第4章存儲(chǔ)器第4版ppt課件

1、第4章 存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理和高速緩存技術(shù)教學(xué)建議，本章重點(diǎn)為: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)；32位微型機(jī)的內(nèi)存組織；虛擬存儲(chǔ)技術(shù)和三類地址；分段管理和分頁(yè)管理；段選擇子、段描述苻和段描述苻表；邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址的例子；線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子；Cache的工作原理；4.1.1存儲(chǔ)器的分類 分為兩大類：分為兩大類： 內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為內(nèi)存或主存內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為內(nèi)存或主存 外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為外存外部存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱為外存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)圖4.1 32行32列組成的矩陣和外部的連接4.1.3選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素選擇存儲(chǔ)器

2、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)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM SRAM DRAMDRAM的刷新和DRAM控制器 時(shí)序功能 地址處理功能 仲裁功能 圖4.2 DRAM控制器的原理圖4.1.5只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(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4.2.1 存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器和CPU的連接考慮的連接考慮 高速高速CPU和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題。配問(wèn)題。 CPU總線的負(fù)載能力問(wèn)題?？偩€的負(fù)載能力問(wèn)題。 片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生

3、機(jī)制。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。對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法。4.2.2 片選信號(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)的產(chǎn)生方法 線選法線選法 全譯碼法全譯碼法 部分譯碼法部分譯碼法 混合譯碼法混合譯碼法4.2.3 SRAM和和DRAM的連接舉例的連接舉例圖4.4 SRAM的使用舉例：16KB的SRAM子系統(tǒng)4.2.3 SRAM和和DRAM的連接舉例的連接舉例 DRAM的使用舉例的使用舉例4.2.4 存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充數(shù)擴(kuò)充 數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充 字節(jié)的擴(kuò)充圖字節(jié)的擴(kuò)充圖4.6 (a) 擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度 (b) 擴(kuò)

4、充存儲(chǔ)器的字節(jié)容量擴(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)層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu) 層次化總體結(jié)構(gòu)層次化總體結(jié)構(gòu)圖圖4.7存儲(chǔ)器的層次化總體結(jié)構(gòu)片外改為二級(jí)存儲(chǔ)器的層次化總體結(jié)構(gòu)片外改為二級(jí)Cache，片內(nèi)改為一級(jí)，片內(nèi)改為一級(jí)Cache）內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)圖4.8PC機(jī)的內(nèi)存組織 1)基本內(nèi)存區(qū)圖4.9 基本內(nèi)存區(qū)的組織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(yè)組 CONFIG.SYS文件中加入如下語(yǔ)句： DEVICE=C:DOSHIMEM.SYS DEVICE=C:DOSEMM386.EXE RAM

5、32000 DOS=UMB16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4.4.1 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址1 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 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)：分段特點(diǎn)： 每段的長(zhǎng)度不是固定的每段的長(zhǎng)度不是固定的 每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間 分頁(yè)特點(diǎn)：分頁(yè)特點(diǎn)： 一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定 頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。 只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ)只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ) 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和

6、三類地址2 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)：邏輯地址特點(diǎn)： 這是程序員編寫(xiě)的源程序中使用的地址這是程序員編寫(xiě)的源程序中使用的地址 完整的邏輯地址一共完整的邏輯地址一共48位位 邏輯地址中的選擇子對(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址邏輯地址中的選擇子對(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址 線性地址特點(diǎn)：線性地址特點(diǎn)： 線性地址是由線性地址是由2個(gè)個(gè)32位量相加而成的位量相加而成的 段基址由段描述苻得到段基址由段描述苻得到 線性地址是分為線性地址是分為3個(gè)字段來(lái)體現(xiàn)其功能個(gè)字段來(lái)體現(xiàn)其功能4.4.2 分段管理分段管理 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

7、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4.4.3 段選擇子、段描述符和段段選擇子、段描述符和段描述符表描述符表1 段選擇子段選擇子段選擇子、段描述符和段描述段選擇子、段描述符和段描述符表符表2段描述符段描述符 段選擇子、段描述符和段描述段選擇子、段描述符和段描述符表符表3 描述符表描述符表 4.3.4 邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址圖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 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(yè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換

8、線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址2 第一步是查詢CR3 第二步是將線性地址的高10位作為頁(yè)組項(xiàng)號(hào) 第三步是查詢相應(yīng)頁(yè)組目錄對(duì)應(yīng)的頁(yè)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(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TLB TLB的工作原理4.4 高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)緩存技術(shù)1圖4.23 Cache系統(tǒng)的框圖高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩高檔微機(jī)系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)存技術(shù)2 區(qū)域性定律(principle of locality) 時(shí)間區(qū)域性 空間

9、區(qū)域性4.4.2Cache的組織方式的組織方式 全相聯(lián)方式 直接映像方式 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1 通寫(xiě)式 緩沖通寫(xiě)式 回寫(xiě)式Cache的數(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法2 一致性問(wèn)題，四種解決方法。 總線監(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82385 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子系統(tǒng)子系統(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)