微机原理与接口-04：存储器、存储管理和高速缓存技术

(16MB,32MB,64MB,128MB,256MB,512MB, 1GB)
♦ 速度 访问时间 双极型 速度:访问时间,双极型 双极型TTL(速度快 功耗大 速度快,功耗大 速度快 功耗大,
价格高),金属氧化物半导体 价格高 金属氧化物半导体MOS(CMOS,HMOS 金属氧化物半导体 功耗低速度慢) 功耗低速度慢 慢,HMOS制造的存储器件在速度功耗和容量上 制造的存储器件在速度功耗和容量上 得到很好折中) 得到很好折中
段选择子
♦ 通常由链接程序（Linker）或装配程序 通常由链接程序（ ）
（Loader）指定、修改，而非应用程序 ）指定、修改，
♦ 存储器的分类 ♦ 微型计算机内存的行列结构 ♦ 选择存储器件的考虑因素 ♦ 随机存取存储器 随机存取存储器RAM ♦ 只读存储器 只读存储器ROM
存储器的分类
♦ 根据用途和特点 – 内部存储器 – 外部存储器 ♦ 内存 – CPU可直接访问 可直接访问 – 大小限制 – 主要指 主要指RAM ♦ 计算机中各类存储器的分工 内存（ 系统程序， 系统参数， 内存 （ 系统程序 ， 系统参数 ， 当前运行应用 软件和数据），外存 软件和数据）
Pentium中的三类地址 中的三类地址
♦ 物理地址 – 和芯片上的地址信号相对应 – 为每个存储单元在存储体中指定唯一的地址 – 分页部件将线性地址转换为物理地址
– 如果分页部件处于禁止状态，线性地址就是 如果分页部件处于禁止状态， 物理地址
♦ 转换时间 – 几乎为 几乎为0
分段管理
♦ 段——连续的存储空间 连续的存储空间
♦ 三种描述符表 三种描述符表——GDT、LDT、IDT 、 、 ♦ 使用描述符表带来的优点
– 可大大扩展存储空间 （ 存储空间取决于描述符数量和每个描 可大大扩展存储空间（ 述符能表示的段长度） 述符能表示的段长度） – 可实现虚拟存储 （ 描述符属性位指示对应段是否在内存或磁 可实现虚拟存储（ 在磁盘及时调入内存） 盘，在磁盘及时调入内存） – 可实现多任务隔离 （ 除与系统有关的操作访问 可实现多任务隔离（除与系统有关的操作访问GDT， 其余的 ， 只能访问LDT，每个任务有独立空间，就像每个任务独享 只能访问 ，每个任务有独立空间，就像每个任务独享CPU） ）
段式虚拟存储和页式虚拟存储
♦ 按照对主存的划分 ♦ 段式虚拟存储 – 每段的长度不是固定的 – 每个段都是受到保护的独立的空间 ♦ 页式虚拟存储 – 一个系统中的所有页面大小固定 常是 一个系统中的所有页面大小固定(常是 常是4KB) – 页面的起点和终点也固定 – 只有分页机制才支持虚拟存储（？） 只有分页机制才支持虚拟存储（
16位微机系统的内存组织 位微机系统的内存组织
32位微机系统的内存组织 位微机系统的内存组织
4.4Pentium的虚拟存储机制和 的虚拟存储机制和 片内两级存储管理
♦ 对多任务操作系统的支持 ♦ 从硬件上为任务之间的切换提供了良好
的条件
♦ 支持容量极大的虚拟存储器 ， 并且 ， 为 支持容量极大的虚拟存储器， 并且，
层次化的总体结构
♦ 层次化 – 把各种速度不同、容量不同、存储技术也可 把各种速度不同、容量不同、 能不同的存储设备分为几层， 能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管 理软件组成一个既有足够大的存储空间、 理软件组成一个既有足够大的存储空间、又 能满足CPU存取速度要求、 而且价格适中的 存取速度要求、 能满足 存取速度要求 整体，使存储体具有最好的性价比 整体， ♦ 思路 – 用Cache、内存和辅存构成层次化的存储器， 、内存和辅存构成层次化的存储器， 按使用频度将数据分为不同的档次分放在不 同的存储器中， 同的存储器中，不同层次的存储器之间可互 相传输
• 利用电容存储 • 容量大，功耗低 容量大， • 需要刷新
随机存取存储器RAM 随机存取存储器
♦ DRAM:DRAM刷新和 刷新和DRAM控制器 刷新和 控制器
• 刷新 对存储器读取放大再写入 方法： 刷新(对存储器读取放大再写入 方法： 对存储器读取放大再写入)方法 常用“只有行地址有效” 常用“只有行地址有效”方法 • DRAM控制器的功能 控制器的功能 时序功能、地址处理功能、 时序功能、地址处理功能、仲裁功能
– 相关的控制信息 ： 段的大小 、 界限、 访问的优先级 、 共享性、 相关的控制信息：段的大小、界限、访问的优先级、共享性、 访问的特性
♦ 段描述符
– 把有关段的信息 ， 即 ： 段基址 、 界限 、 访问属性全部存放在 把有关段的信息， 段基址、界限、 一个称为段描述符的数据结构中 – 并把系统中所有的描述符编成表，以便硬件查找和识别 并把系统中所有的描述符编成表，
ROM的分类 的分类
♦ 可用电擦除可编程只读存储器 2PROM 可用电擦除可编程只读存储器E – 工作方式：读、写、字节擦除、整体擦除 工作方式： 字节擦除、 ♦ 闪烁存储器 闪烁存储器Flash Memory – 主机板上 主机板上BIOS存储介质 存储介质 – 按擦除和使用方式分 整体型、块结构型、 整体型、块结构型、带自举型 – 内有命令寄存器
了管理如此大的存储空间， 了管理如此大的存储空间 ， 采用片内两 级存储管理
虚拟存储技术
♦ 虚拟存储技术 – 虚拟：相对于实际的、物理的存储而言的 虚拟：相对于实际的、 ♦ 物理存储器 – 由 地 址 总 线 直 接 访 问 的 存 储 空 间 (32 位 ,4G;16 位,1M) – 单元地址称为物理地址 ♦ 虚拟存储器 – 程序使用的逻辑存储空间 – 可以比物理存储器大得多 – 单元地址称为虚拟地址（逻辑地址） 单元地址称为虚拟地址（逻辑地址） – 由存储器管理软件在主存和辅存基础上建立的一种 存储体系 ♦ Pentium只有在保护模式下才支持 只有在保护模式下才支持
段式虚拟存储和页式虚拟存储
♦ 分段提供了隔绝各个代码 、 数据和堆栈区域的机制 ， 分段提供了隔绝各个代码、数据和堆栈区域的机制，
因此多个程序（或任务） 因此多个程序 （ 或任务 ） 可以运行在同一个处理器上 而不会互相干扰。分页机制为传统需求页、 而不会互相干扰 。 分页机制为传统需求页 、 虚拟内存 系统提供了实现机制。 系统提供了实现机制 。 其中虚拟内存系统用于实现程 序代码按要求被映射到物理内存中。 序代码按要求被映射到物理内存中 。 分页机制当然也 能用于提供多任务之间的隔离措施
微型计算机内存的行列结构
♦ 容量以字节（B）为单位 容量以字节（ ） ♦ 地址 – 区分不同的存储单元 – 简化地址译码电路 行列结构 简化地址译码电路——行列结构
选择存储器件的考虑因素
♦ 易失性 （ 系统必需有一部分存储器非易失
ROM） ）
♦ 只读性 ♦ 存储容量 每个芯片中的存储单元的总数 存储容量:
(片选译码 片内译码 片选译码,片内译码 片选译码 片内译码) ♦ 对芯片内部的寻址方法 通过行列矩阵 对芯片内部的寻址方法:(通过行列矩阵 结构对存储单元选择) 结构对存储单元选择
片选信号的产生方法
♦ 线选法 直接用地址线做片选信号 每条 线选法:直接用地址线做片选信号 直接用地址线做片选信号,每条
微机原理与接口技术 之
存储器、存储管理 存储器、 和高速缓存技术
存储器、 存储器、存储管理和 高速缓存技术
♦ 存储器和存储器件 ♦ 存储器的连接 ♦ 微型计算机系统中存储器的体系结构 ♦ Pentium的虚拟存储机制和片内两级存 的虚拟存储机制和片内两级存
储管理
♦ 高档微机系统中的高速缓存技术
4.1存储器和存储器件 存储器和存储器件
ROM的分类 的分类
♦ 掩膜型 掩膜型ROM – ROM中信息由厂家根据用户给定的程序或数 中信息由厂家根据用户给定的程序或数 据对芯片进行光刻而写入 – 双极型和 双极型和MOS型 型 ♦ 可编程 可编程ROM(PROM) – 用户按可自己的需要写入信息（一次性） 用户按可自己的需要写入信息（一次性） – 通过对二极管键是否烧断存储信息 ♦ 可擦除可编程 可擦除可编程ROM (EPROM) – 通过是否有电荷分布保存信息 – 工作方式：读、编程、校验 工作方式： 编程、
♦ 功 耗 ( 如 野 外 作 业 ,CMOS 功 耗 低 但 速 度
随机存取存储器RAM 随机存取存储器
♦ SRAM(静态 静态) 静态 – 基于双稳态触发器原理 – 缺点 ： 容量小 、 功耗大 用于存储量小的系 缺点： 容量小、 功耗大,用于存储量小的系 统 ♦ DRAM(动态 动态) 动态 – 器件
4.2存储器的连接 存储器的连接
♦ 存储器和 存储器和CPU的连接考虑 的连接考虑 ♦ 片选信号的产生方法 ♦ SRAM和DRAM的连接举例 和 的连接举例 ♦ 存储器的数据宽度扩充和字节数扩充存储器Βιβλιοθήκη CPU的连接考虑 的连接考虑 存储器和
♦ 高速 高速CPU和较低速度存储器之间的速度 和较低速度存储器之间的速度 匹配问题(增加等待状态) 匹配问题 增加等待状态 ♦ CPU总线的负载能力问题 主存直接挂在 总线的负载能力问题:( 总线的负载能力问题 CPU总线上 总线上,CPU会不堪重负 增加总线驱动器 会不堪重负.增加总线驱动器 总线上 会不堪重负 增加总线驱动器) ♦ 片选信号和行地址、列地址的产生机制 片选信号和行地址、列地址的产生机制:
Pentium中的三类地址 中的三类地址
♦ 逻辑地址 – 程序员所看到的地址（虚拟地址）。特点 程序员所看到的地址（虚拟地址） – 这是程序员编写的源程序中使用的地址 – 完整的逻辑地址一共 位 完整的逻辑地址一共48位 – 逻辑地址中的选择子对应于一个段基址 ♦ 线性地址 – 分段部件包含选择子和偏移量的逻辑地址转换为 分段部件包含选择子和偏移量的逻辑地址转换为32 位的线性地址。 位的线性地址。特点 – 线性地址是由 个32位量相加而成的 线性地址是由2个 位量相加而成的 – 段基址由段描述苻得到 – 线性地址是分为 个字段来体现其功能 线性地址是分为3个字段来体现其功能