第4章存储器、存储管理和高速缓存技术

1、第4章 存储器、存储管理和高速缓存技术4.1存储器和存储器件4.2存储器的连接4.3微型计算机系统中存储器的体系结构4.4.1 1.虚拟存储技术4.5.1 Cache概述4.1存储器和存储器件存储器和存储器件l4.1.1 存储器的分类l4.1.2 微型计算机内存的行列结构l4.1.3 选择存储器件的考虑因素l4.1.4 随机存取存储器RAM l4.1.5 只读存储器ROM4.1.1存储器的分类EPROM Flash MemoryEEPROM 难以置信，但却是事实难以置信，但却是事实4.1.1存储器的分类(续)根据用途和特点分类： 1.内部存储器，简称为内存或主存（ROM+RAM） 快速存取 容

2、量受限制(地址总线位数、价格) 2.外部存储器，简称为外存容量大速度慢 存储介质：内存集成电路外存-磁盘、光盘、U盘4.1.2微型计算机内存的行列结构微型计算机内存的行列结构字节机制：1字节=8位，存储器以字节为单位容量单位：KB、MB、GB、TB为什么采用行列结构：减少地址选择译码线的条数4.1.3 选择存储器件的考虑因素选择存储器件的考虑因素l易失性：什么是易失性？l只读性：（ROM、RAM）l存储容量：字节为单位 KB/MB/GB/TBl速度：双极型TTL、MOS型l功耗4.1.4 随机存取存储器随机存取存储器RAMl SRAM：双稳态触发器原理：双稳态触发器原理优点：不需要刷新，速度快

3、优点：不需要刷新，速度快缺点：单片容量小，功耗大缺点：单片容量小，功耗大4.1.4 随机存取存储器随机存取存储器RAM（续）（续）l DRAM：电容储存电荷原理：电容储存电荷原理优点：单片容量大优点：单片容量大(价格低价格低)，功耗低，功耗低缺点：需要刷新电路缺点：需要刷新电路DRAM控制器的功能l 时序功能 地址处理功能 仲裁功能 4164共有64K（65536）个内存单元，字长1位即64K1位DRAM控制器集成在北桥中4.1.5只读存储器只读存储器ROM半导体半导体存储器存储器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM4.2 存储器的连接存储

4、器的连接l 4.2.1 存储器和CPU的连接考虑l 4.2.2 片选信号的产生方法l 4.2.3 SRAM和DRAM的连接举例l 4.2.4 存储器的数据宽度扩充和字节数扩充4.2.1 存储器和存储器和CPU的连接考虑的连接考虑l 高速高速CPU和较低速度存储器之间的速度匹配问题。和较低速度存储器之间的速度匹配问题。插入插入TW状态状态l CPU总线的负载能力问题。总线的负载能力问题。加总线驱动器加总线驱动器l 片选信号和行地址、列地址的产生机制。片选信号和行地址、列地址的产生机制。片选和片内寻址两部分片选和片内寻址两部分l 对芯片内部的寻址方法。对芯片内部的寻址方法。矩阵结构（芯片生产厂家决

5、定）矩阵结构（芯片生产厂家决定）4.2 存储器的连接存储器的连接4.2.2 片选信号的产生方法片选信号的产生方法(续续)l 线选法线选法（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（4）1KBCSA10A11A13A12A0A9特点：简单 地址不连续 地址重叠A13 A12 A11 A10A9.A0 地址范围4.2.2 片选信号的产生方法片选信号的产生方法l 全译码法全译码法 8KB(2)CS8KB(1)CS 8KB(8)CS 3-8译码器A0A12A13A15Y0Y1Y7特点：复杂 单元地址唯一 译码信号不一定全用全部高位地址进行译码A15 A14 A13 A12.A0地址范围4.2.2

6、 片选信号的产生方法片选信号的产生方法l 部分译码法部分译码法 8KB(2)CS 8KB(1)CS 8KB(3)CS 2-4译码器A0A12A13A14Y0Y1Y4 8KB(4)CSA15(不参加译码）A14 A13A12.A0地址范围A154.2.2 片选信号的产生方法片选信号的产生方法l 混合译码法混合译码法 2KB(8)CS 2KB(1)CS 2KB(9)CS 3-8译码器A0A10A11A13Y0Y1Y7 2KB(10)CSA15.11A14缺点：缺点：与线选法相同，存在地址重叠和地址不连续的问题。与线选法相同，存在地址重叠和地址不连续的问题。A15 A14 A13 A12 A11A1

7、0A0地址范围4.2.3 SRAM和和DRAM的连接举例的连接举例l SRAM的使用举例的使用举例16KB的SRAM子系统总线驱动器总线驱动器及外围电路及外围电路存储存储模块模块A19A14 A13 A12A11.A0地址范围4.2.3 SRAM和和DRAM的连接举例的连接举例l DRAM的使用举例的使用举例DRAM控制器8203和2164的连接2164芯片64Kx1B4.2.4 存储器的数据宽度扩充和字节数扩充存储器的数据宽度扩充和字节数扩充l数据宽度的扩充数据宽度的扩充l数据线的连接l地址线的连接； l控制线的连接l字节的扩充字节的扩充4.2.4 存储器的数据宽度扩充和字节数扩充存储器的数

8、据宽度扩充和字节数扩充l数据宽度的扩充数据宽度的扩充4.2.4 存储器的数据宽度扩充和字节数扩充存储器的数据宽度扩充和字节数扩充l字节的扩充字节的扩充A15A14.A0 地址范围4.3 微型计算机系统中存储器微型计算机系统中存储器体系结构体系结构l 4.3.1 层次化的存储器体系结构层次化的存储器体系结构1. 层次化的总体结构层次化的总体结构l 4.3.2 微型计算机系统的内存组织微型计算机系统的内存组织1. 16位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织2. 32位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织4.3.1 层次化的存储器体系结构层次化的存储器体系结构l1 层次化总体结构层次化总体结构速

9、度快 容量大 价格低cache-主存结构解决主存结构解决高速度与低成本高速度与低成本的矛盾；的矛盾；主存主存-辅存结构解决辅存结构解决大容量与低成本大容量与低成本的矛盾的矛盾；l 所谓层次化，就是把各种速度不同、容量不同、存储技术也可能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个既有足够大的存储空间，又能满足CPU存取速度要求，而且价格适中的整体。l2 内存的分区结构内存的分区结构4.3.1 层次化的存储器体系结构层次化的存储器体系结构微型机系统的最大内存容量： 地址线的位数限制8086 20位 1MB386/486/pentium 32位 4GBPentium 36位 64GB内存分区

10、：基本内存 高端内存 扩展内存分区的意义：有利于软件的开发和系统的维护 1)基本内存区l2 内存的分区结构内存的分区结构2) 高端内存区图4.10 高端内存区的组织l2 内存的分区结构内存的分区结构3) 扩充内存区用高端内存区64KB映射扩充内存的1个页组l2 内存的分区结构内存的分区结构lCONFIG.SYS文件中加入如下语句： lDEVICE=C:DOSHIMEM.SYSlDEVICE=C:DOSEMM386.EXE RAM 32000lDOS=UMB1. 16位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织4.3.2 微型计算机系统的内存组织微型计算机系统的内存组织地址空间：00000HFFFF

11、FH字节访问:-偶地址/奇地址字访问:-偶地址/奇地址 2. 32位微机系统的内存组织位微机系统的内存组织地址空间：0000 0000HFFFF FFFFH奇地址/偶地址/4的倍数字节访问/字访问/双字访问4.4.1 虚拟储存技术和三类地址虚拟储存技术和三类地址l1 虚拟存储技术虚拟存储技术物理存储器：由地址总线直接访问的存储空间，其地址称为物理地址虚拟存储器：程序使用的逻辑存储空间虚拟存储机制：由主存储器、辅助存储器和存储管理部件共同组建。通过管理软件，实现主存和辅存的密切配合。4.4.1 虚拟储存技术和三类地址虚拟储存技术和三类地址1l虚拟存储技术虚拟存储技术l段式虚拟存储和页式虚拟存储段

12、式虚拟存储和页式虚拟存储分段特点：l每段的长度不是固定的l每个段都是受到保护的独立的空间分页特点：l一个系统中的所有页面大小固定l页面的起点和终点也固定。l只有分页机制才支持虚拟存储 虚拟储存技术和三类地址虚拟储存技术和三类地址2l逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址、线性地址和物理地址逻辑地址特点：l这是程序员编写的源程序中使用的地址l完整的逻辑地址一共48位l逻辑地址中的选择子对应于一个段基址线性地址特点：l线性地址是由2个32位量相加而成的l段基址由段描述苻得到l线性地址是分为3个字段来体现其功能4.4.2 分段管理分段管理l三种描述符表全局描述符表GDT局部描述符表LDT中断描述符表I

13、DTl描述符表三个优点：可大大扩展存储空间可实现虚拟存储可实现多任务隔离4.4.3 段选择子、段描述符和段描述符段选择子、段描述符和段描述符表表1l段选择子段选择子段选择子、段描述符和段描述符表段选择子、段描述符和段描述符表2l 段描述符段描述符 段选择子、段描述符和段描述符表段选择子、段描述符和段描述符表3l描述符表描述符表 4.3.4 逻辑地址转换为线性逻辑地址转换为线性地址地址图4.18 分段部件实现从逻辑地址到物理地址的转换4.3.5 分页管理分页管理l分页功能涉及两个表：页组目录项表页表4.3.6 线性地址转换为物理地址线性地址转换为物理地址1图4.19 分页机构实现线性地址到物理地

14、址的转换线性地址转换为物理地址线性地址转换为物理地址2l第一步是查询CR3l第二步是将线性地址的高10位作为页组项号l第三步是查询相应页组目录对应的页表 线性地址转换为物理地址线性地址转换为物理地址3图4.20 线性地址转换为物理地址的例子4.3.7转换检测缓冲器转换检测缓冲器TLB1图4.21 转换检测缓冲器TLB的功能转换检测缓冲器转换检测缓冲器TLBlTLB的工作原理4.4 高档微机系统中的高速缓存技术高档微机系统中的高速缓存技术l区域性定律(principle of locality)时间区域性时间区域性 空间区域性空间区域性4.4 高档微机系统中的高速缓存技术高档微机系统中的高速缓存

15、技术l区域性定律(principle of locality)时间区域性时间区域性 空间区域性空间区域性高速缓存就是基于程序的局部性原理高档微机系统中的高速缓存技术高档微机系统中的高速缓存技术2l区域性定律(principle of locality)时间区域性时间区域性 空间区域性空间区域性4.4.2Cache的组织方式的组织方式l全相联方式l直接映像方式l组相联方式Cache的三种组织方式图4.24 Cache的三种组织方式全相联Cache的例子直接映像Cache的例子组相联Cache的例子4.4.3 Cache的数据更新方法的数据更新方法1l通写式l缓冲通写式l回写式Cache的数据更新

16、方法的数据更新方法2l一致性问题，四种解决方法。总线监视法硬件监视法划出不可高速缓存存储区法Cache清除法4.4.4 Cache控制器控制器82385l对Cache系统的管理体现于以下几方面：Cache和主存的映像关系处理；未命中Cache时的处理；Cache的数据更新。 82385控制的直接映像方式控制的直接映像方式Cache系统系统图4.2882385工作于直接映像方式时Cache目录、Cache及主存之间的关系直接映像方式下82385从Cache中选1个区块82385控制的双路组相联方式控制的双路组相联方式Cache子系子系统统 图4.30 82385工作于双路组相联方式时Cache目录、Cache及主存之间的关系图双路组相联方式下，从Cache中选1个区块4.4.5 Pentium的两级的两级Cache组织组织lMESI一致性协议（MModified）（EExclusive）（SShared）（IInvalid）4.4.6 影响影响Cache性能的因素性能的因素lCache芯片的速度lCache的容量 lCache的级数lCach