計(jì)算機(jī)組成原理 (4)

1、1第第4章章 存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)4.1 存儲(chǔ)器的概述存儲(chǔ)器的概述4.1.1 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類 按功能分按功能分 MM(Main Memory) AM (Asisst Memory) Cache 按存取方式分按存取方式分 RAM(Random Access Memory) ROM(Read Only Memory) SAM(Sequential Access Memory) DAM (Direct Access Memory) 按存儲(chǔ)介質(zhì)分按存儲(chǔ)介質(zhì)分 磁芯磁芯 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器 光存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器2 按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類 易失性存儲(chǔ)器易

2、失性存儲(chǔ)器(RAM)； 破壞性讀出破壞性讀出。讀操作之后，必須緊接一個(gè)重寫(xiě)操作。讀操作之后，必須緊接一個(gè)重寫(xiě)操作。 非破壞性讀出非破壞性讀出。例磁表面存儲(chǔ)器、。例磁表面存儲(chǔ)器、SRAM。 非易失性存儲(chǔ)器非易失性存儲(chǔ)器(ROM、磁芯、磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器、磁芯、磁表面存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器)。 4.1.2主存儲(chǔ)器的組成和基本操作主存儲(chǔ)器的組成和基本操作 圖圖4- -l所示為主存儲(chǔ)器的基本組成框圖。所示為主存儲(chǔ)器的基本組成框圖。 其中存儲(chǔ)陣列是存儲(chǔ)器的核心部分，它是存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的主體，其中存儲(chǔ)陣列是存儲(chǔ)器的核心部分，它是存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的主體，也稱為也稱為存儲(chǔ)體是由大量存儲(chǔ)單元構(gòu)成的，為了區(qū)分各個(gè)存儲(chǔ)

3、單元，把它存儲(chǔ)體是由大量存儲(chǔ)單元構(gòu)成的，為了區(qū)分各個(gè)存儲(chǔ)單元，把它們進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，們進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，因?yàn)槭怯枚M(jìn)制進(jìn)行編碼的，因?yàn)槭怯枚M(jìn)制進(jìn)行編碼的，所以又稱所以又稱。 地址碼與存儲(chǔ)單元是一一對(duì)應(yīng)的，地址碼與存儲(chǔ)單元是一一對(duì)應(yīng)的，因此要對(duì)某一存儲(chǔ)單元進(jìn)行存取操作，必須首先給出被訪問(wèn)因此要對(duì)某一存儲(chǔ)單元進(jìn)行存取操作，必須首先給出被訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元的地址。的存儲(chǔ)單元的地址。 3 主存中可尋址的最小單位稱為主存中可尋址的最小單位稱為。 某些計(jì)算機(jī)是按字進(jìn)行編址的，最小的可尋址信息單元是一個(gè)機(jī)某些計(jì)算機(jī)是按字進(jìn)行編址的，最小的可尋址信息單元是一個(gè)機(jī)器字，連續(xù)的存儲(chǔ)器地址對(duì)應(yīng)于連續(xù)的機(jī)器字。器字，連續(xù)的存

4、儲(chǔ)器地址對(duì)應(yīng)于連續(xù)的機(jī)器字。 目前多數(shù)計(jì)算機(jī)是按字節(jié)編址的，最小可尋址單位是一個(gè)字節(jié)。目前多數(shù)計(jì)算機(jī)是按字節(jié)編址的，最小可尋址單位是一個(gè)字節(jié)。 一個(gè)一個(gè)32位字長(zhǎng)的按字節(jié)尋址位字長(zhǎng)的按字節(jié)尋址的計(jì)算機(jī)，一個(gè)存儲(chǔ)器字包含四個(gè)可的計(jì)算機(jī)，一個(gè)存儲(chǔ)器字包含四個(gè)可單獨(dú)尋址的字節(jié)單元，單獨(dú)尋址的字節(jié)單元，由地址的低兩位來(lái)區(qū)分由地址的低兩位來(lái)區(qū)分。 地址寄存器地址寄存器圖圖4-1 主存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器的基本組成4圖圖4- -2 主存與主存與CPU間的連接間的連接 目前多數(shù)計(jì)算機(jī)采用同步方式，數(shù)據(jù)傳送在固定的時(shí)間間隔內(nèi)完目前多數(shù)計(jì)算機(jī)采用同步方式，數(shù)據(jù)傳送在固定的時(shí)間間隔內(nèi)完成，此時(shí)間間隔構(gòu)成了存儲(chǔ)器

5、成，此時(shí)間間隔構(gòu)成了存儲(chǔ)器的一個(gè)的一個(gè)存儲(chǔ)周期。存儲(chǔ)周期。 地址譯碼與驅(qū)動(dòng)電路的作用地址譯碼與驅(qū)動(dòng)電路的作用 讀寫(xiě)電路與數(shù)據(jù)寄存器的作用讀寫(xiě)電路與數(shù)據(jù)寄存器的作用 時(shí)序控制電路時(shí)序控制電路 主存儲(chǔ)器用于存放主存儲(chǔ)器用于存放CPU正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，它和正在運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)，它和CPU的關(guān)系的關(guān)系最為密切。主存與最為密切。主存與CPU間的連接是由總線支持的，連接形式如圖間的連接是由總線支持的，連接形式如圖4-2所示。所示。 存儲(chǔ)器基本操作是讀存儲(chǔ)器基本操作是讀(取取)和寫(xiě)和寫(xiě)(存存)。54.1.3 存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的主要性能指標(biāo) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量S 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量：主存所能容納的二

6、進(jìn)制信息總量。：主存所能容納的二進(jìn)制信息總量。 對(duì)于字編址的計(jì)算機(jī)以對(duì)于字編址的計(jì)算機(jī)以字?jǐn)?shù)與字長(zhǎng)的乘積字?jǐn)?shù)與字長(zhǎng)的乘積來(lái)表示容量。來(lái)表示容量。 例：某計(jì)算機(jī)的容量為例：某計(jì)算機(jī)的容量為64K 16，表示它有，表示它有64K個(gè)字，字長(zhǎng)為個(gè)字，字長(zhǎng)為16位。位。若用字節(jié)表示，則可記為若用字節(jié)表示，則可記為128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776 存取速度存取速度( s，ms) 訪問(wèn)時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間TA(memory

7、access time) 訪問(wèn)時(shí)間訪問(wèn)時(shí)間TA 又稱讀寫(xiě)時(shí)間或取數(shù)時(shí)間又稱讀寫(xiě)時(shí)間或取數(shù)時(shí)間(本書(shū)為本書(shū)為T(mén)AA) ：指從啟動(dòng)一指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。 讀出時(shí)間讀出時(shí)間：從：從CPU向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和讀命令開(kāi)始，直到將向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和讀命令開(kāi)始，直到將被選中單元的內(nèi)容讀出為止所用的時(shí)間。被選中單元的內(nèi)容讀出為止所用的時(shí)間。6 寫(xiě)入時(shí)間寫(xiě)入時(shí)間：從：從CPU向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和寫(xiě)命令開(kāi)始，直到信向存儲(chǔ)器發(fā)出有效地址和寫(xiě)命令開(kāi)始，直到信息寫(xiě)入所選中的單元為止所用的時(shí)間。息寫(xiě)入所選中的單元為止所用的時(shí)間。 存取周期存取周期TM

8、 (memory cycle time) 存取周期存取周期TM稱讀寫(xiě)周期或讀寫(xiě)周期，稱讀寫(xiě)周期或讀寫(xiě)周期，指存儲(chǔ)器一次進(jìn)行完整的讀指存儲(chǔ)器一次進(jìn)行完整的讀/寫(xiě)操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作之間所需的最寫(xiě)操作所需的全部時(shí)間，即連續(xù)兩次訪問(wèn)存儲(chǔ)器操作之間所需的最短時(shí)間短時(shí)間。一般情況下。一般情況下 TAn。頁(yè)的大。頁(yè)的大小都取小都取2的整數(shù)次冪。的整數(shù)次冪。94頁(yè)的起點(diǎn)都落在低位字段最末位為頁(yè)的起點(diǎn)都落在低位字段最末位為0的地址上。的地址上。VM地址分為兩字地址分為兩字段段： 高字段為邏輯頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。高字段為邏輯頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。實(shí)地址分為兩字段實(shí)地址分為兩字段

9、： 高字段為物理頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。由于兩者的頁(yè)的大小是高字段為物理頁(yè)號(hào)，低位字段為頁(yè)內(nèi)地址。由于兩者的頁(yè)的大小是一樣的，所以頁(yè)內(nèi)地址是相等的。頁(yè)式管理的地址變換見(jiàn)圖一樣的，所以頁(yè)內(nèi)地址是相等的。頁(yè)式管理的地址變換見(jiàn)圖4.37。95 一種經(jīng)快表與慢表實(shí)現(xiàn)地址變換的方式如圖一種經(jīng)快表與慢表實(shí)現(xiàn)地址變換的方式如圖4.38所示。所示。 快表（快表（TLB）由硬件組成）由硬件組成，它比頁(yè)表小得多，只有，它比頁(yè)表小得多，只有816行。查表行。查表時(shí)，時(shí)，根據(jù)根據(jù)邏輯頁(yè)號(hào)邏輯頁(yè)號(hào)同時(shí)同時(shí)查查快表快表和和慢表慢表(放在放在MM中中)。 當(dāng)在快表中查到此邏輯頁(yè)號(hào)時(shí)，就能很快地找到對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)當(dāng)在快表中

10、查到此邏輯頁(yè)號(hào)時(shí)，就能很快地找到對(duì)應(yīng)的物理頁(yè)號(hào)填入實(shí)地址寄存器，并使慢表查找工作作廢，從而能做到雖然采用填入實(shí)地址寄存器，并使慢表查找工作作廢，從而能做到雖然采用VM ，但訪問(wèn)，但訪問(wèn)MM速度幾乎沒(méi)有下降。速度幾乎沒(méi)有下降。 96 當(dāng)在快表中沒(méi)有查到此邏輯頁(yè)號(hào)時(shí)，當(dāng)在快表中沒(méi)有查到此邏輯頁(yè)號(hào)時(shí)， 就需要花費(fèi)一個(gè)訪問(wèn)就需要花費(fèi)一個(gè)訪問(wèn)MM時(shí)間查慢表，從中查到物理頁(yè)號(hào)填入實(shí)地址寄時(shí)間查慢表，從中查到物理頁(yè)號(hào)填入實(shí)地址寄存器，并將此邏輯頁(yè)號(hào)和對(duì)應(yīng)物理頁(yè)號(hào)送入快表，替換快表中應(yīng)替存器，并將此邏輯頁(yè)號(hào)和對(duì)應(yīng)物理頁(yè)號(hào)送入快表，替換快表中應(yīng)替換的內(nèi)容。換的內(nèi)容。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：頁(yè)式管理系統(tǒng)基本信息傳送單位是定長(zhǎng)

11、的頁(yè)，頁(yè)面的起點(diǎn)：頁(yè)式管理系統(tǒng)基本信息傳送單位是定長(zhǎng)的頁(yè)，頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)是固定的。新頁(yè)調(diào)入和終點(diǎn)是固定的。新頁(yè)調(diào)入MM 也容易掌握，只要有空白頁(yè)面就也容易掌握，只要有空白頁(yè)面就可容納。唯一浪費(fèi)的是程序最后一頁(yè)的零頭。比段式管理系統(tǒng)中的可容納。唯一浪費(fèi)的是程序最后一頁(yè)的零頭。比段式管理系統(tǒng)中的段外空間浪費(fèi)要小得多。段外空間浪費(fèi)要小得多。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：頁(yè)不是邏輯上獨(dú)立的實(shí)體，所以處理、保護(hù)和共享不及段：頁(yè)不是邏輯上獨(dú)立的實(shí)體，所以處理、保護(hù)和共享不及段式來(lái)得方便。式來(lái)得方便。 段式段式VM 段表格式如圖段表格式如圖4.39。變換過(guò)程見(jiàn)圖。變換過(guò)程見(jiàn)圖4.40。 9798 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：段的分界與程序模

12、塊的自然分界相對(duì)應(yīng)；段的邏：段的分界與程序模塊的自然分界相對(duì)應(yīng)；段的邏輯獨(dú)立性使它易于編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道輯獨(dú)立性使它易于編譯、管理、修改和保護(hù)，也便于多道程序共享；某些類型的段程序共享；某些類型的段(堆棧、隊(duì)列堆棧、隊(duì)列)具有動(dòng)態(tài)可變長(zhǎng)度，具有動(dòng)態(tài)可變長(zhǎng)度，允許自由調(diào)度以便有效利用允許自由調(diào)度以便有效利用MM空間?？臻g。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：段的長(zhǎng)度不定，其起點(diǎn)和終點(diǎn)也不定，給：段的長(zhǎng)度不定，其起點(diǎn)和終點(diǎn)也不定，給MM空間的分配帶來(lái)麻煩，而且容易在實(shí)存中留下許多零碎的空間的分配帶來(lái)麻煩，而且容易在實(shí)存中留下許多零碎的存儲(chǔ)空間不好利用，造成浪費(fèi)。存儲(chǔ)空間不好利用，造成浪費(fèi)。 段頁(yè)段頁(yè)VM

13、程序按邏輯單位分段，而段分成大小固定的頁(yè)。程序按邏輯單位分段，而段分成大小固定的頁(yè)。程序?qū)Τ绦驅(qū)M的調(diào)進(jìn)調(diào)出按頁(yè)面進(jìn)行，但又可按段共享和保護(hù)的調(diào)進(jìn)調(diào)出按頁(yè)面進(jìn)行，但又可按段共享和保護(hù)。每道程序是通過(guò)一個(gè)段表和一組頁(yè)表進(jìn)行定位的每道程序是通過(guò)一個(gè)段表和一組頁(yè)表進(jìn)行定位的 。 在在MM 中為每一個(gè)程序設(shè)一個(gè)段表，段表中的每個(gè)表項(xiàng)對(duì)中為每一個(gè)程序設(shè)一個(gè)段表，段表中的每個(gè)表項(xiàng)對(duì)應(yīng)一個(gè)段，應(yīng)一個(gè)段，每個(gè)表項(xiàng)有一個(gè)指向該段的頁(yè)表起始地址的指每個(gè)表項(xiàng)有一個(gè)指向該段的頁(yè)表起始地址的指針和該針和該 段的控制保護(hù)信息段的控制保護(hù)信息。由頁(yè)表指明該。由頁(yè)表指明該 段各頁(yè)在段各頁(yè)在MM中的位置、是否裝入、修改等信息

14、。虛地址格式如下：中的位置、是否裝入、修改等信息。虛地址格式如下：99因此因此它兼有頁(yè)式和段式的優(yōu)點(diǎn)它兼有頁(yè)式和段式的優(yōu)點(diǎn)。其。其缺點(diǎn)缺點(diǎn)是在地址映象過(guò)程是在地址映象過(guò)程中需要多次查表。中需要多次查表。 例例：有三道：有三道程序程序P1，P2和和P3，其基址寄，其基址寄存器內(nèi)容分別存器內(nèi)容分別為為B1、B2和和B3。邏輯地址。邏輯地址到物理地址的到物理地址的變換見(jiàn)圖變換見(jiàn)圖4.41。P3段表的基址P3第1段的頁(yè)表基址P3第1段的第2頁(yè)的實(shí)頁(yè)號(hào)100 地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下地址轉(zhuǎn)換過(guò)程如下： 根據(jù)基號(hào)根據(jù)基號(hào)(P3)，將基址寄存器內(nèi)容，將基址寄存器內(nèi)容(B3)加加1(段號(hào)段號(hào))，得程序，得程序P3的的段表相應(yīng)行的地址，其內(nèi)容指出該段頁(yè)表的起始地址段表相應(yīng)行的地址，其內(nèi)容指出該段頁(yè)表的起始地址m。 計(jì)算計(jì)算m+2