計算機組成原理 (4)

1、1第第4章章 存儲器系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)4.1 存儲器的概述存儲器的概述4.1.1 存儲器分類存儲器分類 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) 按存儲介質(zhì)分按存儲介質(zhì)分 磁芯磁芯 半導體存儲器半導體存儲器 磁表面存儲器磁表面存儲器 光存儲器光存儲器2 按信息的可保存性分類按信息的可保存性分類 易失性存儲器易

2、失性存儲器(RAM)； 破壞性讀出破壞性讀出。讀操作之后，必須緊接一個重寫操作。讀操作之后，必須緊接一個重寫操作。 非破壞性讀出非破壞性讀出。例磁表面存儲器、。例磁表面存儲器、SRAM。 非易失性存儲器非易失性存儲器(ROM、磁芯、磁表面存儲器和光存儲器、磁芯、磁表面存儲器和光存儲器)。 4.1.2主存儲器的組成和基本操作主存儲器的組成和基本操作 圖圖4- -l所示為主存儲器的基本組成框圖。所示為主存儲器的基本組成框圖。 其中存儲陣列是存儲器的核心部分，它是存儲二進制信息的主體，其中存儲陣列是存儲器的核心部分，它是存儲二進制信息的主體，也稱為也稱為存儲體是由大量存儲單元構成的，為了區(qū)分各個存儲

3、單元，把它存儲體是由大量存儲單元構成的，為了區(qū)分各個存儲單元，把它們進行統(tǒng)一編號，們進行統(tǒng)一編號，因為是用二進制進行編碼的，因為是用二進制進行編碼的，所以又稱所以又稱。 地址碼與存儲單元是一一對應的，地址碼與存儲單元是一一對應的，因此要對某一存儲單元進行存取操作，必須首先給出被訪問因此要對某一存儲單元進行存取操作，必須首先給出被訪問的存儲單元的地址。的存儲單元的地址。 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。 某些計算機是按字進行編址的，最小的可尋址信息單元是一個機某些計算機是按字進行編址的，最小的可尋址信息單元是一個機器字，連續(xù)的存儲器地址對應于連續(xù)的機器字。器字，連續(xù)的存

4、儲器地址對應于連續(xù)的機器字。 目前多數(shù)計算機是按字節(jié)編址的，最小可尋址單位是一個字節(jié)。目前多數(shù)計算機是按字節(jié)編址的，最小可尋址單位是一個字節(jié)。 一個一個32位字長的按字節(jié)尋址位字長的按字節(jié)尋址的計算機，一個存儲器字包含四個可的計算機，一個存儲器字包含四個可單獨尋址的字節(jié)單元，單獨尋址的字節(jié)單元，由地址的低兩位來區(qū)分由地址的低兩位來區(qū)分。 地址寄存器地址寄存器圖圖4-1 主存儲器的基本組成主存儲器的基本組成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)計算機采用同步方式，數(shù)據(jù)傳送在固定的時間間隔內(nèi)完目前多數(shù)計算機采用同步方式，數(shù)據(jù)傳送在固定的時間間隔內(nèi)完成，此時間間隔構成了存儲器

5、成，此時間間隔構成了存儲器的一個的一個存儲周期。存儲周期。 地址譯碼與驅(qū)動電路的作用地址譯碼與驅(qū)動電路的作用 讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器的作用讀寫電路與數(shù)據(jù)寄存器的作用 時序控制電路時序控制電路 主存儲器用于存放主存儲器用于存放CPU正在運行的程序和數(shù)據(jù)，它和正在運行的程序和數(shù)據(jù)，它和CPU的關系的關系最為密切。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。 存儲器基本操作是讀存儲器基本操作是讀(取取)和寫和寫(存存)。54.1.3 存儲器的主要性能指標存儲器的主要性能指標 存儲容量存儲容量S 存儲容量存儲容量：主存所能容納的二

6、進制信息總量。：主存所能容納的二進制信息總量。 對于字編址的計算機以對于字編址的計算機以字數(shù)與字長的乘積字數(shù)與字長的乘積來表示容量。來表示容量。 例：某計算機的容量為例：某計算機的容量為64K 16，表示它有，表示它有64K個字，字長為個字，字長為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) 訪問時間訪問時間TA(memory

7、access time) 訪問時間訪問時間TA 又稱讀寫時間或取數(shù)時間又稱讀寫時間或取數(shù)時間(本書為本書為TAA) ：指從啟動一指從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間。 讀出時間讀出時間：從：從CPU向存儲器發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將向存儲器發(fā)出有效地址和讀命令開始，直到將被選中單元的內(nèi)容讀出為止所用的時間。被選中單元的內(nèi)容讀出為止所用的時間。6 寫入時間寫入時間：從：從CPU向存儲器發(fā)出有效地址和寫命令開始，直到信向存儲器發(fā)出有效地址和寫命令開始，直到信息寫入所選中的單元為止所用的時間。息寫入所選中的單元為止所用的時間。 存取周期存取周期TM

8、 (memory cycle time) 存取周期存取周期TM稱讀寫周期或讀寫周期，稱讀寫周期或讀寫周期，指存儲器一次進行完整的讀指存儲器一次進行完整的讀/寫操作所需的全部時間，即連續(xù)兩次訪問存儲器操作之間所需的最寫操作所需的全部時間，即連續(xù)兩次訪問存儲器操作之間所需的最短時間短時間。一般情況下。一般情況下 TAn。頁的大。頁的大小都取小都取2的整數(shù)次冪。的整數(shù)次冪。94頁的起點都落在低位字段最末位為頁的起點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： 高字段為邏輯頁號，低位字段為頁內(nèi)地址。高字段為邏輯頁號，低位字段為頁內(nèi)地址。實地址分為兩字段實地址分為兩字段

9、： 高字段為物理頁號，低位字段為頁內(nèi)地址。由于兩者的頁的大小是高字段為物理頁號，低位字段為頁內(nèi)地址。由于兩者的頁的大小是一樣的，所以頁內(nèi)地址是相等的。頁式管理的地址變換見圖一樣的，所以頁內(nèi)地址是相等的。頁式管理的地址變換見圖4.37。95 一種經(jīng)快表與慢表實現(xiàn)地址變換的方式如圖一種經(jīng)快表與慢表實現(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，它比頁表小得多，只有，它比頁表小得多，只有816行。查表行。查表時，時，根據(jù)根據(jù)邏輯頁號邏輯頁號同時同時查查快表快表和和慢表慢表(放在放在MM中中)。 當在快表中查到此邏輯頁號時，就能很快地找到對應的物理頁號當在快表中

10、查到此邏輯頁號時，就能很快地找到對應的物理頁號填入實地址寄存器，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，但訪問MM速度幾乎沒有下降。速度幾乎沒有下降。 96 當在快表中沒有查到此邏輯頁號時，當在快表中沒有查到此邏輯頁號時， 就需要花費一個訪問就需要花費一個訪問MM時間查慢表，從中查到物理頁號填入實地址寄時間查慢表，從中查到物理頁號填入實地址寄存器，并將此邏輯頁號和對應物理頁號送入快表，替換快表中應替存器，并將此邏輯頁號和對應物理頁號送入快表，替換快表中應替換的內(nèi)容。換的內(nèi)容。 優(yōu)點優(yōu)點：頁式管理系統(tǒng)基本信息傳送單位是定長

11、的頁，頁面的起點：頁式管理系統(tǒng)基本信息傳送單位是定長的頁，頁面的起點和終點是固定的。新頁調(diào)入和終點是固定的。新頁調(diào)入MM 也容易掌握，只要有空白頁面就也容易掌握，只要有空白頁面就可容納。唯一浪費的是程序最后一頁的零頭。比段式管理系統(tǒng)中的可容納。唯一浪費的是程序最后一頁的零頭。比段式管理系統(tǒng)中的段外空間浪費要小得多。段外空間浪費要小得多。 缺點缺點：頁不是邏輯上獨立的實體，所以處理、保護和共享不及段：頁不是邏輯上獨立的實體，所以處理、保護和共享不及段式來得方便。式來得方便。 段式段式VM 段表格式如圖段表格式如圖4.39。變換過程見圖。變換過程見圖4.40。 9798 優(yōu)點優(yōu)點：段的分界與程序模

12、塊的自然分界相對應；段的邏：段的分界與程序模塊的自然分界相對應；段的邏輯獨立性使它易于編譯、管理、修改和保護，也便于多道輯獨立性使它易于編譯、管理、修改和保護，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、隊列堆棧、隊列)具有動態(tài)可變長度，具有動態(tài)可變長度，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。 缺點缺點：段的長度不定，其起點和終點也不定，給：段的長度不定，其起點和終點也不定，給MM空間的分配帶來麻煩，而且容易在實存中留下許多零碎的空間的分配帶來麻煩，而且容易在實存中留下許多零碎的存儲空間不好利用，造成浪費。存儲空間不好利用，造成浪費。 段頁段頁VM

13、程序按邏輯單位分段，而段分成大小固定的頁。程序按邏輯單位分段，而段分成大小固定的頁。程序?qū)Τ绦驅(qū)M的調(diào)進調(diào)出按頁面進行，但又可按段共享和保護的調(diào)進調(diào)出按頁面進行，但又可按段共享和保護。每道程序是通過一個段表和一組頁表進行定位的每道程序是通過一個段表和一組頁表進行定位的 。 在在MM 中為每一個程序設一個段表，段表中的每個表項對中為每一個程序設一個段表，段表中的每個表項對應一個段，應一個段，每個表項有一個指向該段的頁表起始地址的指每個表項有一個指向該段的頁表起始地址的指針和該針和該 段的控制保護信息段的控制保護信息。由頁表指明該。由頁表指明該 段各頁在段各頁在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因此因此它兼有頁式和段式的優(yōu)點它兼有頁式和段式的優(yōu)點。其。其缺點缺點是在地址映象過程是在地址映象過程中需要多次查表。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圖變換見圖4.41。P3段表的基址P3第1段的頁表基址P3第1段的第2頁的實頁號100 地址轉(zhuǎn)換過程如下地址轉(zhuǎn)換過程如下： 根據(jù)基號根據(jù)基號(P3)，將基址寄存器內(nèi)容，將基址寄存器內(nèi)容(B3)加加1(段號段號)，得程序，得程序P3的的段表相應行的地址，其內(nèi)容指出該段頁表的起始地址段表相應行的地址，其內(nèi)容指出該段頁表的起始地址m。 計算計算m+2