西工大微機原理課件存儲器管理

1、第五章 存儲器管理第五章第五章 內(nèi)存儲器及其管理內(nèi)存儲器及其管理5.1 5.1 存儲器概述存儲器概述5.2 5.2 內(nèi)存儲器組成內(nèi)存儲器組成5.3 5.3 內(nèi)存儲器分段管理內(nèi)存儲器分段管理5.4 5.4 內(nèi)存儲器分頁管理內(nèi)存儲器分頁管理5.5 5.5 地址變換過程地址變換過程第五章 存儲器管理5.1 5.1 存儲器概述存儲器概述1.1.分類：內(nèi)存儲器和外存儲器分類：內(nèi)存儲器和外存儲器內(nèi)存內(nèi)存：也稱主存，通過系統(tǒng)總線與：也稱主存，通過系統(tǒng)總線與CPUCPU聯(lián)接，存放聯(lián)接，存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)；正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)；外存外存：需通過專門的接口電路和主機聯(lián)接，存放：需通過專門的接口電路和主機聯(lián)接

2、，存放暫不執(zhí)行的程序或不被處理的數(shù)據(jù)。暫不執(zhí)行的程序或不被處理的數(shù)據(jù)。內(nèi)存：根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為隨機存取存儲內(nèi)存：根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為隨機存取存儲器器 (RAM)(RAM)和只讀存儲器和只讀存儲器 (ROM)(ROM)。第五章 存儲器管理2.存儲器的性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo). .存儲器容量存儲器容量: :以字節(jié)為單元。常以以字節(jié)為單元。常以KB KB 、MBMB、GBGB、TBTB為為 單位。單位。. .存取周期存取周期：存儲器從接收到地址，到完成讀出或者寫：存儲器從接收到地址，到完成讀出或者寫 入數(shù)據(jù)的時間稱為存取周期。入數(shù)據(jù)的時間稱為存取周期。. .功耗功耗. .可靠性可靠性. .

3、集成度：常以集成度：常以“位位/ /片片”、“字節(jié)字節(jié)/ /片片”表示。表示。第五章 存儲器管理3.地址譯碼地址譯碼地址譯碼地址譯碼: :按系統(tǒng)按系統(tǒng)地址總線地址總線上的信息，從整個內(nèi)存中確上的信息，從整個內(nèi)存中確定一個存儲單元。定一個存儲單元。3232位微機中采用復(fù)合譯碼方式。位微機中采用復(fù)合譯碼方式。復(fù)合譯碼復(fù)合譯碼: :由縱橫交錯的由縱橫交錯的X X選擇線和選擇線和Y Y選擇線選擇某一存選擇線選擇某一存儲單元。儲單元。X X地址譯碼器地址譯碼器: :它決定選擇它決定選擇3232行中的某一行；行中的某一行；Y Y地址譯碼器地址譯碼器: :它決定選擇它決定選擇3232列中的某一列。列中的某一

4、列。選擇出某一行和某一列選擇出某一行和某一列交叉處交叉處的一個存儲單元。的一個存儲單元。( (如下圖如下圖) )第五章 存儲器管理第五章 存儲器管理5.25.2微型計算機內(nèi)存儲器組成微型計算機內(nèi)存儲器組成對單字節(jié)、雙字節(jié)和對單字節(jié)、雙字節(jié)和4 4字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問。字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問。單字節(jié)單字節(jié): :地址可以是任意地址地址可以是任意地址 ( (即奇地址或者偶地址即奇地址或者偶地址) )；雙字節(jié)雙字節(jié): :偶地址偶地址( (地址末位為地址末位為0)0)作為低作為低8 8位數(shù)據(jù)地址，位數(shù)據(jù)地址， 也就是該也就是該1616位數(shù)據(jù)的地址；位數(shù)據(jù)的地址；4 4字節(jié)字節(jié): :低低2 2位為位為0 0

5、的地址作為低的地址作為低8 8位數(shù)據(jù)地址，也就是該位數(shù)據(jù)地址，也就是該3232位數(shù)位數(shù) 據(jù)的地址。據(jù)的地址。 3 3- - 0 0: :實現(xiàn)實現(xiàn)8 8位、位、1616位和位和3232位數(shù)據(jù)的訪問位數(shù)據(jù)的訪問. .（表（表5.15.1）第五章 存儲器管理一、 32位存儲器組成方式 (一個例子)第五章 存儲器管理二、存儲器多級結(jié)構(gòu)二、存儲器多級結(jié)構(gòu)第五章 存儲器管理5.35.3內(nèi)存儲器分段管理（內(nèi)存儲器分段管理（保護模式）保護模式） 實模式實模式存儲器尋址存儲器尋址: :. .段寄存器直接存放某一段的段寄存器直接存放某一段的段基址段基址，段寄存器為，段寄存器為CSCS， DSDS，SSSS，ESE

6、S，F(xiàn)S,GSFS,GS。. .程序給出程序給出邏輯地址邏輯地址，包括段基地址（，包括段基地址（1616位）和相對于位）和相對于 段基地址的段內(nèi)偏移量（段基地址的段內(nèi)偏移量（1616位），又稱偏移地址。位），又稱偏移地址。. .在存儲器尋址時，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲器存儲單元在存儲器尋址時，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲器存儲單元 的物理地址（實際地址或者絕對地址），物理地址為的物理地址（實際地址或者絕對地址），物理地址為 2020位。地址轉(zhuǎn)換規(guī)則為：位。地址轉(zhuǎn)換規(guī)則為： 物理地址物理地址= =段基地址段基地址10H10H偏移地址偏移地址第五章 存儲器管理保護模式保護模式存貯器分段管理：存貯器分段管理：.

7、 .段寄存器存放段段寄存器存放段選擇符選擇符。. .選擇符用于選擇選擇符用于選擇段描述符。段描述符。. .段描述符包括段描述符包括段基址、段界限（長度）和訪問權(quán)限段基址、段界限（長度）和訪問權(quán)限等。等。. . 所有段描述符存于描述符表中（內(nèi)存）。所有段描述符存于描述符表中（內(nèi)存）。1 1選擇符選擇符INDEX INDEX 指示描述符在描述符表中的位置。指示描述符在描述符表中的位置。TI TI 定義描述符表在局部描述符表定義描述符表在局部描述符表LDTLDT中還是在全局中還是在全局 描述符表描述符表GDTGDT中。中。RPL RPL 指示請求特權(quán)級指示請求特權(quán)級0-30-3。INDEXTIRPL

8、第五章 存儲器管理2.2.描述符描述符描述符按照段的性質(zhì)可分為三類：程序段描述符，系描述符按照段的性質(zhì)可分為三類：程序段描述符，系統(tǒng)段描述符和門描述符。統(tǒng)段描述符和門描述符。第五章 存儲器管理工作原理：工作原理：. .在保護方式下，每個在保護方式下，每個段寄存器段寄存器（CSCS，DSDS，ESES，SSSS，F(xiàn)SFS，GSGS）以及部分）以及部分系統(tǒng)地址寄存器系統(tǒng)地址寄存器（TRTR，LDTRLDTR）對應(yīng)一個）對應(yīng)一個描述符寄存器。描述符寄存器。. .段寄存器或者段寄存器或者TRTR，LDTRLDTR作為選擇器，存放作為選擇器，存放選擇符選擇符。其。其中高中高1313位作為段描述符表的地址

9、（簡稱選擇碼）。位作為段描述符表的地址（簡稱選擇碼）。. .每當(dāng)把一個選擇符裝入某個段寄存器時，微處理器自每當(dāng)把一個選擇符裝入某個段寄存器時，微處理器自動從描述符表中取出相應(yīng)的動從描述符表中取出相應(yīng)的描述符描述符，把描述符中的信，把描述符中的信息保存到對應(yīng)的描述符息保存到對應(yīng)的描述符高速緩沖寄存器高速緩沖寄存器中。中。第五章 存儲器管理描述符組成：描述符組成： (8(8個字節(jié)組成個字節(jié)組成) ). .描述符的基地址描述符的基地址: :段的起始單元，由段的起始單元，由3232位表示。位表示。. .段界限段界限: :表明段長度，由表明段長度，由2020位表示。位表示。. .訪問權(quán)限及屬性：訪問權(quán)限

10、及屬性： 其中其中G G為段界限長度單位，為段界限長度單位， G=1G=1，指示界限長度以頁（，指示界限長度以頁（4KB4KB）為單位，最大到）為單位，最大到4GB 4GB 。(2(220 20 頁頁=2=220202 21212B B= =2 23232B)B) G=0 G=0，以字節(jié)為單位，最大到，以字節(jié)為單位，最大到1MB(21MB(22020B)B)。第五章 存儲器管理保護模式分段管理總結(jié)保護模式分段管理總結(jié): 1、段寄存器存放選擇符，而選擇符用于段寄存器存放選擇符，而選擇符用于選擇選擇描述符，描述符又存于描述符表中描述符，描述符又存于描述符表中（內(nèi)存中）（內(nèi)存中） 2、每個描述符由物

11、理基地址（段的起始、每個描述符由物理基地址（段的起始單元）、段界限（段最大偏移量，即段單元）、段界限（段最大偏移量，即段長度）及段說明符組成。長度）及段說明符組成。第五章 存儲器管理段地址轉(zhuǎn)換：段地址轉(zhuǎn)換：( (邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址) ). . 邏輯地址邏輯地址包括包括1616位的段選擇符和位的段選擇符和3232位的段偏移量。位的段偏移量。. .在保護方式下，根據(jù)選擇符從段描述表中取出相應(yīng)在保護方式下，根據(jù)選擇符從段描述表中取出相應(yīng)的的描述符描述符，其中包括段基址、界限值、段特權(quán)級以及，其中包括段基址、界限值、段特權(quán)級以及所允許訪問的類型的信息。所允許訪問的類型的信息。

12、. .描述符中描述符中3232位段基址加上位段基址加上3232的偏移量（由指令尋址的偏移量（由指令尋址方式?jīng)Q定）得到方式?jīng)Q定）得到線性地址線性地址。. .然后再由分段部件傳送給然后再由分段部件傳送給分頁部件形成物理地址分頁部件形成物理地址。如果分頁被禁止，計算出的線性地址就是物理地址。如果分頁被禁止，計算出的線性地址就是物理地址。第五章 存儲器管理5.4 5.4 內(nèi)存分頁管理內(nèi)存分頁管理內(nèi)存分段存在的問題：內(nèi)存分段存在的問題：. . 每段每段最長可達最長可達4GB4GB，若程序全段都裝入內(nèi)存運行，則一，若程序全段都裝入內(nèi)存運行，則一兩個大程序就會塞滿內(nèi)存，這不利于實現(xiàn)多任務(wù)環(huán)境。兩個大程序就會

13、塞滿內(nèi)存，這不利于實現(xiàn)多任務(wù)環(huán)境。. . 實際使用中，中小型程序占多數(shù)，它們對內(nèi)存的進進實際使用中，中小型程序占多數(shù)，它們對內(nèi)存的進進出出，造成大量內(nèi)存出出，造成大量內(nèi)存“碎片碎片”，浪費內(nèi)存空間。，浪費內(nèi)存空間。. . 由于程序運行的局部性，調(diào)用內(nèi)存的大程序中大部分由于程序運行的局部性，調(diào)用內(nèi)存的大程序中大部分指令在很長時間里并不運行，甚至根本不運行。它們即指令在很長時間里并不運行，甚至根本不運行。它們即浪費了調(diào)入調(diào)出時間，又白占內(nèi)存空間。浪費了調(diào)入調(diào)出時間，又白占內(nèi)存空間。分頁管理基本思想：分頁管理基本思想：把內(nèi)存分成等大的塊，稱為把內(nèi)存分成等大的塊，稱為“內(nèi)存頁內(nèi)存頁”；把程序、數(shù)據(jù)；把

14、程序、數(shù)據(jù)等各段的內(nèi)容也人為分成同樣大小的塊，稱為等各段的內(nèi)容也人為分成同樣大小的塊，稱為“內(nèi)容內(nèi)容頁頁”。針對上述三大問題，頁面管理可以如下處理：。針對上述三大問題，頁面管理可以如下處理：第五章 存儲器管理. . 先把程序的先把程序的前幾頁調(diào)入內(nèi)存前幾頁調(diào)入內(nèi)存。開始運行，不斷回收。開始運行，不斷回收 用過的內(nèi)存頁。這樣無論一個段有多大，它只需用過的內(nèi)存頁。這樣無論一個段有多大，它只需n n個個 頁就可順利運行了。頁就可順利運行了。. . “碎片碎片”少少。. . 不運行的程序頁將不調(diào)入內(nèi)存，避免了不運行程序不運行的程序頁將不調(diào)入內(nèi)存，避免了不運行程序 段白占內(nèi)存的情況。段白占內(nèi)存的情況。分

15、頁管理的代價：占用內(nèi)存來放置內(nèi)容頁與內(nèi)存頁的對分頁管理的代價：占用內(nèi)存來放置內(nèi)容頁與內(nèi)存頁的對應(yīng)表；花費時間去決定哪個頁收回，哪個頁應(yīng)該調(diào)入。應(yīng)表；花費時間去決定哪個頁收回，哪個頁應(yīng)該調(diào)入。3232位位CPUCPU系統(tǒng)規(guī)定頁的大小為系統(tǒng)規(guī)定頁的大小為4 KB4 KB。第五章 存儲器管理內(nèi)存分頁管理圖示.doc第五章 存儲器管理分頁管理通過分頁管理通過2 2級頁表級頁表來實現(xiàn)的：來實現(xiàn)的：. . 將內(nèi)存按每將內(nèi)存按每4KB4KB劃分為一頁劃分為一頁( (稱為一個頁面稱為一個頁面) )，由，由頁表頁表管理頁面，由管理頁面，由頁目錄表頁目錄表管理頁表。管理頁表。. .頁表頁表中存放每個中存放每個頁的

16、起始地址頁的起始地址( (低低1212位全為位全為0)0)，頁表，頁表中的每一項稱為一個中的每一項稱為一個頁表項頁表項，每個頁表項占，每個頁表項占4 4個字節(jié)。個字節(jié)。整個頁表占整個頁表占4KB4KB空間空間( (一頁一頁) )，由，由1010位地址位地址表示。表示。. . 頁目錄表頁目錄表存放每個存放每個頁表的起始地址頁表的起始地址，頁表的起始地，頁表的起始地址址( (低低1212位全為位全為0)0)，頁目錄表中的每一項稱為一個，頁目錄表中的每一項稱為一個頁目頁目錄項錄項，也占，也占4 4個字節(jié)，整個頁目錄占個字節(jié)，整個頁目錄占4KB4KB空間空間( (一頁一頁) )，也由也由1010位地址

17、表示。位地址表示。. .頁目錄表的首地址頁目錄表的首地址存放于存放于CPUCPU內(nèi)內(nèi)CRCR3 3中。中。這樣兩級管理共可管理這樣兩級管理共可管理4GB4GB內(nèi)存內(nèi)存(2(210102 210102 21212) )。 第五章 存儲器管理保護模式分頁管理總結(jié)：保護模式分頁管理總結(jié)： 1、CR3存放頁目錄表首地址存放頁目錄表首地址 2、頁目錄表有、頁目錄表有10位地址，共存放位地址，共存放1024個個頁目錄項（頁目錄項（4字節(jié)），而頁目錄項存放頁字節(jié)），而頁目錄項存放頁表的起始地址表的起始地址 3、頁表有、頁表有10位地址，共存放位地址，共存放1024個頁表個頁表項（項（4字節(jié)），而頁表項存放頁的起始地字節(jié)），而頁表項存放頁的起始地址址第五章 存儲器管理頁部件的地址轉(zhuǎn)換頁部件的地址轉(zhuǎn)換: :線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址. .分段部件提供的分段部件提供的3232位線性地址中，位線性地址中，高高1010位位作為偏移作為偏移量與控制寄存器量與控制寄存器CRCR3 3中的中的2020位項目錄表基址相加位項目錄表基址相加( (最低最低2 2位為位為0 0，共，共3232位位) )，