第4章 存儲(chǔ)器

1、第4章 存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)管理和高速緩存技術(shù)存儲(chǔ)器基本概念存儲(chǔ)器基本概念存儲(chǔ)器概論存儲(chǔ)器概論CPUMemoryIDE接口接口存儲(chǔ)器的分類 分為兩大類：分為兩大類： 內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡稱為內(nèi)存或主存內(nèi)部存儲(chǔ)器，簡稱為內(nèi)存或主存 外部存儲(chǔ)器，簡稱為外存外部存儲(chǔ)器，簡稱為外存主存儲(chǔ)器的基本組成主存儲(chǔ)器的基本組成微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存的行列結(jié)構(gòu)微型計(jì)算機(jī)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選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素選擇存儲(chǔ)器件的考慮因素 易失性 只讀性 存儲(chǔ)容量 速度 功耗半導(dǎo)體存儲(chǔ)器及接口半導(dǎo)體存儲(chǔ)器及接口隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM SRAM DRAM靜態(tài)存儲(chǔ)器及接口靜態(tài)存儲(chǔ)器及接口1. 1

2、. 存儲(chǔ)單元電路存儲(chǔ)單元電路1011102. 2. 靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM的組成的組成靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM的讀的讀/ /寫過程寫過程SRAMSRAM常用SRAM靜態(tài)靜態(tài)RAMRAM芯片舉例芯片舉例62646264 A12A0： D7D0： NC： CE： WE： OE：靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器62256DRAM1.111111/0VB=(V1+V0 )/2VV11該點(diǎn)有充放電現(xiàn)象，該點(diǎn)有充放電現(xiàn)象， 以此判斷以此判斷1/02ms2msDRAM的刷新和DRAM控制器 時(shí)序功能 地址處理功能 仲裁功能 圖4.2 DRAM控制器的原理圖1) FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM)在80286

3、、80386時(shí)代，使用的是30個(gè)引腳的FPM RAM內(nèi)存，容量只有1MB或2MB。而在80486時(shí)代，及少數(shù)80586計(jì)算機(jī)開始使用72個(gè)引腳的FPM RAM內(nèi)存，這種內(nèi)存使用5V工作電壓，32位數(shù)據(jù)寬度，存取速度均在60ns以上。每隔3個(gè)時(shí)鐘周期傳送一次數(shù)據(jù)，并以512字節(jié)到幾千字節(jié)不等的頁面訪問數(shù)據(jù)，可以有效減少延遲時(shí)間。這種內(nèi)存是80486時(shí)代普遍使用的內(nèi)存。2) EDO(Extended Data Out)DRAMEDO DRAM每隔2個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一次數(shù)據(jù)，速度為60ns左右，最短為40ns。它有72線和168線兩種，5V電壓，數(shù)據(jù)寬度為32位。其特點(diǎn)是：EDO DRAM的數(shù)據(jù)傳輸速

4、率高于普通DRAM，多用于老式Pentium主板上。3) SDRAM(Synchronous DRAM)SDRAM稱為同步內(nèi)存，主要特點(diǎn)如下：(1) SDRAM的地址信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)和控制信號(hào)都在系統(tǒng)時(shí)鐘CLK的上升沿時(shí)采樣和驅(qū)動(dòng)，即SDRAM的操作被嚴(yán)格地同步在系統(tǒng)時(shí)鐘的控制下，從而避免了存儲(chǔ)器讀/寫操作時(shí)的盲目等待狀態(tài)，提高了存儲(chǔ)器的訪問速度。(2) 采用突發(fā)模式進(jìn)行存儲(chǔ)器操作，第一個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)被訪問之后，一系列的數(shù)據(jù)項(xiàng)能迅速按時(shí)鐘同步讀出。當(dāng)訪問的數(shù)據(jù)項(xiàng)按順序排列，且同在一個(gè)行地址信號(hào)控制下時(shí)，這種突發(fā)方式特別有效，它使存儲(chǔ)器的訪問速度大大提高。(3) 內(nèi)部存儲(chǔ)體采用能并行操作的分組結(jié)構(gòu)，這些

5、分組存儲(chǔ)體可以交替地通過存儲(chǔ)器外部數(shù)據(jù)總線與CPU等主控設(shè)備交換信息，這使存儲(chǔ)器的訪問速度從整體上得到提高。SDRAM的工作電壓為3.3V，內(nèi)存條為168線，容量多為64MB、128MB及256MB、512MB。根據(jù)工作頻率，SDRAM通常有三種規(guī)格：PC100、PC133和雙通道PC800等。 PC100是SDRAM的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中100是指該內(nèi)存能工作在前端總線(FSB)頻率為100MHz的系統(tǒng)中。 PC100規(guī)范主要要求：內(nèi)存時(shí)鐘周期TCK在100MHz外頻工作時(shí)為10ns；存取時(shí)間TAC小于6ns；數(shù)據(jù)傳輸速率為800MB/s；印制電路板必須為六層板，以便濾掉雜波； 內(nèi)存上必須有S

6、PD(Serial Present Detect)，該芯片實(shí)際上是一個(gè)E2PROM，其中存儲(chǔ)了該SDRAM內(nèi)存的相關(guān)資料。如存儲(chǔ)容量、工作速度、廠商等，供系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)BIOS檢測和設(shè)定內(nèi)存的工作參數(shù)。 PC133規(guī)范來說，它的進(jìn)一步要求是TAC不超過5.4ns，TCK不超過7.5ns，穩(wěn)定工作頻率為133MHz，CAS等待時(shí)間為3個(gè)時(shí)鐘周期，帶寬為1.06GB/s。4) DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM)DDR SDRAM為雙速率同步內(nèi)存，亦稱SDRAM。普通的SDRAM中，只利用了時(shí)鐘周期(與CPU的外頻同步)的一個(gè)沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，稱為SDR SDRAM(單數(shù)據(jù)

7、率SDRAM)。DDR SDRAM卻用了時(shí)鐘周期的兩個(gè)沿進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸速率提高一倍。在100MHz外頻下可具有1.6GB/s(64位100MHz28)的數(shù)據(jù)傳輸率，在133MHz外頻下可具有2.128GB/s(64133MHz28)的數(shù)據(jù)傳輸率。DDR SDRAM為184線內(nèi)存條，每條64位，容量多為64MB、128MB、256MB及512MB。 目前DDR內(nèi)存常用的有4種規(guī)格：DDR 200(又名PC1600)、DDR 266(又名PC2100)、DDR 333(又名PC2700)及DDR 400(理論帶寬為3.2GB/s)。DDR 內(nèi)存規(guī)格只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM 掩膜型ROM

8、 可編程只讀存儲(chǔ)器PROM 可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM 可用電擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器E2PROM 閃爍存儲(chǔ)器A1A000011011VSD3D2D1D0W0W1W2W3VCCVCCPROMvcc24V12V存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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(chǔ)器之間的速度匹配和較低速度存儲(chǔ)器之間的速度匹配問題。問題。 CPU總線的負(fù)載能力問題?？偩€的負(fù)載能力問題。 片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。片選信號(hào)和行地址、列地址的產(chǎn)生機(jī)制。 對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法。對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法。 SRAM的連接的連接圖4.4 SRAM的使用舉例：16KB的SRAM子系統(tǒng)DRAM的連接

9、的連接 DRAM的使用舉例的使用舉例片選信號(hào)的產(chǎn)生方法片選信號(hào)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線選法譯碼片選舉例G11A1B1Y01Y11Y21Y3G274LS1392A2B2Y02Y12Y22Y31G1B1A1Y01Y11Y21Y31XX1111000011100110110101101011111074LS139直值表直值表12G2B2A2Y02Y12Y22Y31XX1111000011100110110101101011111074LS139直值表直值表2Y0Y1Y2Y3Y4C Y5B Y6A Y73E2E1E74LS138CBA00

10、1000Y0=0，1001001Y1=0，1001010Y2=0，1001011Y3=0，1001100Y4=0，1001101Y5=0，1001110Y6=0，1001111Y7=0，1Y7Y011E2E3E74LS138存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充和字節(jié)數(shù)擴(kuò)充 數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充 字節(jié)的擴(kuò)充圖字節(jié)的擴(kuò)充圖4.6 (a) 擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度 (b) 擴(kuò)充存儲(chǔ)器的字節(jié)容量擴(kuò)充存儲(chǔ)器的字節(jié)容量CS A10 02K8WE D7 0? ? ?A10 0?D7 0CS A10 02K8WE D7 0CS A10 02K8WE D7 0CS A10

11、 02K8WE D7 0CS A10 02K8WE D7 0A1911M/IOA100D70WR如用16 K8的SRAM組成64 K8的存儲(chǔ)器16 K8A13A0譯碼器Y3A15A0A15A14Y2Y1Y0CS3CS2CS1CS0CSWED7D0CSWED7D0A13A016 K8CSWED7D0A13A016 K8CSWED7D0A13A016K8CSWED7D0A13A0用8片16 K4的SRAM芯片組成16 K8存儲(chǔ)器的連線圖A1416 K4譯碼器A13A0WEA15CS0CS1CS2CS3D7D416 K416 K416 K4D3D016 K416 K416 K416 K4 層次化的存

12、儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)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(chǔ)器的層次化總體結(jié)構(gòu)（片外改為二級(jí)存儲(chǔ)器的層次化總體結(jié)構(gòu)（片外改為二級(jí)Cache，片內(nèi)改為一級(jí)，片內(nèi)改為一級(jí)Cache）MOV AL ，02H ; OUT 70H ，AL ; IN AL ，71H ; MOV AL ，02H ; OUT 70H ，AL ; MOV AL ，20 ; OUT 71H ，AL ; 71 Shadow RAM0640K768K1M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(jī)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(kuò)充內(nèi)存區(qū)圖4.11

13、用高端內(nèi)存區(qū)64KB映射擴(kuò)充內(nèi)存的1個(gè)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(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織16位系統(tǒng)連接32位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織32位存儲(chǔ)器接口位存儲(chǔ)器接口 由于80386/80486微處理器要保持與8086等微處理器兼容，這就要求在進(jìn)行存儲(chǔ)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足單字節(jié)、雙字節(jié)和四字節(jié)等不同訪問。為了實(shí)現(xiàn)8位、16位和32位數(shù)據(jù)的訪問，80386/80486微處理器設(shè)有4個(gè)引腳BE0BE3，以控制不同數(shù)據(jù)的訪問。B

14、E0BE3由CPU根據(jù)指令的類型產(chǎn)生，其作用如表所示。 表 6-8 3BE 0BE 功能表 字 節(jié) 允 許 要訪問的數(shù)據(jù)位 3BE 2BE 1BE 0BE D31D24 D23D16 D15D8 D7D0 自動(dòng)重復(fù) 1 1 1 0 D7D0 N 1 1 0 1 D15D8 N 1 0 1 1 D23D16 D23D16 Y 0 1 1 1 D31D24 D31D24 Y 1 1 0 0 D15D8 D7D0 N 1 0 0 1 D23D16 D15D8 N 0 0 1 1 D31D24 D23D16 D31D24 D23D16 Y 1 0 0 0 D23D16 D15D8 D7D0 N 0 0

15、 0 1 D31D24 D23D16 D15D8 N 0 0 0 0 D31D24 D23D16 D15D8 D7D0 N 64位存儲(chǔ)器接口 64位存儲(chǔ)器系統(tǒng)由8個(gè)存儲(chǔ)體組成。 每個(gè)存儲(chǔ)體的存儲(chǔ)空間為512 MB(Pentium)或8GB(Pentium Pro) 存儲(chǔ)體選擇通過選擇信號(hào)BE0BE7實(shí)現(xiàn)。 如果要傳送一個(gè)64位數(shù)，那么8個(gè)存儲(chǔ)體都被選中；如果要傳送一個(gè)32位數(shù)，那么4個(gè)存儲(chǔ)體被選中；若要傳送一個(gè)16位數(shù)，則有2個(gè)存儲(chǔ)體被選中；若傳送的是8位數(shù)，則只有一個(gè)存儲(chǔ)體被選中。虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址 虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 段式虛擬存儲(chǔ)和頁式虛擬存儲(chǔ)段式虛擬存儲(chǔ)和

16、頁式虛擬存儲(chǔ) 分段特點(diǎn)： 每段的長度不是固定的 每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間 分頁特點(diǎn)： 一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁面大小固定 頁面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定。 只有分頁機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ) 虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址虛擬儲(chǔ)存技術(shù)和三類地址 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(diǎn)： 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(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址 線性地址特點(diǎn)： 線性地址是由2個(gè)32位量相加而成的 段基址由段描述符得到 線性地址是分為3個(gè)字段來體現(xiàn)其功能分段管理分段管理 三種描述符表 全局描述符表GDT 局部描述符表LDT 中斷描述符表IDT 描述符表三個(gè)優(yōu)點(diǎn)： 可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間 可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ) 可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)隔離段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子、段描述符和段描述符表1 段選擇子段選擇子段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子、段描述符和段描述符表2段描述符段描述符 段選擇子、段描述符和段描述符表段選擇子、段