微型計算機原理與應(yīng)用05

微型計算機原理與應(yīng)用05第一頁，共93頁。第5章存儲器系統(tǒng)

5.1概述5.1.1存儲器的一般概念存儲器是計算機系統(tǒng)的記憶設(shè)備，用來存放計算機的程序指令、要處理的數(shù)據(jù)、運算結(jié)果以及各種需要計算機保存的信息，是計算機中不可缺少的一個重要組成部分。從記憶信息的角度講，計算機中的存儲器就相當于人的大腦。存儲容量的單位為字節(jié)（B）、千字節(jié)（KB）或兆字節(jié)（MB）。存儲器有兩種基本操作：讀和寫。讀操作是指從存儲器中讀出信息，不破壞存儲單元中原有的內(nèi)容，所以讀操作是非破壞性的操作。寫操作是指把信息寫入（存入）存儲器，新寫入的數(shù)據(jù)將覆蓋原有的內(nèi)容，所以寫操作是破壞性的。2第二頁，共93頁。5.1.2存儲器的分類計算機的存儲器，從體系結(jié)構(gòu)的觀點來劃分，可根據(jù)其是設(shè)在主機內(nèi)還是主機外分為內(nèi)部存儲器和外部存儲器兩大類。內(nèi)部存儲器（簡稱內(nèi)存或主存）是計算機主機的組成部分之一，用來存儲當前運行所需要的程序和數(shù)據(jù)，CPU可以直接訪問內(nèi)存并與其交換信息。相對外部存儲器（簡稱外存）而言，內(nèi)存的容量小、存取速度快。而外存剛好相反，外存用于存放當前不參加運行的程序和數(shù)據(jù)，CPU不能對它進行直接訪問，而必須通過配備專門的設(shè)備才能對它進行讀寫（如磁盤驅(qū)動器等），這點是它與內(nèi)存之間的一個很本質(zhì)的區(qū)別。外存容量一般都很大，但存取速度相對比較慢。存儲器使用的存儲介質(zhì)有半導體器件、磁性材料、光盤等。3第三頁，共93頁。半導體存儲器按照工作方式的不同，可以分為隨機存取存儲器（RAM，也叫讀寫存儲器）和只讀存儲器（ROM）。1．隨機存取存儲器RAM讀寫存儲器按其制造工藝可以分為雙極型半導體RAM和金屬氧化物半導體（MOS）RAM。2．只讀存儲器ROM根據(jù)制造工藝的不同，只讀存儲器分為ROM、PROM、EPROM、E2PROM幾類。只讀存儲器在工作時只能讀出，不能寫入，掉電后不會丟失所存儲的內(nèi)容。（1）掩膜式只讀存儲器（ROM）（2）可編程ROM（PROM）（3）可擦除的PROMEPROM（EEPROM）芯片和RAM有本質(zhì)區(qū)別：首先它們不能像RAM芯片那樣隨機快速地寫入和修改，它們的寫入需要一定的條件（這一點將在后面詳細介紹）；另外，RAM中的內(nèi)容在掉電之后會丟失，而EPROM（EEPROM）則不會，其上的內(nèi)容一般可保存幾十年。

4第四頁，共93頁。5.1.3存儲器芯片的主要技術(shù)指標1．存儲容量存儲器芯片的存儲容量用“存儲單元個數(shù)×每存儲單元的位數(shù)”來表示。2．存取時間和存取周期存取時間又稱存儲器訪問時間，即啟動一次存儲器操作（讀或?qū)懀┑酵瓿稍摬僮魉枰臅r間。3．可靠性4．功耗使用功耗低的存儲器芯片構(gòu)成存儲系統(tǒng)不僅可以減少對電源容量的要求，而且可以提高存儲系統(tǒng)的可靠性5第五頁，共93頁。5.2隨機存取存儲器RAM隨機存取存儲器RAM主要用來存放當前運行的程序、各種輸入/輸出數(shù)據(jù)、中間運算結(jié)果及堆棧等，其存儲的內(nèi)容既可隨時讀出，也可隨時寫入和修改，掉電后內(nèi)容會全部丟失。5.2.1靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）靜態(tài)RAM的基本存儲電路（即存儲元）一般是由6個MOS管組成的雙穩(wěn)態(tài)電路（T1截止、T2導通為狀態(tài)“1”，T2截止、T1導通為狀態(tài)“0”），如圖5-1所示。6第六頁，共93頁。I/OT1T2T3T4T5T6X地址選擇線VccABI/OY地址選擇線T8T7所有存儲元共用此電路7第七頁，共93頁。1．6264存儲芯片的引腳及其功能6264芯片是一個8K×8bit的CMOSSRAM芯片，其引腳如圖5-2所示。8第八頁，共93頁。2．6264的工作過程對6264芯片的存取操作包括數(shù)據(jù)的寫入和讀出。寫入過程的工作時序如圖5-3所示。9第九頁，共93頁。讀出過程的工作時序如圖5-4所示。10第十頁，共93頁。3．SRAM芯片的應(yīng)用在了解了SRAM芯片的外部引腳功能和它的工作時序之后，更重要的是如何實現(xiàn)它與系統(tǒng)的連接。將一個存儲器芯片接到總線上，除部分控制信號及數(shù)據(jù)信號線的連接外，主要是如何保證該芯片在整個內(nèi)存中占據(jù)的地址范圍能夠滿足用戶的要求?？梢哉f，掌握了存儲器的地址譯碼方法，就掌握了存儲器芯片應(yīng)用的精髓。下面來介紹決定芯片存儲地址空間的方法和如何實現(xiàn)譯碼。（1）地址譯碼方式。存儲器的地址譯碼方式可以分為兩種：全地址譯碼和部分地址譯碼。11第十一頁，共93頁。1）全地址譯碼方式。所謂全地址譯碼，就是構(gòu)成存儲器時要使用全部20位地址總線信號，即所有的高位地址信號用來作為譯碼器的輸入，低位地址信號接存儲芯片的地址輸入線，從而使得存儲器芯片上的每一個單元在整個內(nèi)存空間中具有惟一的一個地址。12第十二頁，共93頁。13第十三頁，共93頁。2）部分地址譯碼方式。顧名思義，部分地址譯碼就是僅把地址總線的一部分地址信號線與存儲器連接，通常是用高位地址信號的一部分（而不是全部）作為片選譯碼信號。

14第十四頁，共93頁?！纠?-1】用存儲器芯片SRAM6l16構(gòu)成一個4KB的存儲器，要求其地址范圍在78000H～78FFFH之間。圖5-9所示是6116芯片的外部引腳圖。

15第十五頁，共93頁?！纠?-2】用8256存儲器芯片構(gòu)成1MB的存儲器。8256為256K×8bit的SRAM芯片，其外部引腳圖如圖5-11所示。

16第十六頁，共93頁。17第十七頁，共93頁。18第十八頁，共93頁。采用72LS138譯碼器構(gòu)成譯碼電路。由于MSM8256芯片有18根地址線，只有兩根高位地址信號A19和A18可以用于片選譯碼，因此將74LS138的輸入端C直接接低電平，而使另外兩個輸入端A和B分別接到A18和A19，這兩路高位地址信號的4種不同的組合分別選中4片8256。圖5-12畫出了存儲器與系統(tǒng)的連接圖。因篇幅的關(guān)系，其中的兩片8256只畫出了選片信號CS，它們的其他的引腳與另外兩芯片一樣，并連接在系統(tǒng)總線上。19第十九頁，共93頁。20第二十頁，共93頁。5.2.2動態(tài)隨機讀寫存儲器（DRAM）DRAM的存儲元有兩種結(jié)構(gòu)：四管存儲元和單管存儲元。四管存儲元的缺點是元件多，占用芯片面積大，故集成度較低，但外圍電路較簡單，使用簡單。單管電路的元件數(shù)量少，集成度高，但外圍電路比較復雜。這里僅簡單介紹一下單管存儲元的存儲原理。21第二十一頁，共93頁。1．2164A的引腳功能2164A是一塊64K×1bit的DRAM芯片，與其類似的芯片有很多種，如3764、4164等。圖5-14所示為2164A的引腳圖。22第二十二頁，共93頁。2．DRAM的工作過程（1）數(shù)據(jù)讀出。讀出過程的時序如圖5-15所示。23第二十三頁，共93頁。（2）數(shù)據(jù)寫入。數(shù)據(jù)寫入過程的時序如圖5-16所示。24第二十四頁，共93頁。（3）刷新。由于DRAM是靠電容來存儲信息的，而電容總是存在緩慢放電的現(xiàn)象，時間長了就會使存放的信息丟失。因此，DRAM使用中的一個重要問題就是必須對它所存儲的信息定時進行刷新。所謂刷新，就是將動態(tài)存儲器中存放的每一位信息讀出并重新寫入的過程。

25第二十五頁，共93頁。3．DRAM在系統(tǒng)中的連接現(xiàn)在微型計算機系統(tǒng)中，大多采用DRAM芯片構(gòu)成主存儲器。由于在使用中既要做到能夠正確讀寫，又要能在規(guī)定的時間里對它進行刷新。因此，微型計算機中對DRAM的連接和控制電路要比SRAM復雜得多。圖5-18所示的是PC/XT微型計算機的DRAM簡化電路圖。圖中用虛線畫的長方體表示由8片（加奇偶校驗位則為9片）2164DRAM組成的64KB的存儲器。LS158是二選一的數(shù)據(jù)選擇器，LS245為驅(qū)動器。26第二十六頁，共93頁。27第二十七頁，共93頁。5.2.3存儲器擴展技術(shù)任何存儲芯片的存儲容量都是有限的。要構(gòu)成一定容量的內(nèi)存，往往單個芯片不能滿足字長或存儲單元個數(shù)的要求，甚至字長、存儲單元數(shù)都不能滿足要求。這時，就需要用多個存儲芯片進行組合，以滿足對存儲容量的需求。這種組合就稱為存儲器的擴展，擴展時要解決的問題包括位擴展、字擴展和字位擴展。1．位擴展一塊實際的存儲芯片，其每個單元的位數(shù)（即字長）往往與實際內(nèi)存單元的字長并不相等。存儲芯片可以是1位、4位或8位的，如DRAM芯片Intel2164為64K×1位、SRAM芯片Intel2114為1K×4位、Intel6264芯片為8K×8位。而計算機中內(nèi)存一般是按字節(jié)來進行組織的，若要使用2164、2114這樣的存儲芯片來構(gòu)成內(nèi)存，單個存儲芯片字長（位數(shù)）就不能滿足要求，這時就需要進行位擴展，以滿足字長的要求。

28第二十八頁，共93頁。29第二十九頁，共93頁?！纠?-3】用Intel2164芯片構(gòu)成容量為64KB的存儲器。解：因為2164是64K×1位的芯片，其存儲單元數(shù)已可以滿足要求，但字長不夠，所以需要8片2164進行位擴展，線路連接如圖5-20所示30第三十頁，共93頁。2．字擴展字擴展是對存儲器容量的擴展（或存儲空間的擴展）。此時存儲芯片上每個存儲單元的字長已滿足要求（如字長已為8位），而只是存儲單元的個數(shù)不夠，需要增加的是存儲單元的數(shù)量，這就是字擴展，即用多片字長為8位的存儲芯片構(gòu)成所需要的存儲空間。字擴展的電路連接方法是：將每個芯片的地址信號、數(shù)據(jù)信號和讀/寫信號等控制信號線按信號名稱全部并聯(lián)在一起，只將片選端分別引出到地址譯碼器的不同輸出端，即用片選信號來區(qū)別各個芯片的地址，其連接示意圖如圖5-21所示。31第三十一頁，共93頁。32第三十二頁，共93頁?！纠?-4】用兩片64K×8位的SRAM芯片構(gòu)成容量為128KB的存儲器。解：這里現(xiàn)有的芯片容量為64KB，構(gòu)成容量為128KB的存儲器需要128KB/64KB=2片，線路連接如圖5-22所示。圖中兩片芯片的地址范圍分別為：20000H～2FFFFH和30000H～3FFFFH。33第三十三頁，共93頁。34第三十四頁，共93頁。3．字位擴展在構(gòu)成一個實際的存儲器時，往往需要同時進行位擴展和字擴展才能滿足存儲容量的需求。擴展時需要的芯片數(shù)量可以這樣計算：要構(gòu)成一個容量為位的存儲器，若使用位的芯片（），則構(gòu)成這個存儲器需要個這樣的存儲器芯片。進行字位擴展時，一般先進行位擴展，構(gòu)成字長滿足要求的內(nèi)存模塊，然后再用若干個這樣的模塊進行字擴展，使總存儲容量滿足要求?！纠?-5】用Intel2164構(gòu)成容量為128KB的內(nèi)存。解：由于2164是64K×1的芯片，所以首先要進行位擴展。用8片2164組成64KB的內(nèi)存模塊，然后再用兩組這樣的模塊進行字擴展。所需要的芯片數(shù)為(128/64)×(8/1)=16片。35第三十五頁，共93頁。要尋址128K個內(nèi)存單元至少需要17位地址信號線（217=128K）。而2164有64K個單元，只需要16位地址信號（分為行和列），余下的一根地址線用于區(qū)分兩個64KB的存儲模塊。所以，構(gòu)成此內(nèi)存共需要16片2164芯片，至少需要17根地址信號線，其中16根用于2164的片內(nèi)尋址（行、列地址），一根用于片選地址譯碼（用于區(qū)分存取哪一個64KB模塊）。線路連接示意圖如圖5-23所示。綜上所述，存儲器容量的擴展可以分為以下3步：（1）選擇合適的芯片。（2）根據(jù)要求將芯片“多片并聯(lián)”進行位擴展，設(shè)計出滿足字長要求的“存儲模塊”。（3）對“存儲模塊”進行字擴展，構(gòu)成符合要求的存儲器。36第三十六頁，共93頁。37第三十七頁，共93頁。5.3只讀存儲器（ROM）只讀存儲器ROM因其具有掉電后信息不會丟失的特點，故一般用于存放一些固定的程序，如監(jiān)控程序、BIOS程序等。本節(jié)主要介紹兩種可擦除的只讀存儲器：EPROM和EEPROM。5.3.1EPROMEPROM是一種可擦除可編程的只讀存儲器。擦除時，用紫外線照射芯片上的窗口，即可清除存儲的內(nèi)容。擦除后的芯片可以使用專門的編程寫入器對其重新編程（寫入新的內(nèi)容）。存儲在EPROM中的內(nèi)容能夠長期保存達幾十年之久，而且掉電后其內(nèi)容也不會丟失。

38第三十八頁，共93頁。以一種典型的EPROM芯片2764為例來介紹這類芯片的特點和應(yīng)用。1．引腳及功能2764的外部引腳如圖5-24所示。這是一塊8K×8bit的EPROM芯片，它的引腳與前邊介紹的SRAM芯片6264是兼容的。這給使用者帶來很大方便。因為在軟件調(diào)試過程中，程序經(jīng)常需要修改，此時可將程序先放在6264中，讀寫修改都很方便。調(diào)試成功后，將程序固化在2764中，由于它與6264的引腳兼容，所以可以把2764直接插在原6264的插座上。這樣，程序就不會由于斷電而丟失。39第三十九頁，共93頁。40第四十頁，共93頁。2．2764的工作過程2764可以工作在讀出、編程寫入和擦除三種方式下。（1）數(shù)據(jù)讀出。41第四十一頁，共93頁。因為2764與6264SRAM在引腳上是兼容的，所以在與系統(tǒng)的連接使用上可按與RAM芯片相同的方法來進行電路設(shè)計。圖5-26所示是2764芯片與8088總線的連接圖。由圖可以看出，2764芯片的地址范圍為70000H～71FFFH。42第四十二頁，共93頁。43第四十三頁，共93頁。（2）EPROM的編程寫入。對EPROM芯片的編程可以有兩種方式：標準編程和快速編程。1）標準編程方式。標準編程是每給出一個編程負脈沖就寫入一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。2）快速編程?？焖倬幊膛c標準編程的工作過程是一樣的，只是編程脈沖要窄得多。44第四十四頁，共93頁。45第四十五頁，共93頁。46第四十六頁，共93頁。（3）擦除。EPROM的一個重要優(yōu)點是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬次。一片新的或擦除干凈的EPROM芯片，其每一個存儲單元的內(nèi)容都是FFH。要對一個使用過的EPROM進行編程，則首先應(yīng)將其放到專門的擦除器上進行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射EPROM的窗口，一般經(jīng)過15～20分鐘即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下EPROM的每個單元，若其內(nèi)容均為FFH，就認為擦除干凈了。47第四十七頁，共93頁。5.3.2EEPROM（E2PROM）EEPROM是“電擦除可編程只讀存儲器”的英文縮寫。由于采用電擦除技術(shù)，所以它允許在線編程寫入和擦除，而不必像EPROM芯片那樣需要從系統(tǒng)中取下來，再用專門的編程寫入器和專門的擦除器編程和擦除。48第四十八頁，共93頁。1．98C64A的引腳49第四十九頁，共93頁。2．98C64A的工作過程98C64A的工作過程同樣包括三部分：數(shù)據(jù)讀出、編程寫入和擦除。98C64A的編程時序如圖5-31所示。

50第五十頁，共93頁。3．EEPROM的應(yīng)用EEPROM可以很方便地實現(xiàn)與微機系統(tǒng)的連接，并可以通過軟件完成數(shù)據(jù)的讀/寫。這里再次提醒讀者注意，盡管EEPROM可以實現(xiàn)在線讀/寫，但絕不等于它可以像RAM芯片那樣隨機讀/寫，對它的寫入是有條件的，只有當端的狀態(tài)為高電平時才可以寫入一個或一頁數(shù)據(jù)。在EEPROM的應(yīng)用中，如果需要讀芯片某一單元的內(nèi)容，只需執(zhí)行一條存儲器讀指令即可將存儲的數(shù)據(jù)讀出。如果需要對EEPROM的內(nèi)容重新編程，可以在連線狀態(tài)下直接用字節(jié)或頁方式寫入?！纠?-6】將一片98C64A接到系統(tǒng)總線上，使其地址范圍在3E000H～3FFFFH之間，并編寫程序?qū)⑿酒乃写鎯卧獙懭?6H。解：電路連接如圖5-32所示。51第五十一頁，共93頁。52第五十二頁，共93頁。程序1：用延時等待方式。START: MOVAX,3E00H MOVDS,AX ;段地址送(DS) MOVSI,0000H ;第一個單元的偏移地址送(SI) MOVCX,2000H ;芯片的存儲單元個數(shù)送(CX)AGAIN: MOVAL,66H MOV[SI],AL ;寫入一個字節(jié) CALLTDELAY20MS ;調(diào)用延時子程序，延時20ms INCSI ;下一個存儲單元地址 LOOPAGAIN ;若未寫完則再寫下一個字節(jié) HLT53第五十三頁，共93頁。程序2：用查詢端狀態(tài)的方式。START: MOVAX,3E00H MOVDS,AX ;段地址送（DS） MOVSI,0000H ;第一個單元的偏移地址送（SI） MOVCX,2000H ;芯片的存儲單元個數(shù)送（CX） MOVBL,66H ;要寫入的數(shù)據(jù)送（BL）AGAIN: MOVDX,02E0H ;狀態(tài)接口地址送（DX）WAIT: INAL,DX ;從接口讀入端的狀態(tài) TESTAL,01H ;可以寫入嗎？ JZWAIT ;若為低電平（表示忙）則等待 MOV[SI],BL ;否則，寫入一個字節(jié) INCSI ;下一個存儲單元地址 LOOPAGAIN ;若未寫完則再寫下一個字節(jié) HLT54第五十四頁，共93頁。5.3.3閃速EEPROM（FLASH）盡管EEPROM能夠在線編程，而且可以自動頁寫入，使其在使用方便性及寫入速度兩個方面都較EPROM更進一步，但即便如此，其編程時間相對RAM而言還是太長，特別是對大容量的芯片更是如此。人們希望有一種寫入速度類似于RAM但掉電后內(nèi)容又不丟失的存儲器。為此，一種新型的稱為閃存的EEPROM被研制出來。閃存的編程速度快，掉電后內(nèi)容又不丟失，從而得到很廣泛的應(yīng)用。1．28F040的引腳及結(jié)構(gòu)28F040的外部引腳如圖5-33所示。它共有19根地址線和8根數(shù)據(jù)線，說明該芯片的容量為512K×8bit；55第五十五頁，共93頁。56第五十六頁，共93頁。2．工作過程28F040與普通EEPROM芯片一樣也有三種工作方式：讀出、編程寫入和擦除。但不同的是它是通過向內(nèi)部狀態(tài)寄存器寫入命令的方法來控制芯片的工作方式的，對芯片所有的操作都要先向狀態(tài)寄存器寫入命令。另外，28F040的許多功能需要根據(jù)狀態(tài)寄存器的狀態(tài)來決定。要知道芯片當前的工作狀態(tài)，只需寫入命令70H，即可讀出狀態(tài)寄存器各位的狀態(tài)了。（1）讀操作。讀操作包括讀出芯片中某個單元的內(nèi)容、讀內(nèi)部狀態(tài)寄存器的內(nèi)容以及讀出芯片內(nèi)部的廠家及器件標記三種情況。（2）編程寫入。編程方式包括對芯片單元的寫入和對其內(nèi)部每個32KB塊的軟件保護。軟件保護是用命令使芯片的某一塊或某些塊規(guī)定為寫保護，也可置整片為寫保護狀態(tài)，這樣可以使被保護的塊不被寫入新的內(nèi)容或擦除。

57第五十七頁，共93頁。58第五十八頁，共93頁。（3）擦除方式。28F040既可以每次擦除一個字節(jié)，也可以一次擦除整個芯片，或根據(jù)需要只擦除片內(nèi)某些塊，并可在擦除過程中使擦除掛起和恢復擦除。59第五十九頁，共93頁。3．閃存的應(yīng)用目前閃存主要用來構(gòu)成存儲卡，以代替軟磁盤。存儲卡的容量可以做得較軟盤大，但具有軟盤的方便性，現(xiàn)在已大量用于便攜式計算機、數(shù)碼相機、MP3播放器等設(shè)備中。另外，閃速EEPROM也用作內(nèi)存，用于存放程序或不經(jīng)常改變且對寫入時間要求不高的場合，如微機的BIOS、顯卡的BIOS等。60第六十頁，共93頁。5.4高速緩沖存儲器（Cache）減少CPU與內(nèi)存之間速度差異的辦法主要有3種：一是在基本總線周期中插入若干等待周期，讓CPU等待內(nèi)存的數(shù)據(jù)，這樣做雖然方法簡單，但顯然會浪費CPU的能力；二是采用存取速度較快的SRAM作存儲器，這樣雖然可以基本解決CPU與存儲器之間速度不匹配的問題，但成本很高，而且SRAM的速度始終不能趕上CPU速度的發(fā)展；三是在慢速的DRAM和快速的CPU之間插入一速度較快、容量較小的SRAM，起到緩沖作用，使CPU既可以以較快速度存取SRAM中的數(shù)據(jù)，又不使系統(tǒng)成本上升過高，這就是Cache技術(shù)。61第六十一頁，共93頁。CPUCache主存62第六十二頁，共93頁。5.4.1Cache的工作原理Cache的工作原理是基于程序和數(shù)據(jù)訪問的局部性。如果把在一段時間內(nèi)一定地址范圍中被頻繁訪問的信息集合成批地從主存中讀到一個能高速存取的小容量存儲器中存放起來，供程序在這段時間內(nèi)隨時使用，從而減少或不再去訪問速度較慢的主存，就可以加快程序的運行速度。這就是Cache的設(shè)計思想，在CPU和主存之間設(shè)置一個小容量的高速存儲器，稱為高速緩沖存儲器，簡稱Cache。有了Cache，系統(tǒng)在工作時就總是不斷地將與當前指令集相關(guān)聯(lián)的一個不太大的后繼指令集合從內(nèi)存讀到高速Cache，然后再與CPU高速傳送，從而達到速度匹配。63第六十三頁，共93頁。在有Cache的系統(tǒng)中，Cache的命中率與Cache的大小、替換算法、程序特性等因素有關(guān)。增加Cache后，CPU對主存的平均存取速度可按下式粗略地計算：系統(tǒng)平均存取速度＝Cache存取速度×命中率+RAM存取速度×(1-命中率)【例5-7】某微型計算機存儲器系統(tǒng)由一級Cache和RAM組成。已知RAM的存取速度為80ns，Cache的存取速度為6ns，Cache的命中率為85%，求該存儲系統(tǒng)的平均存取速度。解：由上述公式可知，系統(tǒng)的平均存取速度=6ns×85%+80ns×15%=5.1ns+12ns=17.1ns。64第六十四頁，共93頁。5.4.2高速緩存與主存的存取一致性Cache中應(yīng)盡量存放CPU最近一直在使用的指令與數(shù)據(jù)。當Cache裝滿后，可將長期不用的數(shù)據(jù)刪除，提高Cache的使用效率。為保持Cache中數(shù)據(jù)與主存儲器中數(shù)據(jù)的一致性，同時避免CPU在讀寫過程中遺失新數(shù)據(jù)，確保Cache中更新過的數(shù)據(jù)不會因覆蓋而消失，必須將Cache中的數(shù)據(jù)及時更新并準確地反映到主存儲器。這個問題的解決有以下幾種方式：（1）貫穿讀出式CPUCache主存儲器65第六十五頁，共93頁。（2）旁路讀出式CPUCache主存儲器66第六十六頁，共93頁。（3）寫穿式CPUCache主存寫入寫入（4）回寫式更新CPUCache寫入主存67第六十七頁，共93頁。5.4.3Cache的分級體系結(jié)構(gòu)為了提高處理器的性能，應(yīng)盡量提高工作頻率f，減少執(zhí)行每條指令需要的周期數(shù)CPI，提高Cache的命中率H，減少存取周期數(shù)N。要達到這些目的，可以采用以下技術(shù)：（1）同時分發(fā)多條指令和采用亂序執(zhí)行，可以減少CPI的值。（2）采用轉(zhuǎn)移預(yù)測和適當增加Cache容量，可以提高H值。（3）采用高速的總線接口和不分塊的Cache方案，可以減少存取周期數(shù)N。（4）采用指令數(shù)據(jù)預(yù)取技術(shù)，可以提高Cache的命中率H。有時僅采用一個級別的Cache還不能滿足要求，從而需要增加第二級Cache，這就構(gòu)成了Cache的分級結(jié)構(gòu)。對于一個有多級Cache的微型計算機系統(tǒng)，其一級緩存（L1Cache）是集成在CPU內(nèi)部的，二級緩存（L2Cache）的設(shè)計分芯片（卡匣）內(nèi)置和外置兩種。一般來講，80%的內(nèi)存申請都可在一級緩存中實現(xiàn)，即在CPU內(nèi)部就可完成數(shù)據(jù)的存取，另外20%的內(nèi)存申請中的80%又可只與二級緩存打交道。因此，只有4%的內(nèi)存申請定向到主存DRAM中。68第六十八頁，共93頁。5.5存儲器管理5.5.1IBMPC/XT中的存儲空間分配IBMPC/XT計算機中的CPU為8088。從第2章已經(jīng)知道，8088有20根地址信號線，故能夠?qū)ぶ?MB的內(nèi)存空間，其物理地址范圍為0～FFFFFH。通常把這1MB空間分為三個區(qū)：RAM區(qū)、保留區(qū)和ROM區(qū)。1．RAM區(qū)RAM區(qū)為前640KB空間，地址范圍為00000H～9FFFFH，每個單元存放一個字節(jié)數(shù)據(jù)：可以讀出也可以寫入，是用戶的主要工作區(qū)（系統(tǒng)程序占用了一部分空間）。2．保留區(qū)保留區(qū)的空間為128KB，地址范圍為A0000H～BFFFFH。該空間用作字符/圖形顯示緩沖器區(qū)域。單色顯示適配器只使用4KB的顯示緩存區(qū)，而彩色字符/圖形顯示適配器需要16KB空間作為顯示緩沖區(qū)，對高分辨率顯示適配器，則需要的緩沖區(qū)容量更大。69第六十九頁，共93頁。3．ROM區(qū)存儲空間的最后256KB為ROM區(qū)，其地址范圍為C0000H～FFFFFH。其中前192KB存放系統(tǒng)的控制ROM，包括高分辨率顯示適配器的控制ROM及硬盤驅(qū)動器的控制ROM。5.5.2擴展存儲器及其管理1．尋址范圍不同CPU因地址線數(shù)目的不同，其尋址范圍也不同2．存儲器管理（1）存儲器管理機制。80386以后的微處理器均支持三種工作方式：實地址方式、虛地址保護方式和V86方式。80286只有實地址方式和虛地址保護方式兩種工作方式。8088/8086只工作在實地址方式。70第七十頁，共93頁。1）虛擬存儲器的概念。虛擬存儲技術(shù)是建立在主存和大容量輔存物理結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)之上，由附加硬件裝置及操作系統(tǒng)內(nèi)的存儲管理軟件組成的一種存儲體系，它將主存和輔存（硬盤）的地址空間統(tǒng)一編址，提供了比實際物理內(nèi)存大得多的存儲空間。在程序運行時，存儲器管理軟件只是把虛擬地址空間的一小部分映射到主存儲器，其余部分則仍存儲在磁盤上。當用戶訪問存儲器的范圍發(fā)生變化時，處于后臺的存儲器管理軟件再把用戶所需要的內(nèi)容從磁盤調(diào)入內(nèi)存，用戶感覺起來就好像是在訪問一個非常大的線性地址空間。這樣一種機制使編程人員在寫程序時，不用再考慮計算機的實際內(nèi)存容量，可以寫出使用的存儲器比實際配置的物理存儲器大很多的程序。71第七十一頁，共93頁。在虛擬存儲系統(tǒng)中，基本信息傳送單位可采用段、頁或段頁等幾種不同的方式。在80386以后的CPU上，分頁機制是支持虛擬存儲器的最佳選擇，因為它使用固定大小的塊。2）保護方式。所謂保護有兩個含義：一是每一個任務(wù)分配不同的虛地址空間，使任務(wù)之間完全隔離，實現(xiàn)任務(wù)間的保護；二是任務(wù)內(nèi)的保護機制，保護操作系統(tǒng)存儲段及其專用處理寄存器不被用戶應(yīng)用程序所破壞。72第七十二頁，共93頁。12300級：OS內(nèi)核1級：OS外層軟件2級：中間層軟件3級：應(yīng)用軟件73第七十三頁，共93頁。3）分段機制。80386的分段模式，使用具有兩個部分的虛擬地址，即段部分和偏移量。段部分是指CS、DS、SS、ES、GS、FS共6個段。段是形成虛擬-線性地址轉(zhuǎn)換機制的基礎(chǔ)，每個段由三個參數(shù)定義：段的基地址，即線性空間中段的開始地址。基地址是線性地址空間對應(yīng)于段內(nèi)偏移量為0的虛擬地址。段的界限（Limit），指段內(nèi)可以使用的最大偏移量，它指明該段的范圍大小。段屬性，如可讀出或?qū)懭攵蔚奶貦?quán)級等。

74第七十四頁，共93頁。4）分頁機制。分頁機制是存儲器管理機制的第二部分。分頁機制的特點是所管理的存儲器塊具有固定的大小，它把線性地址空間中的任何一頁映射到物理空間的一頁。分頁轉(zhuǎn)換函數(shù)由稱為頁表的存儲器常駐表來描述。5）虛擬8086方式。這是80386、80486和Pentium的一種新的工作方式，該方式支持存儲管理、保護及事務(wù)環(huán)境中執(zhí)行8086程序。它創(chuàng)建了一個在虛擬8086方式下執(zhí)行8086程序的任務(wù)的環(huán)境，使操作系統(tǒng)能夠運行DOS下的程序。75第七十五頁，共93頁。（2）實地址方式。實地址方式是80286～Pentium最基本的工作方式，與8088/8086工作方式基本相同，尋址范圍只能在1MB范圍內(nèi)，故不能管理和使用擴展存儲器。復位時，啟動地址為FFFF0H，此地址通常安排一個跳轉(zhuǎn)指令，轉(zhuǎn)至上電自檢和自舉程序。（3）虛地址保護方式。虛地址保護方式即上面所講的虛擬存儲器管理機制。在這種方式下，虛擬存儲器地址是一種概念性的邏輯地址，并非實際物理地址。虛擬存儲系統(tǒng)是在存儲體系層次結(jié)構(gòu)（輔存-內(nèi)存-高速緩存）基礎(chǔ)上，通過存儲器管理部件MMU，進行虛擬地址和實地址自動變換而實現(xiàn)的，變換過程對每個編程者是完全透明的。80386以上的CPU的存儲器管理功能大致相同：采用分段分頁管理方式，分段尺寸可達4GB，采用高速緩沖存儲器和轉(zhuǎn)換后備緩沖器加速地址變換；支持保護功能，實現(xiàn)任務(wù)間和特權(quán)級的數(shù)據(jù)和代碼保護。76第七十六頁，共93頁。5.5.3DOS環(huán)境下的內(nèi)存管理在DOS環(huán)境下，PC機使用的內(nèi)存可劃分為三個部分：系統(tǒng)存儲器（SystemMemory）、擴展存儲器（ExtendedMemory）和擴充存儲器（ExpandedMemory）。（1）系統(tǒng)存儲器。（2）擴充內(nèi)存EMS。EMS規(guī)范用于訪問在基本內(nèi)存之外附加的8MB～32MB擴充內(nèi)存（地址區(qū)域在1MB邊界以上）。在DOS的CONFIG.SYS文件中常見的EMM386.EXE就是按照EMS規(guī)范開發(fā)出來的擴充內(nèi)存管理程序（ExpandedMemoryManager）。（3）擴展內(nèi)存XMS。我們把1MB以上的地址空間稱為擴展內(nèi)存XMS（eXtendMemory），有時也稱其為XMS存儲器。77第七十七頁，共93頁。78第七十八頁，共93頁。（4）高端內(nèi)存區(qū)HMA。在實方式下，內(nèi)存是按段進行管理的，內(nèi)存單元的地址可記為：段地址:段內(nèi)偏移實際的物理地址由段地址左移4位再和段內(nèi)偏移相加而成。若內(nèi)存單元地址為“FFFF:FFFF”時，其實際物理地址為FFFF0+FFFF=10FFEF，約為1088KB（少16字節(jié)），這已超過1MB范圍進入擴展內(nèi)存了。（5）上位內(nèi)存UMB。UMB（UpperMemoryBlocks）稱為上位內(nèi)存或上位內(nèi)存塊。它是由擠占保留內(nèi)存中剩余未用的空間而產(chǎn)生的，它的物理存儲器仍然取自擴展存儲器，它的管理驅(qū)動程序是EMS驅(qū)動程序。79第七十九頁，共93頁。DOS系統(tǒng)中的內(nèi)存管理機制是：基本內(nèi)存由DOS管理，擴充內(nèi)存與擴展內(nèi)存分別由符合“擴充內(nèi)存規(guī)范”（EMS）和“擴展內(nèi)存規(guī)范”（XMS）的內(nèi)存管理程序管理。實際上，HMA、UMB、EMS三者的本質(zhì)是一樣的，它們都是通過驅(qū)動程序向XMS“要”來的。在DOS中，標準的EMS內(nèi)存管理程序是EMM386.EXE，標準的XMS內(nèi)存管理程序是HIMEM.SYS。在CONFIG.SYS文件中加進這兩個存儲管理程序即可使用EMS和XMS。其相應(yīng)語句為：DEVICE=C:\DOS\EMM386.EXEDEVICE=C:\DOS\HIMEM.SYS80第八十頁，共93頁。5.6外存儲器簡介所謂外存儲器就是指在微型計算機之外、通過設(shè)備接口連接的存儲器。常用的外存儲器包括硬盤驅(qū)動器、軟盤驅(qū)動器、磁帶驅(qū)動器、CD-ROM及存儲卡等。與內(nèi)存相比，外存儲器的容量非常大，但速度慢。內(nèi)存中的信息一般不能永久保存，一旦停電，所存儲的信息便立即消失。雖然ROM停電后能保存信息，但它只能讀出，不能在線寫入，只能存放一些相對不變化的信息和數(shù)據(jù)，如BIOS等。外存儲器彌補了這些缺陷，它為計算機提供了大容量、永久性的存儲功能。5.6.1硬盤及硬盤驅(qū)動器硬盤的存儲容量大，存取速度相對軟盤也較快，是目前微機系統(tǒng)配置中必不可少的外存儲器。81第八十一頁，共93頁。1．硬盤的基本結(jié)構(gòu)微機系統(tǒng)中配置的硬盤均為固定盤片結(jié)構(gòu)，由封裝在鑄鋁腔體中的頭盤組件（HeadDiskAssembly）與控制電路印刷電路板組件（PrintCircuitBoardAssembly，PCBA）組成。這種結(jié)構(gòu)的硬盤又稱為溫徹斯特磁盤，簡稱溫盤。2．硬盤的工作原理硬盤作為一種磁表面存儲器，是在非磁性的合金材料或玻璃基片表面涂上一層很薄的磁性材料，通過磁層的磁化方向來存儲“1”、“0”信息。盤片目前大都采用具有高密度、高剩磁、高矯頑力的金屬薄膜工藝制造。82第八十二頁，共93頁。3．硬盤上信息的存儲格式為了便于管理，磁盤被劃分為若干級別的管理單位：記錄面、柱面和扇區(qū)。頭間隔序標數(shù)據(jù)（512B）校驗字尾間隔頭間隔序標…一個扇區(qū)（記錄塊）下一個扇區(qū)磁道83第八十三頁，共93頁。4．硬盤和主機的數(shù)據(jù)傳送方式硬盤和主機的數(shù)據(jù)傳送方式主要有PIO（ProgrammedI/O）模式和DMA（DirectMemoryAccess）模式兩種。（1）PIO模式。早期的硬盤與主機之間均以PIO模式進行數(shù)據(jù)傳送。PIO模式是指通過CPU執(zhí)行程序，用I/O指令來完成數(shù)據(jù)的傳送。（2）DMA模式。由于硬盤容量的增大和讀寫速度的提高，必然要求硬盤接口有更高的傳輸率。5．硬盤與主機的接口標準最常用的硬盤接口標準有ATA（也稱IDE或EIDE）和SCSI兩種，它們定義了外存儲器（如硬盤、光盤等）和主機的物理接口。EIDE接口多用于普通微機中，大多數(shù)主板都內(nèi)置有一個或兩個EIDE接口，用戶只需將硬盤數(shù)據(jù)線插到EIDE接口即可。84第八十四頁，共93頁。SCSI接口采用了總線主控技術(shù)，即由SCSI接口來控制數(shù)據(jù)傳送操作以減少CPU的負荷，這使SCSI接口的性能比EIDE接口提高了很多（但新的EIDE設(shè)備也已采用同樣的技術(shù)）。SCSI接口有多種類型，每種類型的數(shù)據(jù)傳輸速率均不相同，常用的數(shù)據(jù)傳輸速率為20MB/s、40MB/s、80MB/s和160MB/s。SCSI接口的設(shè)備連接能力非常強，一個SCSI接口可以連接多達15臺外部設(shè)備。由于SCSI接口的傳輸速率高、可靠性好、CPU占用率低、連接設(shè)備多，所以它多用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和工作站系統(tǒng)。SCSI接口的缺點是構(gòu)造復雜、成本較高。85第八十五頁，共93頁。6