第4章存儲器、存儲管理和高速緩存技術

1、第4章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術4.1存儲器和存儲器件4.2存儲器的連接4.3微型計算機系統(tǒng)中存儲器的體系結構4.4.1 1.虛擬存儲技術4.5.1 Cache概述4.1存儲器和存儲器件存儲器和存儲器件l4.1.1 存儲器的分類l4.1.2 微型計算機內存的行列結構l4.1.3 選擇存儲器件的考慮因素l4.1.4 隨機存取存儲器RAM l4.1.5 只讀存儲器ROM4.1.1存儲器的分類EPROM Flash MemoryEEPROM 難以置信，但卻是事實難以置信，但卻是事實4.1.1存儲器的分類(續(xù))根據用途和特點分類： 1.內部存儲器，簡稱為內存或主存（ROM+RAM） 快速存取 容

2、量受限制(地址總線位數、價格) 2.外部存儲器，簡稱為外存容量大速度慢 存儲介質：內存集成電路外存-磁盤、光盤、U盤4.1.2微型計算機內存的行列結構微型計算機內存的行列結構字節(jié)機制：1字節(jié)=8位，存儲器以字節(jié)為單位容量單位：KB、MB、GB、TB為什么采用行列結構：減少地址選擇譯碼線的條數4.1.3 選擇存儲器件的考慮因素選擇存儲器件的考慮因素l易失性：什么是易失性？l只讀性：（ROM、RAM）l存儲容量：字節(jié)為單位 KB/MB/GB/TBl速度：雙極型TTL、MOS型l功耗4.1.4 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAMl SRAM：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理優(yōu)點：不需要刷新，速度快

3、優(yōu)點：不需要刷新，速度快缺點：單片容量小，功耗大缺點：單片容量小，功耗大4.1.4 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM（續(xù)）（續(xù)）l DRAM：電容儲存電荷原理：電容儲存電荷原理優(yōu)點：單片容量大優(yōu)點：單片容量大(價格低價格低)，功耗低，功耗低缺點：需要刷新電路缺點：需要刷新電路DRAM控制器的功能l 時序功能 地址處理功能 仲裁功能 4164共有64K（65536）個內存單元，字長1位即64K1位DRAM控制器集成在北橋中4.1.5只讀存儲器只讀存儲器ROM半導體半導體存儲器存儲器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM4.2 存儲器的連接存儲

4、器的連接l 4.2.1 存儲器和CPU的連接考慮l 4.2.2 片選信號的產生方法l 4.2.3 SRAM和DRAM的連接舉例l 4.2.4 存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充4.2.1 存儲器和存儲器和CPU的連接考慮的連接考慮l 高速高速CPU和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。插入插入TW狀態(tài)狀態(tài)l CPU總線的負載能力問題?？偩€的負載能力問題。加總線驅動器加總線驅動器l 片選信號和行地址、列地址的產生機制。片選信號和行地址、列地址的產生機制。片選和片內尋址兩部分片選和片內尋址兩部分l 對芯片內部的尋址方法。對芯片內部的尋址方法。矩陣結構（芯片生產廠家決

5、定）矩陣結構（芯片生產廠家決定）4.2 存儲器的連接存儲器的連接4.2.2 片選信號的產生方法片選信號的產生方法(續(xù)續(xù))l 線選法線選法（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（4）1KBCSA10A11A13A12A0A9特點：簡單 地址不連續(xù) 地址重疊A13 A12 A11 A10A9.A0 地址范圍4.2.2 片選信號的產生方法片選信號的產生方法l 全譯碼法全譯碼法 8KB(2)CS8KB(1)CS 8KB(8)CS 3-8譯碼器A0A12A13A15Y0Y1Y7特點：復雜 單元地址唯一 譯碼信號不一定全用全部高位地址進行譯碼A15 A14 A13 A12.A0地址范圍4.2.2

6、 片選信號的產生方法片選信號的產生方法l 部分譯碼法部分譯碼法 8KB(2)CS 8KB(1)CS 8KB(3)CS 2-4譯碼器A0A12A13A14Y0Y1Y4 8KB(4)CSA15(不參加譯碼）A14 A13A12.A0地址范圍A154.2.2 片選信號的產生方法片選信號的產生方法l 混合譯碼法混合譯碼法 2KB(8)CS 2KB(1)CS 2KB(9)CS 3-8譯碼器A0A10A11A13Y0Y1Y7 2KB(10)CSA15.11A14缺點：缺點：與線選法相同，存在地址重疊和地址不連續(xù)的問題。與線選法相同，存在地址重疊和地址不連續(xù)的問題。A15 A14 A13 A12 A11A1

7、0A0地址范圍4.2.3 SRAM和和DRAM的連接舉例的連接舉例l SRAM的使用舉例的使用舉例16KB的SRAM子系統(tǒng)總線驅動器總線驅動器及外圍電路及外圍電路存儲存儲模塊模塊A19A14 A13 A12A11.A0地址范圍4.2.3 SRAM和和DRAM的連接舉例的連接舉例l DRAM的使用舉例的使用舉例DRAM控制器8203和2164的連接2164芯片64Kx1B4.2.4 存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充l數據寬度的擴充數據寬度的擴充l數據線的連接l地址線的連接； l控制線的連接l字節(jié)的擴充字節(jié)的擴充4.2.4 存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充存儲器的數

8、據寬度擴充和字節(jié)數擴充l數據寬度的擴充數據寬度的擴充4.2.4 存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充存儲器的數據寬度擴充和字節(jié)數擴充l字節(jié)的擴充字節(jié)的擴充A15A14.A0 地址范圍4.3 微型計算機系統(tǒng)中存儲器微型計算機系統(tǒng)中存儲器體系結構體系結構l 4.3.1 層次化的存儲器體系結構層次化的存儲器體系結構1. 層次化的總體結構層次化的總體結構l 4.3.2 微型計算機系統(tǒng)的內存組織微型計算機系統(tǒng)的內存組織1. 16位微機系統(tǒng)的內存組織位微機系統(tǒng)的內存組織2. 32位微機系統(tǒng)的內存組織位微機系統(tǒng)的內存組織4.3.1 層次化的存儲器體系結構層次化的存儲器體系結構l1 層次化總體結構層次化總體結構速

9、度快 容量大 價格低cache-主存結構解決主存結構解決高速度與低成本高速度與低成本的矛盾；的矛盾；主存主存-輔存結構解決輔存結構解決大容量與低成本大容量與低成本的矛盾的矛盾；l 所謂層次化，就是把各種速度不同、容量不同、存儲技術也可能不同的存儲設備分為幾層，通過硬件和管理軟件組成一個既有足夠大的存儲空間，又能滿足CPU存取速度要求，而且價格適中的整體。l2 內存的分區(qū)結構內存的分區(qū)結構4.3.1 層次化的存儲器體系結構層次化的存儲器體系結構微型機系統(tǒng)的最大內存容量： 地址線的位數限制8086 20位 1MB386/486/pentium 32位 4GBPentium 36位 64GB內存分區(qū)

10、：基本內存 高端內存 擴展內存分區(qū)的意義：有利于軟件的開發(fā)和系統(tǒng)的維護 1)基本內存區(qū)l2 內存的分區(qū)結構內存的分區(qū)結構2) 高端內存區(qū)圖4.10 高端內存區(qū)的組織l2 內存的分區(qū)結構內存的分區(qū)結構3) 擴充內存區(qū)用高端內存區(qū)64KB映射擴充內存的1個頁組l2 內存的分區(qū)結構內存的分區(qū)結構lCONFIG.SYS文件中加入如下語句： lDEVICE=C:DOSHIMEM.SYSlDEVICE=C:DOSEMM386.EXE RAM 32000lDOS=UMB1. 16位微機系統(tǒng)的內存組織位微機系統(tǒng)的內存組織4.3.2 微型計算機系統(tǒng)的內存組織微型計算機系統(tǒng)的內存組織地址空間：00000HFFFF

11、FH字節(jié)訪問:-偶地址/奇地址字訪問:-偶地址/奇地址 2. 32位微機系統(tǒng)的內存組織位微機系統(tǒng)的內存組織地址空間：0000 0000HFFFF FFFFH奇地址/偶地址/4的倍數字節(jié)訪問/字訪問/雙字訪問4.4.1 虛擬儲存技術和三類地址虛擬儲存技術和三類地址l1 虛擬存儲技術虛擬存儲技術物理存儲器：由地址總線直接訪問的存儲空間，其地址稱為物理地址虛擬存儲器：程序使用的邏輯存儲空間虛擬存儲機制：由主存儲器、輔助存儲器和存儲管理部件共同組建。通過管理軟件，實現主存和輔存的密切配合。4.4.1 虛擬儲存技術和三類地址虛擬儲存技術和三類地址1l虛擬存儲技術虛擬存儲技術l段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲段

12、式虛擬存儲和頁式虛擬存儲分段特點：l每段的長度不是固定的l每個段都是受到保護的獨立的空間分頁特點：l一個系統(tǒng)中的所有頁面大小固定l頁面的起點和終點也固定。l只有分頁機制才支持虛擬存儲 虛擬儲存技術和三類地址虛擬儲存技術和三類地址2l邏輯地址、線性地址和物理地址邏輯地址、線性地址和物理地址邏輯地址特點：l這是程序員編寫的源程序中使用的地址l完整的邏輯地址一共48位l邏輯地址中的選擇子對應于一個段基址線性地址特點：l線性地址是由2個32位量相加而成的l段基址由段描述苻得到l線性地址是分為3個字段來體現其功能4.4.2 分段管理分段管理l三種描述符表全局描述符表GDT局部描述符表LDT中斷描述符表I

13、DTl描述符表三個優(yōu)點：可大大擴展存儲空間可實現虛擬存儲可實現多任務隔離4.4.3 段選擇子、段描述符和段描述符段選擇子、段描述符和段描述符表表1l段選擇子段選擇子段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子、段描述符和段描述符表2l 段描述符段描述符 段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子、段描述符和段描述符表3l描述符表描述符表 4.3.4 邏輯地址轉換為線性邏輯地址轉換為線性地址地址圖4.18 分段部件實現從邏輯地址到物理地址的轉換4.3.5 分頁管理分頁管理l分頁功能涉及兩個表：頁組目錄項表頁表4.3.6 線性地址轉換為物理地址線性地址轉換為物理地址1圖4.19 分頁機構實現線性地址到物理地

14、址的轉換線性地址轉換為物理地址線性地址轉換為物理地址2l第一步是查詢CR3l第二步是將線性地址的高10位作為頁組項號l第三步是查詢相應頁組目錄對應的頁表 線性地址轉換為物理地址線性地址轉換為物理地址3圖4.20 線性地址轉換為物理地址的例子4.3.7轉換檢測緩沖器轉換檢測緩沖器TLB1圖4.21 轉換檢測緩沖器TLB的功能轉換檢測緩沖器轉換檢測緩沖器TLBlTLB的工作原理4.4 高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術l區(qū)域性定律(principle of locality)時間區(qū)域性時間區(qū)域性 空間區(qū)域性空間區(qū)域性4.4 高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存

15、技術l區(qū)域性定律(principle of locality)時間區(qū)域性時間區(qū)域性 空間區(qū)域性空間區(qū)域性高速緩存就是基于程序的局部性原理高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術2l區(qū)域性定律(principle of locality)時間區(qū)域性時間區(qū)域性 空間區(qū)域性空間區(qū)域性4.4.2Cache的組織方式的組織方式l全相聯(lián)方式l直接映像方式l組相聯(lián)方式Cache的三種組織方式圖4.24 Cache的三種組織方式全相聯(lián)Cache的例子直接映像Cache的例子組相聯(lián)Cache的例子4.4.3 Cache的數據更新方法的數據更新方法1l通寫式l緩沖通寫式l回寫式Cache的數據更新

16、方法的數據更新方法2l一致性問題，四種解決方法?？偩€監(jiān)視法硬件監(jiān)視法劃出不可高速緩存存儲區(qū)法Cache清除法4.4.4 Cache控制器控制器82385l對Cache系統(tǒng)的管理體現于以下幾方面：Cache和主存的映像關系處理；未命中Cache時的處理；Cache的數據更新。 82385控制的直接映像方式控制的直接映像方式Cache系統(tǒng)系統(tǒng)圖4.2882385工作于直接映像方式時Cache目錄、Cache及主存之間的關系直接映像方式下82385從Cache中選1個區(qū)塊82385控制的雙路組相聯(lián)方式控制的雙路組相聯(lián)方式Cache子系子系統(tǒng)統(tǒng) 圖4.30 82385工作于雙路組相聯(lián)方式時Cache目錄、Cache及主存之間的關系圖雙路組相聯(lián)方式下，從Cache中選1個區(qū)塊4.4.5 Pentium的兩級的兩級Cache組織組織lMESI一致性協(xié)議（MModified）（EExclusive）（SShared）（IInvalid）4.4.6 影響影響Cache性能的因素性能的因素lCache芯片的速度lCache的容量 lCache的級數lCach