存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理及高速緩存技術(shù)(微型計(jì)算機(jī)技術(shù)課件)

第4章：存儲(chǔ)器和高速緩存技術(shù)教學(xué)重點(diǎn)微型機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)片選信號(hào)的產(chǎn)生方法層次化的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)4.1存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件4.1.1存儲(chǔ)器的分類4.1.2微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)4.1.3選擇存儲(chǔ)器器件的考慮因素4.1.4隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM4.1.5只讀存儲(chǔ)器ROM存儲(chǔ)器的分類分為兩大類：內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為內(nèi)存或主存外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為外存微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)圖4.132行×32列組成的矩陣和外部的連接4.1.3 選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素易失性只讀性存儲(chǔ)容量速度功耗4.1.4隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM靜態(tài)RAM〔SRAM〕容量小、功耗大、速度快、不需要刷新用于存儲(chǔ)容量較小的系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)DRAM〔DRAM〕容量高、需要刷新DRAM的刷新和DRAM控制器時(shí)序功能地址處理功能仲裁功能圖4.2DRAM控制器的原理圖4.1.5 只讀存儲(chǔ)器ROM掩膜型ROM可編程只讀存儲(chǔ)器PROM可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM可用電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM閃爍存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器分類表如下所示：存儲(chǔ)器

主存儲(chǔ)器

隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)

只讀存儲(chǔ)器(ROM)

雙極型半導(dǎo)體存儲(chǔ)器MOS存儲(chǔ)器〔靜態(tài)、動(dòng)態(tài)〕

可編程只讀存儲(chǔ)器PROM可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM，EEPROM掩膜型只讀存儲(chǔ)器MROM輔助存儲(chǔ)器

磁盤(軟盤、硬盤、盤組)存儲(chǔ)器磁帶存儲(chǔ)器

光盤存儲(chǔ)器

緩沖存儲(chǔ)器

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器（ROM）隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）靜態(tài)RAM（SRAM）動(dòng)態(tài)RAM（DRAM）非易失RAM（NVRAM）掩膜式ROM一次性可編程ROM（PROM）紫外線擦除可編程ROM（EPROM）電擦除可編程ROM（EEPROM）4.2

存儲(chǔ)器的連接1.存儲(chǔ)器和CPU的連接考慮存儲(chǔ)器和CPU之間通過地址線、數(shù)據(jù)線和控制線實(shí)現(xiàn)連接時(shí)，要考慮如下幾個(gè)問題?！?〕高速CPU和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹配問題?！?〕CPU總線的負(fù)載能力問題?！?〕片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制?！?〕對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法4.2.2片選信號(hào)的產(chǎn)生方法線選法直接使用地址線作為片選信號(hào)，使用在容量小，存儲(chǔ)芯片也少的小系統(tǒng)中。優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單，不必加片選譯碼器

缺點(diǎn)：地址不連續(xù)，會(huì)重疊，即同一個(gè)單元可對(duì)于不同地址全譯碼法把全部高位地址進(jìn)行譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，用于較大的系統(tǒng)中優(yōu)點(diǎn)：地址唯一，可保證地址的連續(xù)性局部譯碼法只是將高位地址的一局部進(jìn)行譯碼產(chǎn)生片選信號(hào)，用于存儲(chǔ)空間較大又不是足夠大的情況。存在地址重疊混合譯碼法將局部譯碼法和線選法結(jié)合起來產(chǎn)生片選信號(hào)地址不連續(xù)和重疊2.SRAM的使用舉例BAOET芯片允許信號(hào)邏輯電路地址譯碼器BAOET寫脈沖發(fā)生器延遲MRDCMWTCD7~D0D7~D0A19~A14A12A13A11~A0D7~D0WECECE0CE1CE2CE3A11~A0模塊選擇讀寫控制8286〔2片〕82864KX8b靜態(tài)RAM3DRAM的使用舉例4存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充4.6(a)擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度

(b)擴(kuò)充存儲(chǔ)器的字節(jié)容量4.3.1層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化總體結(jié)構(gòu)〔片外為二級(jí)Cache

內(nèi)為一級(jí)Cache〕內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)圖4.8 PC機(jī)的內(nèi)存組織1)根本內(nèi)存區(qū)圖4.9根本內(nèi)存區(qū)的組織根本內(nèi)存區(qū)主要供DOS操作系統(tǒng)使用，其中容納了DOS操作系統(tǒng)、DOS運(yùn)行需要的系統(tǒng)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)程序以及中斷向量表等。根本內(nèi)存區(qū)為640K，從00000H9FFFFH。2)高端內(nèi)存區(qū)圖4.10高端內(nèi)存區(qū)的組織3)擴(kuò)充內(nèi)存區(qū)圖4.11用高端內(nèi)存區(qū)64KB映射擴(kuò)充內(nèi)存的1個(gè)頁組現(xiàn)在根本不用〔4〕擴(kuò)展內(nèi)存區(qū)指1MB以上但不是通過內(nèi)存擴(kuò)充卡映射來獲得的內(nèi)存空間。從100000H開始，32位地址線的可達(dá)4GB，36位地址線高達(dá)64GB。16位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織32位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織4.4.1虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址虛擬存儲(chǔ)技術(shù)段式虛擬存儲(chǔ)和頁式虛擬存儲(chǔ)分段特點(diǎn)：每段的長度不是固定的每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間分頁特點(diǎn)：一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁面大小固定頁面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。只有分頁機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ)Pentium系統(tǒng)中，采用段頁式虛擬存儲(chǔ)機(jī)制邏輯地址、線性地址和物理地址邏輯地址〔虛擬地址〕特點(diǎn)：這是程序員編寫的源程序中使用的地址完整的邏輯地址一共48位，16位的選擇子和32的偏移量。邏輯地址中的選擇子對(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址分段部件將邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址線性地址特點(diǎn)：線性地址是由2個(gè)32位量相加而成的段基址由段描述苻得到線性地址是分為3個(gè)字段來表達(dá)其功能分頁部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址4.4.2分段管理為了實(shí)現(xiàn)分段管理，把有關(guān)段的信息即段基址、界限、訪問的屬性全部存放在一個(gè)稱為段描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。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IDT描述符表三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)隔離段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子段描述符段選擇子、段描述符和段描述符表描述符表段選擇子、段描述符和段描述符表邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址

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分頁管理分頁功能涉及兩個(gè)表：頁組目錄項(xiàng)表頁表線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址圖4.18分頁機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換第一步是查詢CR3第二步是將線性地址的高10位作為頁組項(xiàng)號(hào)第三步是查詢相應(yīng)頁組目錄對(duì)應(yīng)的頁表圖4.19線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子

轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB圖4.20轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB的功能轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLBTLB的工作原理Cache系統(tǒng)的框圖CPU高速緩存(Cache)高速緩存控制器主存DRAM高速緩存系統(tǒng)一個(gè)Cache系統(tǒng)包含三個(gè)局部：Cache模塊，既CPU和較慢速主存之間的SRAM；主存，即較慢速DRAM；Cache控制器，用來對(duì)Cache系統(tǒng)進(jìn)行控制。