第4章 存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理與高速緩存技術(shù)

1、第4章 存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理和高速緩存技術(shù)4.1存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件4.2存儲(chǔ)器的連接4.3微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)4.4.1 1.虛擬存儲(chǔ)技術(shù)4.5.1 Cache概述4.1存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器件l4.1.1 存儲(chǔ)器的分類(lèi)l4.1.2 微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)l4.1.3 選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素l4.1.4 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM l4.1.5 只讀存儲(chǔ)器ROM4.1.1存儲(chǔ)器的分類(lèi)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(chǔ)器的分類(lèi)(續(xù))根據(jù)用途和特點(diǎn)分類(lèi)： 1.內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱(chēng)為內(nèi)存或主存（ROM+RAM） 快速存取 容

2、量受限制(地址總線(xiàn)位數(shù)、價(jià)格) 2.外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱(chēng)為外存容量大速度慢 存儲(chǔ)介質(zhì)：內(nèi)存集成電路外存-磁盤(pán)、光盤(pán)、U盤(pán)4.1.2微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)微型計(jì)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(chǔ)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(xiàn)的條數(shù)4.1.3 選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素選擇存儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAMlSRAM：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，速度快優(yōu)

3、點(diǎn)：不需要刷新，速度快缺點(diǎn)：?jiǎn)纹萘啃?，功耗大缺點(diǎn)：?jiǎn)纹萘啃。拇?.1.4 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM（續(xù)）（續(xù)）lDRAM：電容儲(chǔ)存電荷原理：電容儲(chǔ)存電荷原理優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹萘看髢?yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹萘看?價(jià)格低價(jià)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(shí)序功能 地址處理功能 仲裁功能 4164共有64K（65536）個(gè)內(nèi)存單元，字長(zhǎng)1位即64K1位DRAM控制器集成在北橋中4.1.5只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM半導(dǎo)體半導(dǎo)體存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器RAMROMSRAMDRAM掩膜掩膜ROMPROMEPROMEEPROMFlash ROM4.2 存儲(chǔ)器的連接存儲(chǔ)器的連

4、接l4.2.1 存儲(chǔ)器和CPU的連接考慮l4.2.2 片選信號(hào)的產(chǎn)生方法l4.2.3 SRAM和DRAM的連接舉例l4.2.4 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充4.2.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題。和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題。插入插入TW狀態(tài)狀態(tài)lCPU總線(xiàn)的負(fù)載能力問(wèn)題?？偩€(xiàn)的負(fù)載能力問(wèn)題。加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器加總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器l片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。片選信號(hào)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(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法。對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法。矩陣結(jié)構(gòu)（芯片生產(chǎn)廠家決定）矩陣結(jié)構(gòu)（芯片生產(chǎn)

5、廠家決定）4.2 存儲(chǔ)器的連接存儲(chǔ)器的連接4.2.2 片選信號(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)的產(chǎn)生方法(續(xù)續(xù))l線(xiàn)選法線(xiàn)選法（1）1KBCS（2）1KBCS（3）1KBCS（4）1KBCSA10A11A13A12A0A9特點(diǎn)：簡(jiǎn)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(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)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(hào)不一定全用全部高位地址進(jìn)行譯碼A15 A14 A13A12.A0地址范圍4.2.2 片選信號(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)

6、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(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)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(xiàn)選法相同，存在地址重疊和地址不連續(xù)的問(wèn)題。與線(xiàn)選法相同，存在地址重疊和地址不連續(xù)的問(wèn)題。A15 A14 A13 A12 A11A10A0地址范圍4.2.3 SRA

7、M和和DRAM的連接舉例的連接舉例lSRAM的使用舉例的使用舉例16KB的SRAM子系統(tǒng)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器及外圍電路及外圍電路存儲(chǔ)存儲(chǔ)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lDRAM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(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲(chǔ)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(xiàn)的連接l地址線(xiàn)的連接； l控制線(xiàn)的連接l字節(jié)的擴(kuò)充字節(jié)的擴(kuò)充4.2.4 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲(chǔ)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)

8、充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充4.2.4 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)l4.3.1 層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)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)l4.3.2 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織微型計(jì)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(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)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)速度快 容量大 價(jià)格低cache-主存結(jié)構(gòu)

9、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(chǔ)技術(shù)也可能不同的存儲(chǔ)設(shè)備分為幾層，通過(guò)硬件和管理軟件組成一個(gè)既有足夠大的存儲(chǔ)空間，又能滿(mǎn)足CPU存取速度要求，而且價(jià)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(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)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(xiàn)的位數(shù)限制 20位 1MB 386/486/pentium 32位 4GB8086Pentium 36位 64GB內(nèi)存分區(qū)：基本內(nèi)存 高端內(nèi)存 擴(kuò)展內(nèi)存分區(qū)的意義

10、：有利于軟件的開(kāi)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(gè)頁(yè)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(yǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織地址空間：00000HFFFFFH字節(jié)訪問(wèn):-偶地址/奇地址字訪問(wèn):-

11、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(wèn)/字訪問(wèn)/雙字訪問(wèn)4.4.1 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址l1 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)物理存儲(chǔ)器：由地址總線(xiàn)直接訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間，其地址稱(chēng)為物理地址虛擬存儲(chǔ)器：程序使用的邏輯存儲(chǔ)空間虛擬存儲(chǔ)機(jī)制：由主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)管理部件共同組建。通過(guò)管理軟件，實(shí)現(xiàn)主存和輔存的密切配合。4.4.1 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址1l虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)l段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)分段特點(diǎn)：l每段

12、的長(zhǎng)度不是固定的l每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間分頁(yè)特點(diǎn)：l一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定l頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。l只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ) 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類(lèi)地址2l邏輯地址、線(xiàn)性地址和物理地址邏輯地址、線(xiàn)性地址和物理地址邏輯地址特點(diǎn)：l這是程序員編寫(xiě)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(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址線(xiàn)性地址特點(diǎn)：l線(xiàn)性地址是由2個(gè)32位量相加而成的l段基址由段描述苻得到l線(xiàn)性地址是分為3個(gè)字段來(lái)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IDTl描述符表三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空

13、間可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)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(xiàn)性邏輯地址轉(zhuǎn)換為線(xiàn)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(yè)管理分頁(yè)管理l分頁(yè)功能涉及兩個(gè)表：頁(yè)組目錄項(xiàng)表頁(yè)表4.3.6 線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址1圖4.19 分頁(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線(xiàn)性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換

14、為物理地址2l第一步是查詢(xún)CR3l第二步是將線(xiàn)性地址的高10位作為頁(yè)組項(xiàng)號(hào)l第三步是查詢(xún)相應(yīng)頁(yè)組目錄對(duì)應(yīng)的頁(yè)表 線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址3圖4.20 線(xiàn)性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子4.3.7轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB1圖4.21 轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB的功能轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)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(shí)間區(qū)域性時(shí)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)中的高速緩存技術(shù)l區(qū)域性定律(principle of

15、 locality)時(shí)間區(qū)域性時(shí)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(shí)間區(qū)域性時(shí)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(xiě)式l緩沖通寫(xiě)式l回寫(xiě)式Cache的數(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法2l一致性問(wèn)題，四種解決

16、方法。總線(xiàn)監(jiān)視法硬件監(jiān)視法劃出不可高速緩存存儲(chǔ)區(qū)法Cache清除法4.4.4 Cache控制器控制器82385l對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)區(qū)塊4.4.5 Pentium的兩級(jí)的兩級(jí)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(jí)數(shù)lCac