第4章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)

1、第4章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)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(jī)系統(tǒng)中存儲器的體系結(jié)構(gòu)4.4.1 1.虛擬存儲技術(shù)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(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)l4.1.3 選擇存儲器件的考慮因素l4.1.4 隨機(jī)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(shí)難以置信，但卻是事實(shí)4.1.1存儲器的分類(續(xù))根據(jù)用途和特點(diǎn)分類： 1.內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存（ROM+RAM） 快速存取 容

2、量受限制(地址總線位數(shù)、價格) 2.外部存儲器，簡稱為外存容量大速度慢 存儲介質(zhì)：內(nèi)存集成電路外存-磁盤、光盤、U盤4.1.2微型計算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)微型計算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)字節(jié)機(jī)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(jié)構(gòu)：減少地址選擇譯碼線的條數(shù)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(jī)存取存儲器隨機(jī)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(diǎn)：不需要刷新，速度快

3、優(yōu)點(diǎn)：不需要刷新，速度快缺點(diǎn)：單片容量小，功耗大缺點(diǎn)：單片容量小，功耗大4.1.4 隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)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(diǎn)：單片容量大優(yōu)點(diǎn)：單片容量大(價格低價格低)，功耗低，功耗低缺點(diǎn)：需要刷新電路缺點(diǎn)：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(nèi)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(dǎo)體半導(dǎo)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(chǎn)生方法l 4.2.3 SRAM和DRAM的連接舉例l 4.2.4 存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)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(fù)載能力問題。總線的負(fù)載能力問題。加總線驅(qū)動器加總線驅(qū)動器l 片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。片選和片內(nèi)尋址兩部分片選和片內(nèi)尋址兩部分l 對芯片內(nèi)部的尋址方法。對芯片內(nèi)部的尋址方法。矩陣結(jié)構(gòu)（芯片生產(chǎn)廠家決

5、定）矩陣結(jié)構(gòu)（芯片生產(chǎn)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(chǎn)生方法片選信號的產(chǎn)生方法(續(xù)續(xù))l 線選法線選法（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（4）1KBCSA10A11A13A12A0A9特點(diǎn)：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(chǎn)生方法片選信號的產(chǎn)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(diǎn)：復(fù)雜 單元地址唯一 譯碼信號不一定全用全部高位地址進(jìn)行譯碼A15 A14 A13 A12.A0地址范圍4.2.2

6、 片選信號的產(chǎn)生方法片選信號的產(chǎn)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(chǎn)生方法片選信號的產(chǎn)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(diǎn)：缺點(diǎn)：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(qū)動器總線驅(qū)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(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充l數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充l數(shù)據(jù)線的連接l地址線的連接； l控制線的連接l字節(jié)的擴(kuò)充字節(jié)的擴(kuò)充4.2.4 存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲器的數(shù)

8、據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充l數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充4.2.4 存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充l字節(jié)的擴(kuò)充字節(jié)的擴(kuò)充A15A14.A0 地址范圍4.3 微型計算機(jī)系統(tǒng)中存儲器微型計算機(jī)系統(tǒng)中存儲器體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)l 4.3.1 層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)1. 層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化的總體結(jié)構(gòu)l 4.3.2 微型計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織微型計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織1. 16位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織2. 32位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織4.3.1 層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)l1 層次化總體結(jié)構(gòu)層次化總體結(jié)構(gòu)速

9、度快 容量大 價格低cache-主存結(jié)構(gòu)解決主存結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)解決輔存結(jié)構(gòu)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(shù)也可能不同的存儲設(shè)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(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)4.3.1 層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)微型機(jī)系統(tǒng)的最大內(nèi)存容量： 地址線的位數(shù)限制8086 20位 1MB386/486/pentium 32位 4GBPentium 36位 64GB內(nèi)存分區(qū)

10、：基本內(nèi)存 高端內(nèi)存 擴(kuò)展內(nèi)存分區(qū)的意義：有利于軟件的開發(fā)和系統(tǒng)的維護(hù) 1)基本內(nèi)存區(qū)l2 內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)2) 高端內(nèi)存區(qū)圖4.10 高端內(nèi)存區(qū)的組織l2 內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)3) 擴(kuò)充內(nèi)存區(qū)用高端內(nèi)存區(qū)64KB映射擴(kuò)充內(nèi)存的1個頁組l2 內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)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(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織4.3.2 微型計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織微型計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)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(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織地址空間：0000 0000HFFFF FFFFH奇地址/偶地址/4的倍數(shù)字節(jié)訪問/字訪問/雙字訪問4.4.1 虛擬儲存技術(shù)和三類地址虛擬儲存技術(shù)和三類地址l1 虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)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(jī)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(shí)現(xiàn)主存和輔存的密切配合。4.4.1 虛擬儲存技術(shù)和三類地址虛擬儲存技術(shù)和三類地址1l虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)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(diǎn)：l每段的長度不是固定的l每個段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間分頁特點(diǎn)：l一個系統(tǒng)中的所有頁面大小固定l頁面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。l只有分頁機(jī)制才支持虛擬存儲 虛擬儲存技術(shù)和三類地址虛擬儲存技術(shù)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(diǎn)：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(yīng)于一個段基址線性地址特點(diǎn)：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(xiàn)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(diǎn)：可大大擴(kuò)展存儲空間可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)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(zhuǎn)換為線性邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址地址圖4.18 分段部件實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)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(xiàng)表頁表4.3.6 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址1圖4.19 分頁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線性地址到物理地

14、址的轉(zhuǎn)換線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)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(xiàng)號l第三步是查詢相應(yīng)頁組目錄對應(yīng)的頁表 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址3圖4.20 線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子4.3.7轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB1圖4.21 轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB的功能轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLBlTLB的工作原理4.4 高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)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(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存

15、技術(shù)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(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)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(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法1l通寫式l緩沖通寫式l回寫式Cache的數(shù)據(jù)更新

16、方法的數(shù)據(jù)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(xiàn)于以下幾方面：Cache和主存的映像關(guān)系處理；未命中Cache時的處理；Cache的數(shù)據(jù)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(guān)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(guān)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(shù)lCach