《微機(jī)原理與接口技術(shù)》課件第3章

3.1實(shí)模式下的存儲(chǔ)器尋址

3.2保護(hù)模式下的存儲(chǔ)器尋址

3.3本章小結(jié)

習(xí)題與思考題3.1.1段地址和偏移地址

8086/8088的可尋址空間為1MB，因此，對(duì)整個(gè)存儲(chǔ)器空間尋址需要20位的地址碼，而8086/8088CPU內(nèi)的所有寄存器都是16位的，只能尋址64KB。為了能對(duì)1MB的存儲(chǔ)器進(jìn)行尋址(即訪問每個(gè)存儲(chǔ)單元)，8086/8088系統(tǒng)采用了存儲(chǔ)器分段技術(shù)，即將1MB的存儲(chǔ)器空間分成若干個(gè)邏輯段，每個(gè)段最長(zhǎng)64KB，段內(nèi)地址是連續(xù)的，仍可采用16位尋址方法。邏輯段可在整個(gè)存儲(chǔ)空間內(nèi)浮動(dòng)，段與段之間可以是連續(xù)的，也可以是分開的或重疊的，但段的起始地址(稱為段地址或段基地址)必須從能被16位整除的地址開始，即每個(gè)段的首地址的低4位必須為0。這樣便可將段地址的高16位放在CS、DS、SS和ES這四個(gè)段寄存器中。3.1實(shí)模式下的存儲(chǔ)器尋址由上述分段概述可知，任何一個(gè)存儲(chǔ)單元可以被唯一地包含在一個(gè)邏輯段中，也可以被包含在兩個(gè)相互重疊的邏輯段中。存儲(chǔ)單元的地址可以用相對(duì)于段地址的位移量來表示。這個(gè)位移量稱為“偏移地址”，其最大長(zhǎng)度為16位。因此，只要得到一個(gè)存儲(chǔ)單元的段地址和偏移地址，就可以對(duì)該單元進(jìn)行訪問。段地址(高16位)存放在段寄存器中，偏移地址可以放在指令指示器IP中，或存放在16位的通用寄存器中。對(duì)任何一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行訪問時(shí)，都必須用20位地址，那么對(duì)每個(gè)存儲(chǔ)單元存在兩種地址：一是由段地址和偏移地址組成的地址(邏輯地址)；另一個(gè)地址就是我們所說的20位的實(shí)際訪問地址(物理地址)。所謂邏輯地址，就是程序中使用的地址，它由段地址和偏移地址組成。在邏輯地址中，段地址和偏移地址都是16位的無符號(hào)二進(jìn)制數(shù)。程序設(shè)計(jì)時(shí)使用邏輯地址。所謂物理地址，就是存儲(chǔ)器的絕對(duì)地址(實(shí)際地址)，它從00000H～0FFFFFH，是CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)由地址總線發(fā)出的地址。顯然，實(shí)際工作時(shí)，CPU訪問存儲(chǔ)器時(shí)要使用物理地址。那么，如何從16位段地址和16位偏移地址組成的邏輯地址中得到20位的物理地址呢？所謂存儲(chǔ)器管理，就是能將程序中的邏輯地址轉(zhuǎn)移為物理地址的機(jī)構(gòu)，由它實(shí)現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的變換。

存儲(chǔ)單元物理地址的計(jì)算如圖3.1(a)、(b)所示，即：

物理地址?=?段地址?*?16位?+?偏移地址圖3.1物理地址的形成過程和計(jì)算方法3.1.2程序重定位的實(shí)現(xiàn)

段加偏移尋址機(jī)制似乎非常復(fù)雜，但它給系統(tǒng)帶來了許多優(yōu)點(diǎn)。這種復(fù)雜的段加偏移的尋址機(jī)制允許程序在存儲(chǔ)器內(nèi)重定位，允許為在實(shí)模式下運(yùn)行而編寫的程序在保護(hù)模式下也可以運(yùn)行?？芍囟ㄎ怀绦蚴且粋€(gè)可以放在內(nèi)存任何區(qū)域，不加修改而仍能執(zhí)行的程序?？芍囟ㄎ坏臄?shù)據(jù)是可以放在內(nèi)存任何區(qū)域，且不需要修改就可以被程序應(yīng)用的數(shù)據(jù)。在段加偏移尋址機(jī)制下，程序在邏輯段中的邏輯地址不具有實(shí)際意義，只有對(duì)應(yīng)起具體的段地址才能映射到具體的物理空間。因此，程序在不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，不需要考慮段內(nèi)地址，而只需將段地址重定位，即可在新的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行，而這可以在硬件和操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，對(duì)程序員可以是透明的。段加偏移尋址機(jī)制對(duì)包含不同存儲(chǔ)器區(qū)域的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是非常理想的，因?yàn)楦鞣N微機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)并不相同，但要求軟件和數(shù)據(jù)能夠重新定位。若沒有這樣的特性，則一個(gè)程序在移動(dòng)之前必須大范圍地重寫或更改，或?yàn)樵S多不同配置的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)許多程序文本，因而需要大量的時(shí)間。在80286以后的處理器中，出于擴(kuò)展存儲(chǔ)空間的需要，系統(tǒng)地址線也在不斷的增加。80286為24條，尋址空間16MB，可以采用虛擬存儲(chǔ)器的工作方式；80386以后的處理器全面進(jìn)入32位時(shí)代，地址線擴(kuò)展到32條，尋址空間達(dá)4GB。在這種情況下，實(shí)模式除去兼容性外，已不再適應(yīng)計(jì)算機(jī)的發(fā)展要求，由此產(chǎn)生了保護(hù)模式。3.2保護(hù)模式下的存儲(chǔ)器尋址在保護(hù)模式下，一個(gè)存儲(chǔ)單元的地址也由段地址和偏移地址兩部分組成。從段內(nèi)偏移量來說，除能擴(kuò)展到全地址(32位)外，與實(shí)模式區(qū)別不大，尋址方式的根本區(qū)別在于如何圈定段地址。在實(shí)模式下，段寄存器(16位)的內(nèi)容乘以24作為段地址，故段地址是20位的，只能尋址1MB。在保護(hù)模式下，段寄存器出于兼容性考慮延續(xù)了16位結(jié)構(gòu)，而段地址為32位，此時(shí)無法用段寄存器存儲(chǔ)內(nèi)容表示。為了解決這個(gè)問題，段寄存器內(nèi)存放的內(nèi)容不再為段地址，而是包括選擇子(Selector)和其他字段的數(shù)據(jù)組合。選擇子(13位)用于選擇內(nèi)存描述表內(nèi)的一個(gè)描述符，描述表內(nèi)最多可包含16384個(gè)描述符。描述符(Descriptor)是用于描述存儲(chǔ)器段的地址(32位)、長(zhǎng)度和訪問權(quán)限的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)描述符可對(duì)應(yīng)一個(gè)存儲(chǔ)段。保護(hù)模式下的存儲(chǔ)器尋址示意圖如圖3.2所示。圖3.2保護(hù)模式下的存儲(chǔ)器尋址示意圖由段地址(32位)和偏移地址(32位)形成的地址稱為線性地址(32位)，若不采用分頁機(jī)制，則此線性地址即為物理地址。微處理器片內(nèi)有分頁的MMU，當(dāng)啟用分頁機(jī)制時(shí)，經(jīng)過分頁機(jī)制可以把線性地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器的物理地址。

對(duì)32位的線性地址，若基地址空間為4GB，頁面大小為4KB，則會(huì)有1M個(gè)頁面。若是使用單級(jí)頁表，則1M個(gè)頁表項(xiàng)的頁表規(guī)模過于龐大。Pentium采用兩級(jí)頁表方式，將線性地址相鄰接的1K個(gè)頁面組成一組，使用一個(gè)1K個(gè)表項(xiàng)的頁表；這一組頁面，或說它們的頁表，在頁目錄表中有一對(duì)應(yīng)的頁目錄項(xiàng)，頁目錄表有1K個(gè)表項(xiàng)。

分頁機(jī)制中，80386到Pentium處理器頁面均可采用4KB的頁面大小。此時(shí)，32位的線性地址可分為：高10位為頁目錄號(hào)，中間10位為頁面號(hào)，低12位為頁內(nèi)字節(jié)偏移地址。3.2.1存儲(chǔ)器分段管理

1．選擇子

在保護(hù)模式下，段寄存器的功能如圖3.3所示。段寄存器包括13位的選擇子字段、表指示器位(TableIndicator，TI)和請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)(RequestedPrivilegeLevel，RPL)字段。其中，13位的選擇子可從描述符表的213?=?8192個(gè)描述符中選擇一個(gè)。TI位選擇全局描述符表(TI?=?0)或局部描述符表(TI?=?1)。

由于偏移地址是16位長(zhǎng)的，因此一個(gè)段的最大容量為64KB。所以邏輯空間，也即虛擬空間為214

216=230=1GB。

而對(duì)于80386～PentiumⅣ，它的偏移地址為32位長(zhǎng)，所以一個(gè)段的最大容量為4GB。因此虛擬地址空間為214

232=246=64TB。圖3.3保護(hù)模式下的段寄存器的內(nèi)容

2.描述符

在保護(hù)模式下的每一個(gè)段，都有一個(gè)相應(yīng)的描述符。描述符由8個(gè)字節(jié)組成，包含了段地址(32位)、段的大小(20位)、段的類型等一些主要特性，如圖3.4所示。圖3.480286～PentiumⅣ微處理器的描述符格式描述符主要有兩種類型：

(1)代碼段和數(shù)據(jù)段描述符。其格式規(guī)定了32位基地址、20位段界限。另有一粒度位G。當(dāng)G?=?0時(shí)，表示段長(zhǎng)度以字節(jié)為粒度，20位段界限可定義段的大小為1M×1B=1MB；當(dāng)G?=?1時(shí)，表示段長(zhǎng)度以頁為粒度，段的界限為1M頁，每頁包含4KB，可定義段的大小為1?M×4?KB?=4?GB。

例3-1

如果段的基地址為10000000H，界限為0000FH，求G位為0或1時(shí)，段的結(jié)束地址。

解：當(dāng)G=0時(shí)，界限為0000FH，段內(nèi)存儲(chǔ)空間以字節(jié)為粒度，段大小為003FFH×1B=1KB，即段內(nèi)尋址空間為00000H～003FFH，則段結(jié)束地址為

10000000H+003FFH=100003FFH

當(dāng)G=1時(shí)，段內(nèi)存儲(chǔ)空間以頁為粒度，段大小為003FFH×4?KB=4MB，即段內(nèi)尋址空間為000000H～3FFFFFH，則段結(jié)束地址為

10000000H?+?003FFFFFH?=?103FFFFFH

(2)特種數(shù)據(jù)段和控制描述符。32位微處理器系統(tǒng)有兩種特殊數(shù)據(jù)段，即局部描述符表的描述符和任務(wù)狀態(tài)(TaskStautsSegment，TSS)的描述符。

描述符的格式規(guī)定了TYPE字段共4位，用此4位二進(jìn)制的值區(qū)分描述符的具體類型。

3.分段式存儲(chǔ)管理的優(yōu)缺點(diǎn)

分段式管理為用戶提供了一個(gè)二維的虛地址空間，反映了程序的邏輯結(jié)構(gòu)，有利于段的動(dòng)態(tài)增長(zhǎng)以及共享和內(nèi)存保護(hù)等，大大地方便了用戶。

分段式存儲(chǔ)管理將內(nèi)存空間看做一個(gè)連續(xù)的書卷，應(yīng)用程序可以根據(jù)自身的大小，隨機(jī)從卷軸某一空閑區(qū)截取一段連續(xù)的存儲(chǔ)空間使用，這樣可以使程序重定位更加靈活。分段式存儲(chǔ)管理同時(shí)也存在著弊端。如果計(jì)算機(jī)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，內(nèi)存空間被多道程序反復(fù)存取劃分，最終內(nèi)存空間將被駐留程序劃分成許多支離破碎的存取區(qū)塊，這些存儲(chǔ)區(qū)塊無法滿足新進(jìn)駐程序的需要，從而造成內(nèi)存空間的極大浪費(fèi)。如圖3.5所示，內(nèi)存空間經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行以后，被劃分成了很多細(xì)小的空閑存儲(chǔ)空間(白色區(qū)域)，當(dāng)有新的程序需要調(diào)入內(nèi)存時(shí)，沒有一個(gè)空閑存儲(chǔ)空間可以滿足新程序20KB存儲(chǔ)空間的需求，這就造成了內(nèi)存空間的浪費(fèi)和使用效率的降低。圖3.5分段式存儲(chǔ)空間的分配3.2.2存儲(chǔ)器分頁管理

分頁管理將克服分段管理的缺點(diǎn)，它把虛擬存儲(chǔ)空間和內(nèi)存物理空間都劃分為長(zhǎng)度為4KB的頁，頁的起點(diǎn)和終點(diǎn)地址都是固定的。

1.分頁寄存器

分頁機(jī)制的啟用是由微處理器中控制寄存器的內(nèi)容控制的?？刂萍拇嫫鰿R0～CR3的內(nèi)容見圖3.6。圖3.6微處理器控制寄存器的結(jié)構(gòu)

2.存儲(chǔ)器分頁機(jī)制的組織

(1)物理內(nèi)存分頁：一個(gè)物理頁的大小為4KB，頁與頁互不重疊，只需要32位地址中的高20位來尋址物理頁。

(2)頁表：頁表中每一項(xiàng)內(nèi)容(每項(xiàng)4個(gè)字節(jié)，32位)的高20位用來存放一個(gè)物理頁的起始物理地址，低12位放著一些關(guān)于該頁的其他信息。

(3)頁目錄：頁目錄中每一項(xiàng)內(nèi)容(每項(xiàng)4個(gè)字節(jié))的高20位用來存放一個(gè)頁表的起始物理地址，低12位存放該頁表的其他信息。

3.頁目錄項(xiàng)和頁表

頁目錄項(xiàng)和頁表項(xiàng)的格式是相同的，如圖3.7所示。

(1)?P(存在位)：若P?=?1，則該頁被映射到物理內(nèi)存，可以進(jìn)行地址的轉(zhuǎn)換；若P?=?0，則該頁沒有被映射到物理內(nèi)存，不能進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換。

(2)?W(寫位)：指示該表項(xiàng)所指定的頁是否可讀、寫或執(zhí)行。若W?=?1，則對(duì)表項(xiàng)所指定的頁可進(jìn)行讀、寫或執(zhí)行；若W?=?0，則對(duì)表項(xiàng)所指定的頁可讀或執(zhí)行，但不能對(duì)該指定的頁寫入。圖3.7頁目錄項(xiàng)和頁表項(xiàng)格式

(3)?U/S（用戶/超級(jí)用戶位）：指示該表項(xiàng)所指定的頁是否是用戶級(jí)頁。若U/S?=?1，則表項(xiàng)所指定的頁是用戶級(jí)頁，可由任何特權(quán)級(jí)下執(zhí)行的程序訪問；如果U/S?=?0，則表項(xiàng)所指定的頁是系統(tǒng)級(jí)頁，只能由在系統(tǒng)特權(quán)級(jí)0、1和2上執(zhí)行的程序訪問。

(4)?PWT(通寫位)：如果PWT置1，則相關(guān)頁使用通寫策略；否則，采用回寫策略。

(5)?PCD(禁用高速緩沖位)：如果PCD位被清除為0，則頁表或頁面可用高速緩存；若PCD置位，則禁用高速緩存。

(6)?A(訪問位)：A?=?1，表示已訪問過對(duì)應(yīng)的物理頁。

(7)?D(臟位)：對(duì)于頁目錄項(xiàng)，D位未定義；對(duì)于頁表項(xiàng)，D位用來記錄頁表項(xiàng)所描述的頁是否進(jìn)行過數(shù)據(jù)寫入。D?=?0，表示該頁中的內(nèi)容沒有被改動(dòng)過；D?=?1，表示該頁中的內(nèi)容已經(jīng)被改動(dòng)過(被寫過)。

4.轉(zhuǎn)換后備緩沖區(qū)

因?yàn)檫M(jìn)行4KB存儲(chǔ)器重新分頁的操作時(shí)要求使用存儲(chǔ)器內(nèi)的頁目錄和頁表，所以Intel構(gòu)造了一個(gè)稱為TLB的高速緩沖存儲(chǔ)器。在80486微處理器中，TLB保存了32個(gè)最近使用的頁轉(zhuǎn)換地址。因此如果訪問某個(gè)存儲(chǔ)區(qū)，其地址已經(jīng)在TLB中，就不需要再訪問頁目錄和頁表，這就加速了程序的執(zhí)行。如果一個(gè)頁表轉(zhuǎn)換不在TLB中，則必須訪問頁目錄和頁表，這就需要額外的執(zhí)行時(shí)間。

5.分頁式內(nèi)存管理的優(yōu)缺點(diǎn)

分頁式內(nèi)存管理將內(nèi)存空間看做一本書，內(nèi)存空間被事先劃分為一個(gè)個(gè)大小相等的存儲(chǔ)頁。程序存儲(chǔ)時(shí)，從某一頁起始位置開始存儲(chǔ)，可以占用多頁存儲(chǔ)空間，頁與頁之間可以不相鄰。這樣，一些零散的存儲(chǔ)空間將會(huì)以頁的方式串聯(lián)成較為大的存儲(chǔ)空間，滿足后來程序的需要。但分頁式存儲(chǔ)中，程序占用的末頁一般會(huì)殘留大小不等的空閑區(qū)，這些空閑區(qū)無法被利用，被稱為頁內(nèi)碎片。但總的來說，分頁機(jī)制有效地克服了碎片，提