清華大學微機原理第4章

1、第4章 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)教學建議，本章重點為:微型機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)；微型機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)；片選信號的產(chǎn)生方法；片選信號的產(chǎn)生方法；SRAM和和DRAM的連接舉例；的連接舉例；層次化的存儲器結(jié)構(gòu)；層次化的存儲器結(jié)構(gòu)；32位微型機的內(nèi)存組織；位微型機的內(nèi)存組織；虛擬存儲技術(shù)和三類地址；虛擬存儲技術(shù)和三類地址；分段管理和分頁管理；分段管理和分頁管理；段選擇子、段描述苻和段描述苻段選擇子、段描述苻和段描述苻表；表；邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址的例子；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；線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的例子；Cache的組織方式和的組織方式和3個例子；個例子；Ca

2、che的工作原理；的工作原理；82385的工作原理。的工作原理。4.1.1存儲器的分類 分為兩大類：分為兩大類： 內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存內(nèi)部存儲器，簡稱為內(nèi)存或主存 外部存儲器，簡稱為外存外部存儲器，簡稱為外存4.1.2微型計算機內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)微型計算機內(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選擇存儲器件的考慮因素選擇存儲器件的考慮因素 易失性 只讀性 存儲容量 速度 功耗4.1.4 隨機存取存儲器隨機存取存儲器RAM SRAM DRAMDRAM的刷新和DRAM控制器 時序功能 地址處理功能 仲裁功能 圖4.2 DRAM控制器的原理圖4.1.5只讀存儲器只讀存

3、儲器ROM 掩膜型ROM 可編程只讀存儲器PROM 可擦除可編程只讀存儲器EPROM 可用電擦除的可編程只讀存儲器E2PROM 閃爍存儲器4.2.1 存儲器和存儲器和CPU的連接考慮的連接考慮 高速高速CPU和較低速度存儲器之間的速度匹和較低速度存儲器之間的速度匹配問題。配問題。 CPU總線的負載能力問題?？偩€的負載能力問題。 片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機制。片選信號和行地址、列地址的產(chǎn)生機制。 對芯片內(nèi)部的尋址方法。對芯片內(nèi)部的尋址方法。4.2.2 片選信號的產(chǎn)生方法片選信號的產(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DR

4、AM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 存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴充和字節(jié)存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴充和字節(jié)數(shù)擴充數(shù)擴充 數(shù)據(jù)寬度的擴充數(shù)據(jù)寬度的擴充 字節(jié)的擴充圖字節(jié)的擴充圖4.6 (a) 擴充存儲器的數(shù)據(jù)寬度擴充存儲器的數(shù)據(jù)寬度 (b) 擴充存儲器的字節(jié)容量擴充存儲器的字節(jié)容量4.3.1 層次化的存儲器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲器體系結(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存儲器的層次化總體結(jié)構(gòu)（片外改為二級存儲器的層次化總體結(jié)構(gòu)（片外改為二級Cache，片內(nèi)改為一級，片內(nèi)改為

5、一級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) 擴充內(nèi)存區(qū)圖4.11用高端內(nèi)存區(qū)64KB映射擴充內(nèi)存的1個頁組 CONFIG.SYS文件中加入如下語句： DEVICE=C:DOSHIMEM.SYS DEVICE=C:DOSEMM386.EXE RAM 32000 DOS=UMB16位微機系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機系統(tǒng)的內(nèi)存組織32位微機系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機系統(tǒng)的內(nèi)存組織4.4.1 虛擬儲存技術(shù)和三類地址虛擬儲存技術(shù)和三類地址1 虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù) 段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲段式虛擬存

6、儲和頁式虛擬存儲 分段特點： 每段的長度不是固定的 每個段都是受到保護的獨立的空間 分頁特點： 一個系統(tǒng)中的所有頁面大小固定 頁面的起點和終點也固定。 只有分頁機制才支持虛擬存儲 虛擬儲存技術(shù)和三類地址虛擬儲存技術(shù)和三類地址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： 這是程序員編寫的源程序中使用的地址 完整的邏輯地址一共48位 邏輯地址中的選擇子對應(yīng)于一個段基址 線性地址特點： 線性地址是由2個32位量相加而成的 段基址由段描述苻得到 線性地址是分為3個字段來體現(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

7、符表IDT 描述符表三個優(yōu)點： 可大大擴展存儲空間 可實現(xiàn)虛擬存儲 可實現(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)換為線性邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址地址圖4.18 分段部件實現(xiàn)從邏輯地址到物理地址的轉(zhuǎn)換4.3.5 分頁管理分頁管理 分頁功能涉及兩個表： 頁組目錄項表 頁表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 分頁機構(gòu)實現(xiàn)線性

8、地址到物理地址的轉(zhuǎn)換線性地址轉(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位作為頁組項號 第三步是查詢相應(yīng)頁組目錄對應(yīng)的頁表 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)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB1圖4.21 轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB的功能轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB TLB的工作原理4.4 高檔微機系統(tǒng)中的高速高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)緩存技術(shù)1圖4.23 Cache系統(tǒng)的框圖高檔微機系統(tǒng)中的高速緩高檔微機系統(tǒng)中的高速緩存技術(shù)存技術(shù)2 區(qū)域性定律(principle of locality

9、) 時間區(qū)域性時間區(qū)域性 空間區(qū)域性空間區(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 通寫式 緩沖通寫式 回寫式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區(qū)法 Cache清除法4.4.4 Cache控制器控制器82385 對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個區(qū)塊4.4.5 Pentium的兩