西工大微機(jī)原理課件存儲(chǔ)器管理

1、第五章 存儲(chǔ)器管理第五章第五章 內(nèi)存儲(chǔ)器及其管理內(nèi)存儲(chǔ)器及其管理5.1 5.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述5.2 5.2 內(nèi)存儲(chǔ)器組成內(nèi)存儲(chǔ)器組成5.3 5.3 內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理5.4 5.4 內(nèi)存儲(chǔ)器分頁(yè)管理內(nèi)存儲(chǔ)器分頁(yè)管理5.5 5.5 地址變換過(guò)程地址變換過(guò)程第五章 存儲(chǔ)器管理5.1 5.1 存儲(chǔ)器概述存儲(chǔ)器概述1.1.分類：內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器分類：內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器內(nèi)存內(nèi)存：也稱主存，通過(guò)系統(tǒng)總線與：也稱主存，通過(guò)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(guò)專門的接口電路和主機(jī)聯(lián)接，存放：需通過(guò)專門的接口電路和主機(jī)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(jī)存取存儲(chǔ)內(nèi)存：根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為隨機(jī)存取存儲(chǔ)器器 (RAM)(RAM)和只讀存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器 (ROM)(ROM)。第五章 存儲(chǔ)器管理2.存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo). .存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)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(chǔ)器從接收到地址，到完成讀出或者寫：存儲(chǔ)器從接收到地址，到完成讀出或者寫 入數(shù)據(jù)的時(shí)間稱為存取周期。入數(shù)據(jù)的時(shí)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(chǔ)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(gè)內(nèi)存中確上的信息，從整個(gè)內(nèi)存中確定一個(gè)存儲(chǔ)單元。定一個(gè)存儲(chǔ)單元。3232位微機(jī)中采用復(fù)合譯碼方式。位微機(jī)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(cuò)的由縱橫交錯(cuò)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(chǔ)單元。儲(chǔ)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(gè)存儲(chǔ)單元。的一個(gè)存儲(chǔ)單元。( (如下圖如下圖) )第五章 存儲(chǔ)器管理第五章 存儲(chǔ)器管理5.25.2微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器組成微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器組成對(duì)單字節(jié)、雙字節(jié)和對(duì)單字節(jié)、雙字節(jié)和4 4字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問(wèn)。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(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)8 8位、位、1616位和位和3232位數(shù)據(jù)的訪問(wèn)位數(shù)據(jù)的訪問(wèn). .（表（表5.15.1）第五章 存儲(chǔ)器管理一、 32位存儲(chǔ)器組成方式 (一個(gè)例子)第五章 存儲(chǔ)器管理二、存儲(chǔ)器多級(jí)結(jié)構(gòu)二、存儲(chǔ)器多級(jí)結(jié)構(gòu)第五章 存儲(chǔ)器管理5.35.3內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理（內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理（保護(hù)模式）保護(hù)模式） 實(shí)模式實(shí)模式存儲(chǔ)器尋址存儲(chǔ)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(duì)于位）和相對(duì)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(chǔ)器尋址時(shí)，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元在存儲(chǔ)器尋址時(shí)，將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元 的物理地址（實(shí)際地址或者絕對(duì)地址），物理地址為的物理地址（實(shí)際地址或者絕對(duì)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(chǔ)器管理保護(hù)模式保護(hù)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(zhǎng)度）和訪問(wèn)權(quán)限段基址、段界限（長(zhǎng)度）和訪問(wèn)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(qǐng)求特權(quán)級(jí)指示請(qǐng)求特權(quán)級(jí)0-30-3。INDEXTIRPL

8、第五章 存儲(chǔ)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(chǔ)器管理工作原理：工作原理：. .在保護(hù)方式下，每個(gè)在保護(hù)方式下，每個(gè)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(duì)應(yīng)一個(gè)）對(duì)應(yīng)一個(gè)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(jiǎn)稱選擇碼）。位作為段描述符表的地址（簡(jiǎn)稱選擇碼）。. .每當(dāng)把一個(gè)選擇符裝入某個(gè)段寄存器時(shí)，微處理器自每當(dāng)把一個(gè)選擇符裝入某個(gè)段寄存器時(shí)，微處理器自動(dòng)從描述符表中取出相應(yīng)的動(dòng)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(duì)應(yīng)的描述符息保存到對(duì)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(chǔ)器管理描述符組成：描述符組成： (8(8個(gè)字節(jié)組成個(gè)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(zhǎng)度，由表明段長(zhǎng)度，由2020位表示。位表示。. .訪問(wèn)權(quán)限及屬性：訪問(wèn)權(quán)限

10、及屬性： 其中其中G G為段界限長(zhǎng)度單位，為段界限長(zhǎng)度單位， G=1G=1，指示界限長(zhǎng)度以頁(yè)（，指示界限長(zhǎng)度以頁(yè)（4KB4KB）為單位，最大到）為單位，最大到4GB 4GB 。(2(220 20 頁(yè)頁(yè)=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(chǔ)器管理保護(hù)模式分段管理總結(jié)保護(hù)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(gè)描述符由物

11、理基地址（段的起始、每個(gè)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(zhǎng)度）及段說(shuō)明符組成。長(zhǎng)度）及段說(shuō)明符組成。第五章 存儲(chǔ)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(hù)方式下，根據(jù)選擇符從段描述表中取出相應(yīng)在保護(hù)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(jí)以及，其中包括段基址、界限值、段特權(quán)級(jí)以及所允許訪問(wèn)的類型的信息。所允許訪問(wèn)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(yè)部件形成物理地址分頁(yè)部件形成物理地址。如果分頁(yè)被禁止，計(jì)算出的線性地址就是物理地址。如果分頁(yè)被禁止，計(jì)算出的線性地址就是物理地址。第五章 存儲(chǔ)器管理5.4 5.4 內(nèi)存分頁(yè)管理內(nèi)存分頁(yè)管理內(nèi)存分段存在的問(wèn)題：內(nèi)存分段存在的問(wèn)題：. . 每段每段最長(zhǎng)可達(dá)最長(zhǎng)可達(dá)4GB4GB，若程序全段都裝入內(nèi)存運(yùn)行，則一，若程序全段都裝入內(nèi)存運(yùn)行，則一兩個(gè)大程序就會(huì)塞滿內(nèi)存，這不利于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)環(huán)境。兩個(gè)大程序就會(huì)

13、塞滿內(nèi)存，這不利于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)環(huán)境。. . 實(shí)際使用中，中小型程序占多數(shù)，它們對(duì)內(nèi)存的進(jìn)進(jìn)實(shí)際使用中，中小型程序占多數(shù)，它們對(duì)內(nèi)存的進(jìn)進(jìn)出出，造成大量?jī)?nèi)存出出，造成大量?jī)?nèi)存“碎片碎片”，浪費(fèi)內(nèi)存空間。，浪費(fèi)內(nèi)存空間。. . 由于程序運(yùn)行的局部性，調(diào)用內(nèi)存的大程序中大部分由于程序運(yùn)行的局部性，調(diào)用內(nèi)存的大程序中大部分指令在很長(zhǎng)時(shí)間里并不運(yùn)行，甚至根本不運(yùn)行。它們即指令在很長(zhǎng)時(shí)間里并不運(yùn)行，甚至根本不運(yùn)行。它們即浪費(fèi)了調(diào)入調(diào)出時(shí)間，又白占內(nèi)存空間。浪費(fèi)了調(diào)入調(diào)出時(shí)間，又白占內(nèi)存空間。分頁(yè)管理基本思想：分頁(yè)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(yè)內(nèi)存頁(yè)”；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(yè)頁(yè)”。針對(duì)上述三大問(wèn)題，頁(yè)面管理可以如下處理：。針對(duì)上述三大問(wèn)題，頁(yè)面管理可以如下處理：第五章 存儲(chǔ)器管理. . 先把程序的先把程序的前幾頁(yè)調(diào)入內(nèi)存前幾頁(yè)調(diào)入內(nèi)存。開始運(yùn)行，不斷回收。開始運(yùn)行，不斷回收 用過(guò)的內(nèi)存頁(yè)。這樣無(wú)論一個(gè)段有多大，它只需用過(guò)的內(nèi)存頁(yè)。這樣無(wú)論一個(gè)段有多大，它只需n n個(gè)個(gè) 頁(yè)就可順利運(yùn)行了。頁(yè)就可順利運(yùn)行了。. . “碎片碎片”少少。. . 不運(yùn)行的程序頁(yè)將不調(diào)入內(nèi)存，避免了不運(yùn)行程序不運(yùn)行的程序頁(yè)將不調(diào)入內(nèi)存，避免了不運(yùn)行程序 段白占內(nèi)存的情況。段白占內(nèi)存的情況。分

15、頁(yè)管理的代價(jià)：占用內(nèi)存來(lái)放置內(nèi)容頁(yè)與內(nèi)存頁(yè)的對(duì)分頁(yè)管理的代價(jià)：占用內(nèi)存來(lái)放置內(nèi)容頁(yè)與內(nèi)存頁(yè)的對(duì)應(yīng)表；花費(fèi)時(shí)間去決定哪個(gè)頁(yè)收回，哪個(gè)頁(yè)應(yīng)該調(diào)入。應(yīng)表；花費(fèi)時(shí)間去決定哪個(gè)頁(yè)收回，哪個(gè)頁(yè)應(yīng)該調(diào)入。3232位位CPUCPU系統(tǒng)規(guī)定頁(yè)的大小為系統(tǒng)規(guī)定頁(yè)的大小為4 KB4 KB。第五章 存儲(chǔ)器管理內(nèi)存分頁(yè)管理圖示.doc第五章 存儲(chǔ)器管理分頁(yè)管理通過(guò)分頁(yè)管理通過(guò)2 2級(jí)頁(yè)表級(jí)頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的：來(lái)實(shí)現(xiàn)的：. . 將內(nèi)存按每將內(nèi)存按每4KB4KB劃分為一頁(yè)劃分為一頁(yè)( (稱為一個(gè)頁(yè)面稱為一個(gè)頁(yè)面) )，由，由頁(yè)表頁(yè)表管理頁(yè)面，由管理頁(yè)面，由頁(yè)目錄表頁(yè)目錄表管理頁(yè)表。管理頁(yè)表。. .頁(yè)表頁(yè)表中存放每個(gè)中存放每個(gè)頁(yè)的

16、起始地址頁(yè)的起始地址( (低低1212位全為位全為0)0)，頁(yè)表，頁(yè)表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁(yè)表項(xiàng)頁(yè)表項(xiàng)，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占，每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占4 4個(gè)字節(jié)。個(gè)字節(jié)。整個(gè)頁(yè)表占整個(gè)頁(yè)表占4KB4KB空間空間( (一頁(yè)一頁(yè)) )，由，由1010位地址位地址表示。表示。. . 頁(yè)目錄表頁(yè)目錄表存放每個(gè)存放每個(gè)頁(yè)表的起始地址頁(yè)表的起始地址，頁(yè)表的起始地，頁(yè)表的起始地址址( (低低1212位全為位全為0)0)，頁(yè)目錄表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)，頁(yè)目錄表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁(yè)目頁(yè)目錄項(xiàng)錄項(xiàng)，也占，也占4 4個(gè)字節(jié)，整個(gè)頁(yè)目錄占個(gè)字節(jié)，整個(gè)頁(yè)目錄占4KB4KB空間空間( (一頁(yè)一頁(yè)) )，也由也由1010位地址

17、表示。位地址表示。. .頁(yè)目錄表的首地址頁(yè)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(jí)管理共可管理這樣兩級(jí)管理共可管理4GB4GB內(nèi)存內(nèi)存(2(210102 210102 21212) )。 第五章 存儲(chǔ)器管理保護(hù)模式分頁(yè)管理總結(jié)：保護(hù)模式分頁(yè)管理總結(jié)： 1、CR3存放頁(yè)目錄表首地址存放頁(yè)目錄表首地址 2、頁(yè)目錄表有、頁(yè)目錄表有10位地址，共存放位地址，共存放1024個(gè)個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng)（頁(yè)目錄項(xiàng)（4字節(jié)），而頁(yè)目錄項(xiàng)存放頁(yè)字節(jié)），而頁(yè)目錄項(xiàng)存放頁(yè)表的起始地址表的起始地址 3、頁(yè)表有、頁(yè)表有10位地址，共存放位地址，共存放1024個(gè)頁(yè)表個(gè)頁(yè)表項(xiàng)（項(xiàng)（4字節(jié)），而頁(yè)表項(xiàng)存放頁(yè)的起始地字節(jié)），而頁(yè)表項(xiàng)存放頁(yè)的起始地址址第五章 存儲(chǔ)器管理頁(yè)部件的地址轉(zhuǎn)換頁(yè)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(xiàng)目錄表基址相加位項(xiàng)目錄表基址相加( (最低最低2 2位為位為0 0，共，共3232位位) )，