曹桂濤 計(jì)算機(jī)組成3ppt課件

1、第三章第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)l掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的分類、組成及組成部件的作用及工作原理、讀/寫操作的基本過程。l掌握SRAM、DRAM芯片的組成特點(diǎn)、工作過程、典型芯片的引腳信號(hào)、了解DRAM刷新的基本概念。l掌握半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的主要技術(shù)指標(biāo)、芯片的擴(kuò)充、CPU與半導(dǎo)體存儲(chǔ)器間的連接。l了解Cache的基本概念、特點(diǎn)、在系統(tǒng)中的位置。l了解虛擬存儲(chǔ)器的基本概念、特點(diǎn)、工作原理。3.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的記憶設(shè)備，用來存放程序和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。 存儲(chǔ)器分類存儲(chǔ)器分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)介質(zhì)分：半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁表面存儲(chǔ)

2、器按存儲(chǔ)方式分：隨機(jī)存儲(chǔ)器、順序存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)方式分：隨機(jī)存儲(chǔ)器、順序存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)器的讀寫功能分：只讀存儲(chǔ)器按存儲(chǔ)器的讀寫功能分：只讀存儲(chǔ)器(ROM) 、隨機(jī)讀、隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器(RAM)按信息的可保存性分：非永久記憶的存儲(chǔ)器、永久記按信息的可保存性分：非永久記憶的存儲(chǔ)器、永久記憶性存儲(chǔ)器憶性存儲(chǔ)器按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分：主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分：主存儲(chǔ)器、輔助存儲(chǔ)器、高速緩沖存儲(chǔ)高速緩沖存儲(chǔ) 器、控制存儲(chǔ)器等。器、控制存儲(chǔ)器等。分級(jí)存儲(chǔ)體系分級(jí)存儲(chǔ)體系w 為了解決對(duì)存儲(chǔ)器要求容量大，速度快，成本低三者之間的矛盾，目前通常采用多級(jí)存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)w 高速緩沖存儲(chǔ)器w

3、主存儲(chǔ)器w 外存儲(chǔ)器存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)Memory Hierarchyw 存儲(chǔ)器訪問的局部性存儲(chǔ)器訪問的局部性(Locality)原理原理w (1)時(shí)間局部性時(shí)間局部性:當(dāng)前正在使用的信息很可能是后面立即還要用的信息當(dāng)前正在使用的信息很可能是后面立即還要用的信息w 例程序循環(huán)和堆棧操作例程序循環(huán)和堆棧操作w (2)空間局部性空間局部性:指連續(xù)使用到的信息很可能在存儲(chǔ)空間上相鄰或相近指連續(xù)使用到的信息很可能在存儲(chǔ)空間上相鄰或相近w 以順序執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)以順序執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)(如數(shù)組如數(shù)組w (3)分層結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu):w 局部性原理是存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)技術(shù)可行性的基礎(chǔ)局部性原理是存

4、儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)技術(shù)可行性的基礎(chǔ). 普通普通:w CPU頻繁訪問的信息頻繁訪問的信息 高速存儲(chǔ)器中高速存儲(chǔ)器中w CPU不頻繁訪問的信息不頻繁訪問的信息 低速存儲(chǔ)器中低速存儲(chǔ)器中分級(jí)存儲(chǔ)體系分級(jí)存儲(chǔ)體系主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)目的目的含義含義表現(xiàn)表現(xiàn) 單位單位存儲(chǔ)存儲(chǔ)容量容量在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的在一個(gè)存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)存儲(chǔ)單元總數(shù)存儲(chǔ)空間的大小存儲(chǔ)空間的大小字?jǐn)?shù)，字字?jǐn)?shù)，字節(jié)數(shù)節(jié)數(shù)存取存取時(shí)間時(shí)間啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作啟動(dòng)到完成一次存儲(chǔ)器操作所經(jīng)歷的時(shí)間所經(jīng)歷的時(shí)間主存的速度主存的速度存儲(chǔ)存儲(chǔ)周期周期連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔連續(xù)啟動(dòng)兩次操作所需間隔的最小時(shí)間的最小時(shí)間主存的速度主存的

5、速度存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器帶寬帶寬單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的單位時(shí)間里存儲(chǔ)器所存取的信息量信息量數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 位位/秒，字秒，字節(jié)節(jié)/秒秒主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) (1)存取時(shí)間存取時(shí)間TA(Memory Access Time)是存儲(chǔ)器收到讀或?qū)懙氖谴鎯?chǔ)器收到讀或?qū)懙牡刂返綇拇鎯?chǔ)器讀出地址到從存儲(chǔ)器讀出(寫入寫入)信息所需的時(shí)間信息所需的時(shí)間.(2)存儲(chǔ)周期存儲(chǔ)周期TM(Memory Cycle Time): 指連續(xù)啟動(dòng)二次獨(dú)立指連續(xù)啟動(dòng)二次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作的存儲(chǔ)器操作(例連續(xù)例連續(xù)2次讀次讀)所需間隔的最小時(shí)間所需間隔的最小時(shí)間.一般一般TM TA.(3)帶寬帶寬BM:指每秒訪問

6、二進(jìn)制位的數(shù)目指每秒訪問二進(jìn)制位的數(shù)目. BM=W/ TM 若若TM=500ns,每周期訪問每周期訪問16位位,則則BM=16/0.5=32Mbps要提高要提高BM可從以下三方面入手可從以下三方面入手:（1使使TM （2使使W （3增加存儲(chǔ)體增加存儲(chǔ)體(4)容量容量:指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的能力指計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)信息的能力,即最大的二進(jìn)制信息量即最大的二進(jìn)制信息量.以以b或或B表示表示. 3.2 隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器w半導(dǎo)體記憶元件半導(dǎo)體記憶元件:w二進(jìn)制的記憶元件要有二進(jìn)制的記憶元件要有2個(gè)確定狀態(tài)個(gè)確定狀態(tài),表示表示邏輯值邏輯值“0和和“1”w檢測(cè)檢測(cè)2個(gè)狀態(tài)個(gè)狀態(tài) 電信號(hào)電信號(hào).w從原理上分

7、從原理上分,可分為雙極可分為雙極(bipolar)型和型和MOS(Metal Oxide Semiconductor)w后者又可按工作原理分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種后者又可按工作原理分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種.轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(1)RAM(Random Access Memory):能隨機(jī)能隨機(jī)地對(duì)存儲(chǔ)器中任一單元存取地對(duì)存儲(chǔ)器中任一單元存取,存取時(shí)間與存取時(shí)間與該單元的物理位置無關(guān)該單元的物理位置無關(guān).要求要求:有有2種穩(wěn)定狀態(tài)種穩(wěn)定狀態(tài).在外部信號(hào)激勵(lì)下在外部信號(hào)激勵(lì)下,2種穩(wěn)定狀態(tài)能進(jìn)行無數(shù)種穩(wěn)定狀態(tài)能進(jìn)行無數(shù)次相互轉(zhuǎn)換次相互轉(zhuǎn)換在外部信號(hào)激勵(lì)下在外部信號(hào)激勵(lì)下,能讀出能讀出2種穩(wěn)定狀態(tài)種穩(wěn)定狀態(tài).存儲(chǔ)可靠存儲(chǔ)

8、可靠. 主存的組成 主存的組成(2)RAM分類分類: SRAM(Static RAM): 即靜態(tài)即靜態(tài)RAM 利用開關(guān)特性記憶利用開關(guān)特性記憶,只要電源有電只要電源有電,就能穩(wěn)定保存就能穩(wěn)定保存信息信息.DRAM(Dynamic RAM):即動(dòng)態(tài)即動(dòng)態(tài)RAM 除需電源外除需電源外,還要定期對(duì)它充電還要定期對(duì)它充電(刷新刷新). 主存的組成(3)SRAM記憶元件記憶元件:有雙極型和有雙極型和MOS型兩種型兩種, 以以MOS為例為例當(dāng)柵極為高位時(shí)當(dāng)柵極為高位時(shí),MOS導(dǎo)通導(dǎo)通,D與與S間相當(dāng)一條間相當(dāng)一條短路線短路線單管單管MOS存儲(chǔ)單元沒有記憶功能存儲(chǔ)單元沒有記憶功能,必須使用具必須使用具有有雙

9、穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器作為記憶元件雙穩(wěn)態(tài)的觸發(fā)器作為記憶元件,常用的是常用的是六管六管MOS單元單元:T1,T2工作管工作管T3,T4- 負(fù)載管負(fù)載管,作為阻抗作為阻抗T5,T6,T7,T8(控制管控制管)讀寫控制門讀寫控制門,用來選中用來選中記憶單元記憶單元GVCC DS-SourceGate-Drain 3.2 SRAM存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)元存一個(gè)存儲(chǔ)元存儲(chǔ)一位二進(jìn)制儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼。代碼。A，B兩兩點(diǎn)的電位總是點(diǎn)的電位總是互為相反的，互為相反的，因此它能表示因此它能表示一位二進(jìn)制的一位二進(jìn)制的1和和0。六管六管MOS單元的讀寫過程單元的讀寫過程寫操作寫“1”：在I/O線上輸入高電位，在I/O線上輸入低電

10、位，開啟T5,T6,T7,T8四個(gè)晶體管。把高、低電位分別加在A，B點(diǎn)，使T1管截止，使T2管導(dǎo)通，將“1寫入存儲(chǔ)元.寫“0”：在I/O線上輸入低電位，在I/O線上輸入高電位，打開T5,T6,T7,T8四個(gè)開門管。把低、高電位分別加在A，B點(diǎn)，使T1管導(dǎo)通,T2管截止,將“0信息寫入了存儲(chǔ)元。讀操作若某個(gè)存儲(chǔ)元被選中，則該存儲(chǔ)元的T5，T6，T7，T8管均導(dǎo)通，A，B兩點(diǎn)與位線D與D相連。存儲(chǔ)元的信息被送到I/O與I/O線上。I/O與I/O線接著一個(gè)差動(dòng)讀出放大器 ，從其電流方向可以判知所存信息是“1還是“0”。六管六管MOS單元的讀寫過程單元的讀寫過程MOS管靜態(tài)記憶單元特點(diǎn)管靜態(tài)記憶單元特

11、點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):非破壞性讀出非破壞性讀出,抗干擾強(qiáng)抗干擾強(qiáng),可靠可靠.缺陷缺陷:記憶單元管子多記憶單元管子多,占硅片面積大占硅片面積大,功耗較大功耗較大,集成集成度不高度不高.雙極型雙極型(bipolar):分分TTL和和ECL(Emitter-Couple Logic),速度快速度快,用于高速緩存用于高速緩存.SRAM存儲(chǔ)器的組成 SRAM存儲(chǔ)器的組成 譯碼譯碼方式方式單譯碼單譯碼 雙譯碼雙譯碼 -n位地址構(gòu)成 2n 條地址線。若n=10，則有1024條地址線- 將地址分成兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器將地址分成兩部分，分別由行譯碼器和列譯碼器共同譯碼共同譯碼 其輸出為存儲(chǔ)矩陣的行列選擇線，

12、由它們共同其輸出為存儲(chǔ)矩陣的行列選擇線，由它們共同確定欲選擇確定欲選擇 的地址單元。的地址單元。SRAM存儲(chǔ)器芯片實(shí)例 123456789181716151413121110A2A1A0A3A4A5A6A7A8A9CSGNDVCCD3D2D1D0R / WRAM 2114 管腳圖管腳圖故其容量為：故其容量為：1024字字4位又稱為位又稱為1K 4）RAM2114共有共有10根地址線，根地址線，4根數(shù)據(jù)線。根數(shù)據(jù)線。存儲(chǔ)器與CPU連接 w CPU對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀/寫操作寫操作w 首先由地址總線給出地址信號(hào)，然后要首先由地址總線給出地址信號(hào)，然后要發(fā)出讀操作或?qū)懖僮鞯目刂菩盘?hào)，最后在發(fā)

13、出讀操作或?qū)懖僮鞯目刂菩盘?hào)，最后在數(shù)據(jù)總線上進(jìn)行信息交流，要完成地址線數(shù)據(jù)總線上進(jìn)行信息交流，要完成地址線的連接、數(shù)據(jù)線的連接和控制線的連接。的連接、數(shù)據(jù)線的連接和控制線的連接。存儲(chǔ)器與CPU連接 w 為了滿足實(shí)際存儲(chǔ)器的容量要求，需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行擴(kuò)展。主要方法有： w 位擴(kuò)展法：只加大字長(zhǎng)，而存儲(chǔ)器的字?jǐn)?shù)與存儲(chǔ)器芯片字?jǐn)?shù)一致,對(duì)片子沒有選片要求w 字?jǐn)U展法:僅在字向擴(kuò)充，而位數(shù)不變。需由片選信號(hào)來區(qū)分各片地址。w w 字位同時(shí)擴(kuò)展法:一個(gè)存儲(chǔ)器的容量假定為MN位，若使用lk 位的芯片(lM,kN)，需要在字向和位向同時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。此時(shí)共需要(M/l)(N/k)個(gè)存儲(chǔ)器芯 片。 存儲(chǔ)器的讀、寫周

14、期 2114的寫周期 3.3 DRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器DRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器w 四管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元四管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元 w 寫操作寫操作:I/O與與I/O加相反的電平。當(dāng)加相反的電平。當(dāng)T5,T6截止時(shí)，靠截止時(shí)，靠T1，T2管柵極管柵極電容的存儲(chǔ)作用，在一定時(shí)間內(nèi)電容的存儲(chǔ)作用，在一定時(shí)間內(nèi)(如如2ms)可保留所寫入的信息。可保留所寫入的信息。w 讀操作讀操作:先給出預(yù)充信號(hào)，使先給出預(yù)充信號(hào)，使T9，T10管導(dǎo)通，位線管導(dǎo)通，位線D和和D上的電容都上的電容都達(dá)到電源電壓。字選擇線使達(dá)到電源電壓。字選擇線使T5，T6管導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)的信息通過管導(dǎo)通時(shí)，存儲(chǔ)的信息通過A，B端向位線輸出。端向位線輸出。 w 刷新

15、操作刷新操作:為防止存儲(chǔ)的信息電荷泄漏而丟失信息，由外界按一定規(guī)為防止存儲(chǔ)的信息電荷泄漏而丟失信息，由外界按一定規(guī)律不斷給柵極進(jìn)行充電，補(bǔ)足柵極的信息電荷。律不斷給柵極進(jìn)行充電，補(bǔ)足柵極的信息電荷。w w 單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元單管動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)元 w 寫入：字選擇線為寫入：字選擇線為“1”，T1管導(dǎo)通，寫入信息由位線管導(dǎo)通，寫入信息由位線(數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線)存入存入電容電容C中；中；w 讀出：字選擇線為讀出：字選擇線為“1”，存儲(chǔ)在電容，存儲(chǔ)在電容C上的電荷，通過上的電荷，通過T1輸出到數(shù)輸出到數(shù)據(jù)線上，通過讀出放大器即可得到存儲(chǔ)信息。據(jù)線上，通過讀出放大器即可得到存儲(chǔ)信息。DRAM存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器DRAM存儲(chǔ)芯

16、片實(shí)例 16K1位DRAM芯片 2116邏輯結(jié)構(gòu)圖DRAM的刷新的刷新w 刷新周期：動(dòng)態(tài)刷新周期：動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器采用存儲(chǔ)器采用“讀出方式讀出方式進(jìn)行刷新。從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下進(jìn)行刷新。從上一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器刷新結(jié)束到下一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍為止，這一段時(shí)一次對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器全部刷新一遍為止，這一段時(shí)間間隔叫刷新周期。間間隔叫刷新周期。w 常用的刷新方式有：常用的刷新方式有：w 集中式集中式 w 分散式分散式 w 異步式異步式 DRAM存儲(chǔ)器控制電路 主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)主存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)體讀寫電路數(shù)據(jù)寄存器MDR驅(qū)動(dòng)器譯碼器地址寄存器MAR控制電路.數(shù)據(jù)總線地址總線.讀 寫存儲(chǔ)芯片連接成存

17、儲(chǔ)器的擴(kuò)展方式存儲(chǔ)芯片連接成存儲(chǔ)器的擴(kuò)展方式(1)字?jǐn)U展方式字?jǐn)U展方式: 字長(zhǎng)不變字長(zhǎng)不變字?jǐn)?shù)字?jǐn)?shù)(單元單元),增字?jǐn)?shù)增字?jǐn)?shù).(2)位擴(kuò)展方式位擴(kuò)展方式 字?jǐn)?shù)不變字?jǐn)?shù)不變,位數(shù)增加位數(shù)增加.即用多片對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行即用多片對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)展擴(kuò)展.(3)字位擴(kuò)展字位擴(kuò)展:即字位方向同時(shí)擴(kuò)展即字位方向同時(shí)擴(kuò)展.字?jǐn)U展方式字?jǐn)U展方式即該芯片即該芯片 A12 A0 CS WR/ D7 D0 8K 8 位位 13 8 8K8 功能框圖功能框圖 字?jǐn)U展可利用外加譯碼器控制存儲(chǔ)器芯片的片選輸入端字?jǐn)U展可利用外加譯碼器控制存儲(chǔ)器芯片的片選輸入端CS來實(shí)現(xiàn)。來實(shí)現(xiàn)。 假設(shè)某芯片的存儲(chǔ)容量為：假設(shè)某芯片的存儲(chǔ)容量為： 8K

18、 8 （即（即8192字字8位）。位）。數(shù)據(jù)線共有：數(shù)據(jù)線共有：地址線共有：地址線共有：13 根（根（ A12A0 ）8根根D7D0） A12 A0 CS WR/ D7 D0 8K 8位位 8K 8位位 8K 8位位 8K 8位位 D7 D0 A12 A0 A1 A0 A14 A13 EN Y0 Y1 Y2 Y3 13 13 13 13 13 8 8 8 8 8 74139 WR/ A12 A0 CS WR/ D7 D0 A12 A0 CS WR/ D7 D0 A12 A0 CS WR/ D7 D0 譯碼器譯碼器 (I)(II)(III)(IV)例：例： 將將8K8位的位的RAM擴(kuò)展為擴(kuò)展為3

19、2K8位的位的RAM 位擴(kuò)展方式位擴(kuò)展方式D0 D1 D2 D3D12 D13 D14 D15 位擴(kuò)展可以用多片芯片并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。即地址線、位擴(kuò)展可以用多片芯片并聯(lián)的方式來實(shí)現(xiàn)。即地址線、讀讀/寫線、片選信號(hào)對(duì)應(yīng)并聯(lián)，各芯片的寫線、片選信號(hào)對(duì)應(yīng)并聯(lián)，各芯片的I/O口作為整個(gè)口作為整個(gè)RAM輸入輸入/出數(shù)據(jù)端的一位。出數(shù)據(jù)端的一位。例：例： 用用4K4位的位的RAM擴(kuò)展為擴(kuò)展為4K16位的位的RAMCSA11A0R/WR/WCSA0A114K4位位1）I/O0 I/O1 I/O2 I/O3R/WCSA0A114K4位位4）I/O0 I/O1 I/O2 I/O3 字?jǐn)?shù)、位數(shù)同時(shí)擴(kuò)展例：例： 用

20、用2564的的RAM擴(kuò)展為擴(kuò)展為1K8位的位的RAM Y0Y1Y2Y32/4A9 A8A0-A7425642564CSI/OI/OCS8425642564CSI/OI/OCS844高四位低四位3.4 半導(dǎo)體半導(dǎo)體ROM記憶元件記憶元件 Read Only Memory特點(diǎn)特點(diǎn):只能讀出只能讀出,不能寫入的無源存儲(chǔ)器不能寫入的無源存儲(chǔ)器,是非易失性器件是非易失性器件.主要主要用于存儲(chǔ)常用的固定信息用于存儲(chǔ)常用的固定信息, 根據(jù)其物理特性可分成根據(jù)其物理特性可分成:(1)MROM(Mask ROM) 采用二次光刻掩模工藝一次制成采用二次光刻掩模工藝一次制成.(2)PROM(Programmable

21、 ROM):常用的是熔絲型常用的是熔絲型. 寫入寫入:出廠時(shí)完成出廠時(shí)完成,存存“0要用大電流把熔絲熔斷要用大電流把熔絲熔斷,斷后不斷后不能恢復(fù)能恢復(fù). 由于可靠性差，并只能一次性編程，目前已經(jīng)淘汰。由于可靠性差，并只能一次性編程，目前已經(jīng)淘汰。(3)EPROM(Erasable Programmable ROM):可改寫的可改寫的ROM也稱可擦可編程的也稱可擦可編程的ROM.常用的是用浮動(dòng)?xùn)叛┍雷⑷胄统Ｓ玫氖怯酶?dòng)?xùn)叛┍雷⑷胄蚆OS管構(gòu)成管構(gòu)成, 稱稱FAMOS (Floating gate Avalanche injection MOS ).按擦除方法按擦除方法,可分成兩種可分成兩種EPR

22、OM. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體ROM記憶元件記憶元件紫外線擦除紫外線擦除EPROM(UVEPROM-Ultra Violet EPROM)特點(diǎn)特點(diǎn):有一石英窗口有一石英窗口,改寫時(shí)要將其置于一定波長(zhǎng)的紫外線燈下改寫時(shí)要將其置于一定波長(zhǎng)的紫外線燈下,照射一定時(shí)間照射一定時(shí)間,使浮柵上的電荷形成光電流而泄放掉使浮柵上的電荷形成光電流而泄放掉. 恢復(fù)到不帶電的恢復(fù)到不帶電的“1形狀形狀.即回到信息擦除狀態(tài)即回到信息擦除狀態(tài).然后才可重新寫入信息然后才可重新寫入信息.寫后要貼住石英玻璃窗口寫后要貼住石英玻璃窗口.此類此類EPROM存在兩個(gè)問題存在兩個(gè)問題: A.用紫外線燈的擦除時(shí)間長(zhǎng)用紫外線燈的擦除時(shí)間長(zhǎng). B

23、.只能整片擦除只能整片擦除,不能改寫個(gè)別單元或個(gè)別位不能改寫個(gè)別單元或個(gè)別位.電可改寫電可改寫EPROM(EEPROM-Electrically Erasable PROM) 可字擦除可字擦除,頁(yè)擦除和全片擦除頁(yè)擦除和全片擦除,都可聯(lián)機(jī)狀態(tài)下擦除都可聯(lián)機(jī)狀態(tài)下擦除.閃速存儲(chǔ)器閃速存儲(chǔ)器(Flash Memory) 又稱快擦存儲(chǔ)器又稱快擦存儲(chǔ)器. 是在是在EEPROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電可擦可編程的非易失性存儲(chǔ)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型電可擦可編程的非易失性存儲(chǔ)器 特點(diǎn)特點(diǎn):高密度高密度/非易失性非易失性/讀讀/寫寫, 兼有兼有RAM和和ROM的特點(diǎn)的特點(diǎn).但它只能整片擦除但它只能整片擦除.可代替

24、軟盤和硬盤可代替軟盤和硬盤.擦寫次數(shù)可達(dá)擦寫次數(shù)可達(dá)10萬次以上萬次以上.讀取時(shí)間小于讀取時(shí)間小于10ns脫機(jī)擦除脫機(jī)擦除3.5 并行存儲(chǔ)器3.5.1 雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器(Dual Port Memory)(1)特點(diǎn)特點(diǎn):每個(gè)芯片有二組每個(gè)芯片有二組DB,AB,CB, 形成二個(gè)訪問形成二個(gè)訪問端口端口,允許二個(gè)端口并行獨(dú)立的讀寫允許二個(gè)端口并行獨(dú)立的讀寫.(2)留意留意:如如2個(gè)端口同時(shí)訪問同一存儲(chǔ)單元個(gè)端口同時(shí)訪問同一存儲(chǔ)單元,由片內(nèi)仲由片內(nèi)仲裁邏輯裁邏輯(Arbitrate) 決定由哪個(gè)端口訪問決定由哪個(gè)端口訪問,可讓可讓2個(gè)個(gè)CPU同時(shí)訪同時(shí)訪MM,或或1個(gè)端口面向個(gè)端口面向CPU

25、,1個(gè)面向個(gè)面向I/O處處理理.(3)運(yùn)用運(yùn)用: Cache-MM系統(tǒng)中的系統(tǒng)中的MM CPU中的通用中的通用寄存器寄存器 多機(jī)系統(tǒng)中的雙多機(jī)系統(tǒng)中的雙(多多)口存儲(chǔ)器口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器無沖突讀寫控制無沖突讀寫控制w 當(dāng)兩個(gè)端口的地址不相同時(shí)，在兩個(gè)端口上進(jìn)行讀寫操作，一定不會(huì)發(fā)生沖突。當(dāng)任一端口被選中驅(qū)動(dòng)時(shí)，就可對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取，每一個(gè)端口都有自己的片選控制和輸出驅(qū)動(dòng)控制。雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器有沖突的讀寫控制有沖突的讀寫控制w 當(dāng)兩個(gè)端口同時(shí)存取存儲(chǔ)器同一存儲(chǔ)單元時(shí)，便發(fā)生讀寫沖突。為解決此問題，特設(shè)置了BUSY標(biāo)志。由片上的判斷邏輯決定對(duì)哪個(gè)端口優(yōu)先進(jìn)行讀寫操作，而暫

26、時(shí)關(guān)閉另一個(gè)被延遲的端口。3.5.2 多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器 (1)特點(diǎn)特點(diǎn):各存儲(chǔ)體都有自己的各存儲(chǔ)體都有自己的1套地址寄存器套地址寄存器,地址譯碼地址譯碼,驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng),讀讀寫和時(shí)序電路寫和時(shí)序電路,各自可獨(dú)立編址各自可獨(dú)立編址,又能并行、交叉工作又能并行、交叉工作(2)多體并行存儲(chǔ)器的訪問方式多體并行存儲(chǔ)器的訪問方式順序方式：某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作，某一順序方式：某個(gè)模塊進(jìn)行存取時(shí)，其他模塊不工作，某一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可以照常工作，通過增添模塊來模塊出現(xiàn)故障時(shí)，其他模塊可以照常工作，通過增添模塊來擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量比較方便。但各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量

27、比較方便。但各模塊串行工作，存儲(chǔ)器的帶寬受到了限制。（高位交叉編址）寬受到了限制。（高位交叉編址）交叉方式：地址碼的低位字段經(jīng)過譯碼選擇不同的模塊交叉方式：地址碼的低位字段經(jīng)過譯碼選擇不同的模塊,而而高位字段指向相應(yīng)模塊內(nèi)的存儲(chǔ)字。連續(xù)地址分布在相鄰的高位字段指向相應(yīng)模塊內(nèi)的存儲(chǔ)字。連續(xù)地址分布在相鄰的不同模塊內(nèi)，同一個(gè)模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。對(duì)連續(xù)字不同模塊內(nèi)，同一個(gè)模塊內(nèi)的地址都是不連續(xù)的。對(duì)連續(xù)字的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式并行存取，大大提高存儲(chǔ)器的成塊傳送可實(shí)現(xiàn)多模塊流水式并行存取，大大提高存儲(chǔ)器的帶寬。的帶寬。 （低位交叉編址）（低位交叉編址）3.4.2 并行存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)并行存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

28、多體并行多體并行(3)編址編址: 體號(hào)體地址）體號(hào)體地址）:低位交叉編址低位交叉編址(交叉交叉),高位交叉編高位交叉編址址(順序順序) 體內(nèi)地址體內(nèi)地址高位交叉編址高位交叉編址:編址方法是體號(hào)為主存高位地址編址方法是體號(hào)為主存高位地址,低位是體低位是體內(nèi)地址內(nèi)地址,此法每個(gè)體內(nèi)的地址是連續(xù)的此法每個(gè)體內(nèi)的地址是連續(xù)的.即常規(guī)的順序方式即常規(guī)的順序方式,訪問地址按序分配給每個(gè)模塊訪問地址按序分配給每個(gè)模塊. 低位交叉編址低位交叉編址:體號(hào)是主存低位地址體號(hào)是主存低位地址,又稱交叉編址方式又稱交叉編址方式. 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):同一主存周期取出的是連續(xù)執(zhí)行的指令或數(shù)同一主存周期取出的是連續(xù)執(zhí)行的指令或數(shù),能

29、提高能提高訪存速度訪存速度,有利于減少?zèng)_突有利于減少?zèng)_突.多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu) w 模塊字長(zhǎng)等于數(shù)據(jù)總線寬度，模塊存取一個(gè)字的存儲(chǔ)周期為T，總線傳送周期為，存儲(chǔ)器的交叉模塊數(shù)為m，為了實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)當(dāng)滿足：T=m （m=T/稱為交叉存取度）多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)多模塊交叉存儲(chǔ)器的基本結(jié)構(gòu)(續(xù)續(xù))w 交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀取m 個(gè)字所需的時(shí)間為 t1=T+(m-1)w 而順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為t2=mT.多模塊交叉存儲(chǔ)器多模塊交叉存儲(chǔ)器【例4】 設(shè)存儲(chǔ)器容量為32字，字長(zhǎng)64位，模塊數(shù)m=4，分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=20

30、0ns，數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期=50ns。問順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少?【解】 順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m=4個(gè)字的信息總量都是： q=64位4=256位 順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出4個(gè)字所需的時(shí)間分別是：t2=mT=4200ns=800ns=810-7s;t1=T+(m-1)=200ns+150ns=350ns=3.510-7s順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是：W2=q/t2=256(810-7)=32107位/s; W1=q/t1=256(3.510-7)=73107位/s3.6 Cache存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 知識(shí)點(diǎn)知識(shí)點(diǎn):cache的位置的位置在在CPU與與M

31、M之間插入的一種高之間插入的一種高速緩存速緩存,旨在解決兩者間的速度匹配旨在解決兩者間的速度匹配,提高主存系統(tǒng)的性價(jià)提高主存系統(tǒng)的性價(jià)比。比。1.特點(diǎn)特點(diǎn): (1) Cache用用SRAM構(gòu)成構(gòu)成,其速度與其速度與CPU相當(dāng)相當(dāng). (2)原理與虛擬存儲(chǔ)器同原理與虛擬存儲(chǔ)器同,但它的控制管理全由硬件實(shí)現(xiàn)但它的控制管理全由硬件實(shí)現(xiàn). (3) Cache價(jià)貴價(jià)貴,為保持最佳性價(jià)比為保持最佳性價(jià)比, Cache容量應(yīng)盡可能容量應(yīng)盡可能小小,但以不影響命中率為前提但以不影響命中率為前提.CPUCACHEL1CACHEL2MMAMCPU地址映象cache主存數(shù)據(jù)總線地址總線ALU通用寄存器L1L2主存輔存

32、CPU存儲(chǔ)系統(tǒng)存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)圖Cache原理圖塊傳送字傳送字傳送Cache的讀寫過程的讀寫過程工作原理工作原理:基于程序訪問的局部性原理基于程序訪問的局部性原理.即主存和即主存和Cache都劃分為相同大小的塊都劃分為相同大小的塊,兩者以塊為傳送單位兩者以塊為傳送單位. 讀讀: CPU是同時(shí)向是同時(shí)向MM和和Cache發(fā)地址的發(fā)地址的.若不命中若不命中Cache,說明該字還在主存中說明該字還在主存中,則用主存讀周期把該字則用主存讀周期把該字讀入讀入CPU,同時(shí)把包含它的數(shù)據(jù)塊全部從主存寫入同時(shí)把包含它的數(shù)據(jù)塊全部從主存寫入Cache.Cache的讀寫過程的讀寫過程寫：寫： 比讀操作復(fù)雜比讀操作

33、復(fù)雜.因因cache中保存的是主存中某些信息中保存的是主存中某些信息的副本的副本,所以有主所以有主/副本一致的問題副本一致的問題.當(dāng)當(dāng) A.CPU從從cache讀入數(shù)據(jù)讀入數(shù)據(jù),重新寫入修改后的新數(shù)據(jù)重新寫入修改后的新數(shù)據(jù) B.主存數(shù)據(jù)被修改主存數(shù)據(jù)被修改造成主副本不同造成主副本不同為解決主副本不一致的問題為解決主副本不一致的問題,主要采用以主要采用以下方法下方法: A.全寫法寫直達(dá)法，全寫法寫直達(dá)法，-write through) 又稱全寫法又稱全寫法,數(shù)據(jù)同時(shí)寫入數(shù)據(jù)同時(shí)寫入cache和和MM,寫操寫操 作就是訪問主存的時(shí)間作就是訪問主存的時(shí)間,這會(huì)增加訪存次數(shù)這會(huì)增加訪存次數(shù). B.寫回

34、法寫回法(write back): 即數(shù)據(jù)暫寫入即數(shù)據(jù)暫寫入cache,并用標(biāo)志注明并用標(biāo)志注明,直到該塊直到該塊 從從cache替換出去后替換出去后,才寫入才寫入MM. 也稱標(biāo)志交換法也稱標(biāo)志交換法( flag-swap). C.寫一次法寫一次法 數(shù)據(jù)只寫入數(shù)據(jù)只寫入MM,同時(shí)將同時(shí)將cache中相應(yīng)塊的有效位置中相應(yīng)塊的有效位置0,使之失效使之失效,需要時(shí)從需要時(shí)從MM調(diào)入調(diào)入,方可使用方可使用.注注:據(jù)統(tǒng)計(jì)據(jù)統(tǒng)計(jì),寫操作在訪存操作的平均概率為寫操作在訪存操作的平均概率為16%左右左右,因此因此,A法實(shí)用法實(shí)用.同時(shí)CPUcacheMMcacheCPUMM先后(即副本先不用)Cache的讀

35、操作流程 主存地址 不命中已裝不進(jìn) 還 可 裝 入 命中 cache 地址訪問主存 訪問主存替換 cache 裝入 cache塊內(nèi)地址塊號(hào)地址映象變換機(jī)構(gòu)塊內(nèi)地址主存塊號(hào)cachecache替換策略Cache的工作原理的工作原理cache由三部分組成由三部分組成:(1)cache的存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)體: cache存儲(chǔ)體以塊為單位與主存交換信息存儲(chǔ)體以塊為單位與主存交換信息,常采用常采用多端口存儲(chǔ)器多端口存儲(chǔ)器(即主存和即主存和CPU都能訪問都能訪問),且且cache訪存的優(yōu)先級(jí)高訪存的優(yōu)先級(jí)高.(2)地址映象地址映象(mapping)變換機(jī)構(gòu)變換機(jī)構(gòu):映象的含義映象的含義:指確定指確定cache和

36、和MM的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系并用硬件實(shí)現(xiàn)的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系并用硬件實(shí)現(xiàn). 功能功能:將將CPU送來的主存地址轉(zhuǎn)換成送來的主存地址轉(zhuǎn)換成cache地址地址. 地址映象算法地址映象算法: 主存地址主存地址 cache地址地址 A.直接映象直接映象:固定的映象關(guān)系固定的映象關(guān)系.MM與與cache塊一一對(duì)應(yīng)塊一一對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,不靈活不靈活 B.全相聯(lián)全相聯(lián):允許允許MM中每一字塊映象到中每一字塊映象到cache任一位置中任一位置中,靈敏靈敏,成成本高本高. C.組相聯(lián)組相聯(lián):A,B的折衷方法的折衷方法,把把cache分分n組組,每組存每組存n塊塊.廣泛使用廣泛使用. D.段相聯(lián)段相聯(lián):A,B的結(jié)合的結(jié)

37、合.MM和和cache均分段均分段,每段含的塊數(shù)同每段含的塊數(shù)同,段間段間用全相聯(lián)用全相聯(lián),段內(nèi)塊間用直接映象段內(nèi)塊間用直接映象.換轉(zhuǎn)Cache的工作原理的工作原理(2) (3) 替換策略替換策略 當(dāng)新的主存塊需調(diào)入當(dāng)新的主存塊需調(diào)入cache,且它的可用空間位置又被占滿時(shí)且它的可用空間位置又被占滿時(shí),此時(shí)此時(shí)替換機(jī)構(gòu)要根據(jù)某種算法移走舊塊替換機(jī)構(gòu)要根據(jù)某種算法移走舊塊,調(diào)入新塊調(diào)入新塊.選擇算法的原則是要有高選擇算法的原則是要有高的命中率且容易實(shí)現(xiàn)的命中率且容易實(shí)現(xiàn). LRU(Last Recently Use): 基本思想基本思想:將近期最少使用的塊替換出去將近期最少使用的塊替換出去,此法

38、命中率較高此法命中率較高,但要為每但要為每塊設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器塊設(shè)一個(gè)計(jì)數(shù)器.目前最常用目前最常用. FIFO:總把先調(diào)入總把先調(diào)入cache的字塊先替換出去的字塊先替換出去. 兩者都可達(dá)到兩者都可達(dá)到90%以上的命中率以上的命中率,前者更高前者更高.(4)內(nèi)部與外部?jī)?nèi)部與外部cache: L1集成在集成在CPU內(nèi)內(nèi),容量小容量小,速度快速度快,一般為一般為32K128KB. L2在在CPU與與MM間間,容量大容量大,速度慢速度慢,一般為一般為512KB1MB.CPUL1L2MM注注:現(xiàn)把現(xiàn)把L1與與CPU封裝在一起封裝在一起cache的命中率 w 增加cache的目的，就是在性能上使主存的平均讀出

39、時(shí)間盡可能接近c(diǎn)ache的讀出時(shí)間。因此, cache的命中率應(yīng)接近于1。w 在一個(gè)程序執(zhí)行期間，設(shè)Nc表示cache完成存取的總次數(shù)，Nm表示主存完成存取的總次數(shù)，h定義為命中率，則有w w 若tc表示命中時(shí)的cache訪問時(shí)間，tm表示未命中時(shí)的主存訪問時(shí)間，1-h表示未命中率，則cache/主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間ta為：w ta=htc+(1-h)tm (3.5)w 設(shè)r=tm/tc表示主存慢于cache的倍率,e表示訪問效率，則有: w 地址映象與變換1. 直接映象1. 直接映象續(xù)） 直接映象的地址變換方法 塊內(nèi)地址 主存地址 cache 地址 塊表 0 按塊號(hào)查找 N-1 主存區(qū)號(hào)標(biāo)

40、志 主存塊號(hào) 區(qū)號(hào) 塊內(nèi)地址 比較 塊號(hào) 訪問cache塊地址的概念存儲(chǔ)容量、塊數(shù)、塊容量與地址格式中區(qū)號(hào)、塊號(hào)、塊內(nèi)地址位數(shù)的關(guān)系。例例: 設(shè)有一個(gè)設(shè)有一個(gè)cache的容量為的容量為2K字，每個(gè)塊為字，每個(gè)塊為16字，求字，求(1) 該該cache可容納多少個(gè)塊？可容納多少個(gè)塊？(2) 如果主存的容量是如果主存的容量是256K字，則有多少個(gè)塊？字，則有多少個(gè)塊？(3) 主存的地址有多少位？主存的地址有多少位？cache地址有多少位？地址有多少位？(4) 在直接映象方式下，主存中的第在直接映象方式下，主存中的第i塊映象到塊映象到cache中哪一個(gè)塊中？中哪一個(gè)塊中？(5) 進(jìn)行地址映象時(shí)，存儲(chǔ)

41、器的地址分成哪幾段？各段分別有多少位？進(jìn)行地址映象時(shí)，存儲(chǔ)器的地址分成哪幾段？各段分別有多少位？解：解：(1) cache中有中有2048/16=128個(gè)塊。個(gè)塊。(2) 主存有主存有256K/16=16384個(gè)塊。個(gè)塊。(3) 主存容量為主存容量為256K=218字，所以主存字地址為字，所以主存字地址為18位。位。 cache容量為容量為2K=211字，所以字，所以cache字地址為字地址為11位。位。(4) 主存中的第主存中的第i塊映象到塊映象到cache中第中第 i mod 128個(gè)塊中。個(gè)塊中。(5) 存儲(chǔ)器的字地址分成三段：區(qū)號(hào)、塊號(hào)、塊內(nèi)字地存儲(chǔ)器的字地址分成三段：區(qū)號(hào)、塊號(hào)、塊內(nèi)

42、字地址。址。 區(qū)號(hào)的長(zhǎng)度為區(qū)號(hào)的長(zhǎng)度為18-11=7位主存分區(qū)數(shù)位主存分區(qū)數(shù)218/211=27）； 塊號(hào)為塊號(hào)為7位位(128個(gè)塊）；個(gè)塊）； 塊內(nèi)字地址為塊內(nèi)字地址為4位位16字）。字）。2. 全相聯(lián)映像 主存 Cache 允許主存中每一個(gè)塊映像 到 Cache 中任一位置 全相聯(lián)映象 第 0 塊 第 1 塊 第 0 塊 第 1 塊 第 N-1 塊 第 MN - 1 塊 2. 全相聯(lián)映像續(xù)） 不相等 塊失效 塊表 0 1 -1 主存地址 塊內(nèi)地址 cache 地址 主存塊號(hào) 塊內(nèi)地址 比較 塊號(hào) 相聯(lián)查找 cache 塊號(hào) 主存塊號(hào)標(biāo)志 N = Cache中的塊數(shù)，陰影區(qū)表示查找范圍3.

43、組相聯(lián)映像 主存 cache 組間：直接映像 組內(nèi)：全相聯(lián)映像 組相聯(lián)映象 第 0 塊 第 0 組 第 0 區(qū) 第 0 組 第 1 組 第 1 組 第 0 組 第 M-1 區(qū) 第 1 組 第 0 塊 第 N-1 塊 第(M-1)N 塊 第 N-1 塊 第 MN -1 塊 N路組相聯(lián)：組內(nèi)有N塊3. 組相聯(lián)映像續(xù)）不相等塊失效 塊表 0 N-1主存地址塊內(nèi)地址cache 地址組號(hào)塊內(nèi)地址比較組內(nèi)相聯(lián)查找cache 塊號(hào)主存塊號(hào)標(biāo)志區(qū)號(hào)標(biāo)志塊號(hào)區(qū)號(hào)組號(hào)主存塊號(hào)N = 區(qū)內(nèi)塊數(shù)，陰影區(qū)表示查找范圍，根據(jù)組號(hào)在塊表中尋找組，組內(nèi)相聯(lián)查找。替換策略替換策略 LFU最不經(jīng)常使用(LFU)算法 LFU算法將

44、一段時(shí)間內(nèi)被訪問次數(shù)最少的那行數(shù)據(jù)換出。每塊設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器。從0開始計(jì)數(shù)，每訪問一次， 被訪塊的計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最小的塊換出，同時(shí)將這些塊的計(jì)數(shù)器都清零。 這種算法將計(jì)數(shù)周期限定在對(duì)這些特定行兩次替換之間的間隔時(shí)間內(nèi)，不能嚴(yán)格反映近期訪問情況。LRU(近期最少使用算法) 訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址塊號(hào) 2 11 2 9 7 6 4 3 塊分配情況 操作狀態(tài) 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn) 命中 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn) 替換 替換 替換 最久未使用替換方式下的 cache 內(nèi)容變化情況 2* - - - 2* 11 - - 2 11* - - 2 11* 9 - 2 11* 9 7 2*

45、6 9 7 4 6 9* 7 4 6 3 7 LRU算法將近期內(nèi)長(zhǎng)久未被訪問過的塊換出。每塊也設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，cache每命中一次，命中塊計(jì)數(shù)器清零，其它各塊計(jì)數(shù)器增1。當(dāng)需要替換時(shí)，將計(jì)數(shù)值最大的塊換出。RANDOM隨機(jī)替換策略從特定的塊位置中隨機(jī)地選取一塊換出。在硬件上容易實(shí)現(xiàn)，且速度也比前兩種策略快。缺點(diǎn)是降低了命中率和cache工作效率。 FIFO 訪問順序 1 2 3 4 5 6 7 8 地址塊號(hào) 2 11 2 9 7 6 4 3 塊分配情況 操作狀態(tài) 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn) 命中 調(diào)進(jìn) 調(diào)進(jìn) 替換 替換 替換 先進(jìn)先出替換方式下的 cache 內(nèi)容變化情況 2 - - - 2 11 - - 2

46、 11 - - 2 11 9 - 2 11 9 7 6 11 9 7 6 4 9 7 6 4 3 7 CPUCACHEL1CACHEL2MMAM塊傳送塊傳送字傳送字傳送字傳送字傳送存儲(chǔ)器系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)物理物理3.6 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器(virtual memory)虛擬存儲(chǔ)器是以存儲(chǔ)器訪問局部性原理為基虛擬存儲(chǔ)器是以存儲(chǔ)器訪問局部性原理為基礎(chǔ)礎(chǔ),建立在主建立在主輔存體系上的存儲(chǔ)器管理技輔存體系上的存儲(chǔ)器管理技術(shù)術(shù).3.6 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器(virtual memory)w 基本思想基本思想:通過某種策略通過某種策略,把輔存中信息的一部分把輔存中信息的一部分調(diào)入主存調(diào)入主存,在用戶面前呈現(xiàn)

47、的是比主存大得多的地在用戶面前呈現(xiàn)的是比主存大得多的地址空間址空間.w 虛擬虛擬(邏輯邏輯)地址地址:是訪問虛擬空間的指令地址碼是訪問虛擬空間的指令地址碼 面向程序員面向程序員w 物理物理(實(shí)存實(shí)存)地址地址:實(shí)際主存的地址實(shí)際主存的地址.w 存儲(chǔ)器管理存儲(chǔ)器管理:w 頁(yè)式管理頁(yè)式管理-定長(zhǎng)定長(zhǎng),以頁(yè)為單位裝入程序以頁(yè)為單位裝入程序.w 段式管理段式管理-不定長(zhǎng)不定長(zhǎng),以程序模塊大小分割以程序模塊大小分割.段頁(yè)式1.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器(1)特點(diǎn)特點(diǎn):虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器(虛存虛存)與實(shí)存的空間劃分是等長(zhǎng)的與實(shí)存的空間劃分是等長(zhǎng)的塊塊,稱虛頁(yè)和實(shí)頁(yè)稱虛頁(yè)和實(shí)頁(yè).每頁(yè)長(zhǎng)度是每頁(yè)長(zhǎng)度是2的

48、整數(shù)冪的整數(shù)冪,從從512B 幾幾KB.(2)地址地址:由頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成由頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成.按頁(yè)管理按頁(yè)管理,以頁(yè)以頁(yè)為單位往內(nèi)存調(diào)為單位往內(nèi)存調(diào). 頁(yè)號(hào)頁(yè)號(hào):是邏輯地址的高位地址是邏輯地址的高位地址. 頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址:頁(yè)的起始地址都是低位地址為頁(yè)的起始地址都是低位地址為0的地址的地址. 實(shí)地址和虛地址的頁(yè)內(nèi)地址相同實(shí)地址和虛地址的頁(yè)內(nèi)地址相同.=1.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器(3)虛虛-實(shí)地址轉(zhuǎn)換實(shí)地址轉(zhuǎn)換:虛頁(yè)號(hào)虛頁(yè)號(hào) 實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)(4)頁(yè)表機(jī)構(gòu)頁(yè)表機(jī)構(gòu):每個(gè)程序員用虛地址編址每個(gè)程序員用虛地址編址, 由由OS裝入輔存中裝入輔存中.前提前提:主、虛存的頁(yè)面大小一致主、

49、虛存的頁(yè)面大小一致. 因虛存因虛存主存主存,故虛頁(yè)號(hào)故虛頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào).頁(yè)表虛頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)表實(shí)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址=1.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 CPU訪主存訪主存 送程序虛地址送程序虛地址 它在它在MM中中? 找頁(yè)找頁(yè)(主存中主存中) 調(diào)頁(yè)調(diào)頁(yè)(從輔存從輔存) 為此要為每個(gè)程序建立一張頁(yè)表為此要為每個(gè)程序建立一張頁(yè)表. 頁(yè)表頁(yè)表:是一張?zhí)摰刂讽?yè)號(hào)與實(shí)地址頁(yè)號(hào)的對(duì)照表是一張?zhí)摰刂讽?yè)號(hào)與實(shí)地址頁(yè)號(hào)的對(duì)照表,是存儲(chǔ)管理是存儲(chǔ)管理軟件在主存運(yùn)行時(shí)軟件在主存運(yùn)行時(shí),為每個(gè)程序自動(dòng)建立的為每個(gè)程序自動(dòng)建立的,存放在主存特定區(qū)存放在主存特定區(qū)域域.對(duì)程序員是透明的對(duì)程序員是透明的. 頁(yè)表信息字頁(yè)表信息字:

50、是按虛頁(yè)號(hào)排列來描述每張?zhí)擁?yè)的狀況是按虛頁(yè)號(hào)排列來描述每張?zhí)擁?yè)的狀況.含實(shí)頁(yè)含實(shí)頁(yè) 號(hào)和其它信息號(hào)和其它信息 , 是虛頁(yè)號(hào)是虛頁(yè)號(hào) 實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào).在不在對(duì)照1.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器內(nèi)存的頁(yè)框架程序 B 的頁(yè)面程序 A 的頁(yè)面硬盤1.頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器 頁(yè)內(nèi)地址 頁(yè)內(nèi)地址 實(shí)頁(yè)號(hào) 虛頁(yè)號(hào) 基號(hào) 2 1 6 1 (b) 地址映象方法 主存頁(yè)號(hào) 裝入位 - 0 7 1 - 0 5 頁(yè)表長(zhǎng)度 頁(yè)表基址 虛地址 實(shí)地址 頁(yè)表 頁(yè)基址表 0 問題：頁(yè)表過長(zhǎng)頁(yè)表信息字頁(yè)表信息字w A.實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào):即物理頁(yè)號(hào)即物理頁(yè)號(hào).w :P=0-該虛頁(yè)內(nèi)容沒裝入內(nèi)存該虛頁(yè)內(nèi)容沒裝入內(nèi)存,訪問無效訪問無

51、效w :P=1-該虛頁(yè)內(nèi)容已裝入內(nèi)存該虛頁(yè)內(nèi)容已裝入內(nèi)存,訪問有訪問有效效w P=0 查內(nèi)存有否空頁(yè)查內(nèi)存有否空頁(yè) 啟動(dòng)啟動(dòng)I/O 調(diào)頁(yè)調(diào)頁(yè) P=1 訪問訪問w 按替換策略將某頁(yè)變空頁(yè)按替換策略將某頁(yè)變空頁(yè) w P=1 由實(shí)地址訪內(nèi)存由實(shí)地址訪內(nèi)存w C.修改位修改位:用于記錄虛頁(yè)內(nèi)容在主存中是否被修改過用于記錄虛頁(yè)內(nèi)容在主存中是否被修改過,若改若改過過,則當(dāng)主存中這一空間被新頁(yè)覆蓋時(shí)則當(dāng)主存中這一空間被新頁(yè)覆蓋時(shí),要把修改部分寫回要把修改部分寫回輔存輔存.w D.其它其它:訪問權(quán)限控制等訪問權(quán)限控制等.B.裝入位裝入位(有效位有效位)P00105裝入位修改位 實(shí)頁(yè)號(hào)有無虛0頁(yè)1號(hào)查頁(yè)表,虛實(shí)

52、地址轉(zhuǎn)換該頁(yè)在主存?讀主存,取出單元操作數(shù)主存有空頁(yè)淘汰舊頁(yè)舊頁(yè)改過?舊頁(yè)調(diào)入外存從輔存調(diào)入新頁(yè)更新頁(yè)表Y NNY NY物理地址訪存(邏輯地址)調(diào)頁(yè)操作流程調(diào)頁(yè)操作流程快表快表(轉(zhuǎn)換后援緩沖器轉(zhuǎn)換后援緩沖器TLB表）表）1.問題的提出問題的提出:頁(yè)表在主存中頁(yè)表在主存中 查頁(yè)表查頁(yè)表 取數(shù)取數(shù) 失效失效 頁(yè)面替換修改頁(yè)面替換修改(又訪存又訪存)2.解決方法之一解決方法之一:把頁(yè)表中最活躍部分放在高速存儲(chǔ)器把頁(yè)表中最活躍部分放在高速存儲(chǔ)器中中,組成一快表組成一快表(用硬件用硬件),以減少開銷以減少開銷.首次訪存第2次訪存*缺陷缺陷:多次訪存多次訪存快表快表(TLB表表) 虛地址 快表 慢表 實(shí)地

53、址 0 0 相 . 1 聯(lián) 查 N-1 2 找 虛頁(yè)號(hào) 實(shí)頁(yè)號(hào) 裝入位 用戶標(biāo)志 實(shí)頁(yè)號(hào) 用快表和慢表實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部地址變換 頁(yè)內(nèi)地址 虛頁(yè)號(hào) 基號(hào) 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器特點(diǎn)頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):(1)頁(yè)長(zhǎng)固定頁(yè)長(zhǎng)固定,可順序編號(hào)可順序編號(hào),頁(yè)表設(shè)置方便頁(yè)表設(shè)置方便. (2)調(diào)度方便調(diào)度方便.有空頁(yè)即可有空頁(yè)即可,操作開銷小操作開銷小.缺陷缺陷:(1)易造成頁(yè)面的碎片問題易造成頁(yè)面的碎片問題浪費(fèi)空間浪費(fèi)空間. (2)機(jī)械地劃頁(yè)機(jī)械地劃頁(yè),無法照顧程序內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)無法照顧程序內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu),會(huì)造會(huì)造成程序段跨頁(yè)成程序段跨頁(yè),這會(huì)引起增加查表次數(shù)和頁(yè)面失效的這會(huì)引起增加查表次數(shù)和頁(yè)面失效的可能可能.頁(yè)式

54、虛擬存儲(chǔ)器例）例：程序地址空間由例：程序地址空間由4個(gè)頁(yè)面組成，第個(gè)頁(yè)面組成，第0個(gè)頁(yè)面映象到內(nèi)存?zhèn)€頁(yè)面映象到內(nèi)存的第的第2個(gè)頁(yè)框架，第個(gè)頁(yè)框架，第1個(gè)頁(yè)面映象到內(nèi)存的第個(gè)頁(yè)面映象到內(nèi)存的第6個(gè)頁(yè)框架，第個(gè)頁(yè)框架，第2個(gè)頁(yè)面映象到內(nèi)存的第個(gè)頁(yè)面映象到內(nèi)存的第7個(gè)頁(yè)框架，第個(gè)頁(yè)框架，第3個(gè)頁(yè)面映象到外存。個(gè)頁(yè)面映象到外存。畫出地址映象方式。畫出地址映象方式。主 存 頁(yè) 號(hào) 主 存 地 址 空 間 虛 存 頁(yè) 號(hào) 程 序 地 址 空 間0011237 0 . N-1 頁(yè) 表 長(zhǎng) 度 頁(yè) 表 基 址 主 存 頁(yè) 號(hào) 裝 入 位 訪 問 方 式頁(yè) 內(nèi) 地 址頁(yè) 內(nèi) 地 址虛 頁(yè) 號(hào)實(shí) 頁(yè) 號(hào)基 號(hào) 2 1 6 1 7 1 - 0 4虛 地 址實(shí) 地 址頁(yè) 表頁(yè) 基 址 表頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器例）例：例： 一個(gè)虛擬存儲(chǔ)器有一個(gè)虛擬存儲(chǔ)器有8個(gè)頁(yè)面，頁(yè)面大小為個(gè)頁(yè)面，頁(yè)面大小為1024字，內(nèi)字，內(nèi)存有存有4個(gè)頁(yè)面框架。頁(yè)表的內(nèi)容為：個(gè)頁(yè)面框架。頁(yè)表的內(nèi)容為：虛頁(yè)號(hào)虛頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)實(shí)頁(yè)號(hào)03112-3-425-607