接口参数，包括速率、数据位数、校验、停止位数和流控方式等。Windows下从“我的电脑”—“设备”— “端口”可以查看串行接口参数。
● 串行接口——RS-232C的接口信号
RS-232C接口信号线：连接的两端分别为DTE（ Data Terminal Equipment ）和DCE（ Data Communication Equipment ）端。
● 串行接口——USB扩展RS-232C
通过USB扩展RS-232C：现代计算机大多已经没有RS-232-C接口，但可以通过USB接口扩展，实现与RS-232C接口的设备连接。安装驱动程序后，在操作系统呈现“虚拟串行口”。
USB
● USB——采用先进技术的新型通用接口
→ 新型：高度复杂的接口电路的集成芯片实现高速差分传输技术，使得传输速度大幅度提高。
→ 复杂：规定了复杂的高层协议，使用简单但编程复杂。
→ 通用：适合计算机中大多数中、低速传输需求。操作系统和芯片组全面支持USB。
→ 版本发展：
● USB物理接口（USB 1.1/2.0）
→ USB采用4线传输，其中两条信号线（差分传输），两条电源线。
→ 标准USB连接器分为A和B两种，A连接器用于主机，B连接器用于外设。
→ mini USB连接器，用于微型设备。
● 传输模式和速度
● USB同步机制
→ NRZI（Non Return to Zero Invert，不归零反向码）编码：输入为0时输出反向，输入为1时输出不变。
→ 位填充：如果在数据流中出现连续传输6个1的情况，则强制在NRZI编码的数据流中加入一个0 。
● USB——连接方式
PC机的USB接口可以连接外设、复合设备和集线器。最多可以连接5级集线器，最多可连接127台外设和集线器。
● USB的四种传输模式（USB 2.0）
→ 控制传输（Control transfer）
支持外设与主机之间的控制、状态等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道。
→ 等时传输（Isochronous transfer ）
适合数据连续不间断、实时的、带宽要求恒定的传输。该类型无差错校验。适合音、视频设备。
→ 中断传输（Interrupt transfer）
适合数据量小，无周期性，但对响应时间敏感的传输。
→ 数据块传输（Bulk transfer ）
适合传输的数据量大，但没有实时要求的传输，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输。适合外存储设备。
● USB 2.0的传输延（理论最大值）
→ 低速、全速模式：1ms
→ 高速模式：125μs
● USB2.0的数据传输速率（KB/s，理论最大值）
● USB 3.0
→ 在USB 2.0的基础上，增加一个更高的速度模式——SuperSpeed，该模式的位速率为5Gbps，全双工模式；
→ 与USB 1.1/2.0并存，USB 1.1/2.0设备在USB 3.0主机正常工作。USB 3.0设备在USB 2.0主机上可能不能工作。
● USB 3.0链接器
USB链接器兼容USB 2.0。
IEEE-1394接口——基本特点
● IEEE-1394：是一苹果公司开发的高速串行方式接口，又名FireWire（火线）、i.Link（Sony名称）、Lynx（德州仪器名称）。
● IEEE-1394连接：包括两个双向的数据差分线对（TPA和TPB）和电源线对。1394的电源为8～40VDC，1.5A供电能力。数据传输有两种模式。
● 1394a：
标准定义了多种传输速率，12.5、25、50、100、200、400Mb/sec的传输速率。电缆和连接器可采用带供电的6线制和不带供电的4线制两种。
● 1394b：
增加了800Mb/sec速率，电缆和连接器采用9线，链接器与1394a不同，但其中的差分对信号与1394a兼容。
● 1394连接器
有标准6线和不带电源的4线（微型）两种。
● IEEE-1394 vs USB
蓝牙
● 蓝牙（Bluetooth）：是一种近距离、共享无线信道方式的无线数据通讯技术标准。由Ericsson、IBM、Intel、NOKIA和Toshiba等5家公司组成了蓝牙特别兴趣小组（Special Interest Group，SIG），负责制定蓝牙标准。
● 蓝牙技术
→ 采用2.402GHz~ 2.480GHz频段，划分成79个间隔1MHz的频道。使用跳频频谱扩展技术，跳频速率1600次/秒；
→ 相对传统无线传输，抗干扰、保密性好。多个不相关的蓝牙通信可在同一个区域共存，相互的干扰只是造成实际通信速率下降。
→ 一台蓝牙设备可同时与其它七台蓝牙设备建立连接，构成微微网；
● 蓝牙应用
→ 发现蓝牙设备：蓝牙设备启动搜索，发现周围处于“可被发现”状态的蓝牙设备；
→ 获取服务：蓝牙服务包括蓝牙协议定义的各种应用，包括蓝牙局域网、拨号网络、文件传输、对象交换、单声道音频、高保真音频、打印、串行通信等；
→ 配对：通过密码实现配对；
→ 连接：针对特定服务的连接。
远程通信设备
远程通信需要经过远程通信设备，即Modem（MOdulator -DEModulator，调制解调器 ）。大多远程通信通过公用有线或无线通道实现。
● 电话网Modem
普通电话网Modem利用公共电话网的拨号和音频传输能力实现计算机远程通信。
调制：将数字变换成符合特定传输通道特性的信号；
解调：将调制信号恢复成原数字信号。
电话公网Modem速率：目前电话网Modem的最高数据速率约56Kb/s。
计算机可能集成了Modem，对外提供电话接口（RJ11连接器）。也可以通过扩展卡（Modem卡）、外接Modem、USB扩展Modem等方式扩展电话网Modem。
● 公网无线Modem
公网无线Modem
无线公网是指移动电话使用的公共无线网。我国目前有三家无线运营商，分别是中国移动、中国联通和中国电信。三家运营商分别有独立的公共无线网，同时提供数据传输业务。
以2G和3G数据业务为例。
手机关键参数：
→ 操作系统：主要包括
Android：安卓，Google系统，三星、HTC等应用；
Symbian：塞班，Nokia专用；
iOS：苹果设备专用；
Window Phone（微软）：Nokia、HTC等应用。
→ 网络制式：
GSM（Global System of Mobile）：移动和联通2G；
CDMA（Code Division Multiple Access ）：电信2G；
TD-SCDMA（Time Division-Synchronous CDMA ）：移动3G；
WCDMA（Wideband CDMA ）：联通3G；
CDMA2000：电信3G。
笔记本计算机、平板电脑可能集成无线公网Modem，即支持3G。也可以外部扩展无线公网Modem，大多数扩展模块接口是笔记本专用接口（如CardBus、Express Card等接口）或USB接口。
● 宽带Modem
→ 宽带Modem：指通信带宽超过音频带宽的数据传输Modem。用于普通上网的方案主要有通过电话线实现的ADSL Modem和通过电视电缆实现的Cable Modem。
→ ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line，非对称数字用户专线）：设备仅实现用户到电话局的传输，通过在普通电话线上采用高频段复用方式实现数据传输。
→ ADSL标准：由ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟 ）制定，目前的最高版本是ITU G.992.5，上行速率3.3Mb/s，下行速率24Mb/s。
ADSL Modem一般通过局域网接口与计算机直接连接，也可以通过集成路由器的ADSL Modem组成局域网。
Cable Modem：通过有线电视电缆实现家庭宽带连接的设备。
传统的有线电视网只有下行传输，经过双向改造的有线电视网才能实现宽带数字传输。
一路电视信号带宽为8MHz，可以实现30Mb/s的下行数据传输和2.048Mb/s的上行数据传输。
Cable Modem可以是机顶盒设备，也可以是独立设备或计算机总线扩展卡。
● 以太网
以太网：目前的局域网（Local Area Network，LAN）采用以太网（Ethernet）组网方式，物理层符合IEEE 802.3标准。
局域网连接：其物理层连接采用双绞线，双绞线为8芯四对双绞线。连接器为RJ45标准。
以太网速率：以太网速率标准的发展过程经历了10Mb/s、100Mb/s和1000Mb/s等不同速率标准。
10Mb/s以太网采用10BASE-T（10Mbps，BASE代表基带传输，T代表双绞线）标准的3类双绞线。在之后的100Mb/s局域网中，电缆标准为100BASE-TX的5类双绞线。千兆以太网采用1000BASE-T/TX的超5类或6类双绞线。
RJ45线序：在局域网连接中使用两种线序不同的电缆，即直通线和交叉线。10Mb/s和100Mb/s连接仅使用其中两对双绞线，1000Mb/s连接使用全部4对双绞线。
直通线：两端的连接器线序相同，用于连接不同级别设备；
交叉线：一端的连接器线序符合T568A，另一端的连接器线序符合T568B。用于相同级别的设备连接。
局域网适配器（LAN adapter）：计算机网络接口的硬件部分，实现网络协议的物理层和数据链路层。更高协议在软件中实现。
MAC（Media Access Control）地址：用于实现计算机的唯一访问标识，是一个48位的二进制数，是全球唯一的地址。
● 交换机（Switch）：交换机为多端口网络设备，用于连接多台计算机。交换机都可以实现数据包的定向转发，将数据包发送到目标设备。
与广播式转发的集线器相比，定向转发的交换机使得局域网的转发效率提高。目前使用交换机更广泛。
部分交换机可以实现差错控制。
● 路由器（Router）：路由器是一个比交换机更复杂的多端口网络设备，传统的路由器用于连接多个局域网到一个广域网（Wide AreaNetwork，WAN），如Internet。
● Wi-Fi（Wireless Fidelity,无线高保真）：是一种无线局域网通信协议，标准是IEEE 802.11b / 802.11g /802.11n。采用2.4GHz频段的短距离无线通信技术，是以太网的无线扩展。
基本性能：Wi-Fi速率最高可达11/54/600Mb/sec，电波的覆盖范围可达100米左右，支持多点接入，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享。
● Wi-Fi的两种组网方式：一种是ad-hoc模式，用于组成无中心的自组网无线网络。另一种是带有AP（Access Point，接入点）设备的方式，称之为基础网络（Infrastructure Network）模式。
● Wi-Fi设备：Wi-Fi设备包括专用的AP接入设备、带有AP接入功能的宽带Modem、带有AP接入的交换机，以及用于计算机的Wi-Fi扩展部件等。
04、往期回顾
边缘计算专题1-4
云计算专题
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发表于 2020-1-17 10:55:50
