硬件基礎(chǔ)課件第五章

第五章存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理第一節(jié)分級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)第二節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)器的構(gòu)成原理第三節(jié)虛擬存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理第四節(jié)高速緩沖存儲(chǔ)器第一節(jié)分級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)

微機(jī)大都采用分級(jí)結(jié)構(gòu)來(lái)組織存儲(chǔ)器系統(tǒng)，如圖所示。存儲(chǔ)器從內(nèi)到外分為四級(jí)：內(nèi)部寄存器組、高速緩沖存儲(chǔ)器、內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器。它們?cè)诖嫒∷俣壬现鸺?jí)遞減，在存儲(chǔ)容量上逐級(jí)遞增。

分級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)內(nèi)部寄存器組:對(duì)其讀寫速度最快，可減少微處理器訪問外部的次數(shù)，但數(shù)量不可能很多。高速緩沖存儲(chǔ)器:用于裝載當(dāng)前程序和數(shù)據(jù)，使微處理器能以最高的速度工作。內(nèi)存儲(chǔ)器：運(yùn)行的程序和數(shù)據(jù)都放在其中。外存：如軟盤、硬盤、光盤等，其存取速度比內(nèi)存要慢得多。第二節(jié)內(nèi)存儲(chǔ)器的構(gòu)成原理一、存儲(chǔ)器芯片的接口特性

了解存儲(chǔ)器芯片的接口特性，實(shí)質(zhì)上是了解它有哪些信號(hào)線，以及這些信號(hào)線與總線的連接方法。1、EPROM的接口特性典型的EPROM芯片有Intel公司的2716、2732、2764、27128、27256、27512等。2、E2PROM的接口特性E2PROM的突出特點(diǎn)是可以在線進(jìn)行以字節(jié)為單位的讀寫。典型E2PROM產(chǎn)品有Intel公司的2816、2817和2816A、2817A、2864A等。3、SRAM的接口特性典型的SRAM芯片產(chǎn)品有2128、6116、6132、6232、6164、6264、3264、7164、61256、71256、5C256、64C512、74512。4、DRAM的接口特性5、單列直插式DRAM存儲(chǔ)條的接口特性二、內(nèi)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)

內(nèi)存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)，一般包括以下三項(xiàng)工作：存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的確定，存儲(chǔ)器芯片的選擇，存儲(chǔ)器的連接。1、存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的確定存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)的確定，主要指采用單存儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)還是多存儲(chǔ)體結(jié)構(gòu)。●數(shù)據(jù)寬度為8位外部數(shù)據(jù)總線為8位的微處理器，其存儲(chǔ)器只需用單體結(jié)構(gòu)?！裢獠繑?shù)據(jù)總線為16位的微處理器，一般需用兩個(gè)8位存儲(chǔ)體?！駥?duì)于80486等32位微處理器，一般使用4個(gè)由字節(jié)組成的存儲(chǔ)體。2、存儲(chǔ)器芯片的片選控制

根據(jù)對(duì)高位地址總線的譯碼方式，有線選法、局部譯碼法和全譯碼法三種片選方法。80286微處理器的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)80386/80486微處理器的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)●線選法：將高位地址線直接作為各個(gè)存儲(chǔ)器芯片的片選控制信號(hào)?！窬植孔g碼法：對(duì)高位地址總線中的一部分（而不是全部）進(jìn)行譯碼，以產(chǎn)生各存儲(chǔ)器芯片的片選控制信號(hào)?！袢g碼法：高位地址線全部譯碼，譯碼輸出作為各芯片的片選信號(hào)。3、存儲(chǔ)器連接

存儲(chǔ)器連接通?？砂聪铝胁襟E進(jìn)行：（1）根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際裝機(jī)存儲(chǔ)容量，確定存儲(chǔ)器在整個(gè)存儲(chǔ)空間中的位置。（2）選擇合適的存儲(chǔ)芯片。（3）根據(jù)地址分配圖或表及選用的譯碼器件，畫出相應(yīng)的地址位圖，以此確定“片選”和片內(nèi)單元選擇的地址線，進(jìn)而畫出片選譯碼電路。（4）畫出存儲(chǔ)器總線的連接圖。第三節(jié)虛擬存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)管理一、虛擬存儲(chǔ)器的基本概念

虛擬存儲(chǔ)器由主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器組成，輔存作為主存的擴(kuò)充。虛擬存儲(chǔ)器的速度接近于主存，而價(jià)格接近于輔存，因此性能價(jià)格比較高。1、地址空間及地址虛擬存儲(chǔ)器中有3種地址空間及對(duì)應(yīng)的3種地址?！裉摂M地址空間又稱為虛存地址空間，是程序員用來(lái)編寫程序的地址空間，與此相對(duì)應(yīng)的地址稱為虛地址或邏輯地址；●主存地址空間又稱為實(shí)存地址空間，是存儲(chǔ)運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)的空間，其相應(yīng)的地址稱為主存地址或?qū)嵉刂坊蛭锢淼刂?；●輔存地址空間也就是磁盤存儲(chǔ)器的地址空間，是用來(lái)存放暫不使用的程序和數(shù)據(jù)的空間，相應(yīng)的地址稱為輔存地址或磁盤地址。2、工作原理邏輯地址（保護(hù)虛地址）段選擇符：16位46位，64T索引TIPLR請(qǐng)求特權(quán)級(jí)偏移地址，32位10LDT（64位）段基址：32bit邊界：20bit屬性：12bitGDTR（48位）基址：32bit邊界：16bitLDTR（80位）基址：32bit界限：16bit選擇符：16bit屬性：16bitGDTLDTLDT頁(yè)表項(xiàng)索引（10位）每個(gè)目錄4Byte共4kB頁(yè)內(nèi)偏移（12位）頁(yè)目錄索引（10位）線性地址（32位）頁(yè)目錄頁(yè)目錄頁(yè)目錄頁(yè)目錄每個(gè)目錄4Byte共4kB頁(yè)表頁(yè)表頁(yè)表頁(yè)表20位物理地址（32位）4G二、80486的段式存儲(chǔ)器1、地址映像與變換線性地址的生成段描述符：在段式存儲(chǔ)器中，一個(gè)程序的每一個(gè)模塊都有一個(gè)描述符，用來(lái)描述模塊的基本狀況，其內(nèi)容包括基址、界限和訪問控制等。2、段描述符與段描述符表段描述符格式段描述符格式段描述符表：一個(gè)程序全部模塊的段描述符集合構(gòu)成的表。段描述符表

段描述符表分全局段描述符表（GlobalDescriptorTable，GDT）和局部段描述符表（LocalDescriptorTable，LDT）。GDT和LDT在主存中的位置由全局描述符表寄存器（GDTR）和局部描述符表寄存器（LDTR）決定。選擇符

在保護(hù)模式下，段寄存器中的內(nèi)容也稱為選擇符。選擇符不直接確定存儲(chǔ)器地址，而是選擇（指向）一個(gè)段描述符。三、80486的頁(yè)式存儲(chǔ)器四、80486的段頁(yè)式存儲(chǔ)器段式存儲(chǔ)器的模塊性能好，但主存利用率不高，輔存管理比較困難；頁(yè)式存儲(chǔ)器的主存利用率高且輔存管理容易，但模塊化性能差；段頁(yè)式存儲(chǔ)器對(duì)多用戶系統(tǒng)非常有用，邏輯結(jié)構(gòu)特別清楚。第四節(jié)高速緩沖存儲(chǔ)器一、cache的工作原理

高速緩沖存儲(chǔ)器（cache）是位于CPU與主存之間的一種存儲(chǔ)器，容量比主存儲(chǔ)器小，但速度比主存快。

cache中的內(nèi)容是主存某一部分存儲(chǔ)內(nèi)容的副本，而這一部分是CPU當(dāng)前正在使用的指令和數(shù)據(jù)。

采用cache減輕了主存速度比CPU速度慢而產(chǎn)生的瓶頸問題，可以大大提高系統(tǒng)的性能。cache地址與主存地址cache的工作過程cache的物理位置二、地址映像cache的地址映像：cache的容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主存，一個(gè)cache塊要對(duì)應(yīng)多個(gè)主存塊，按某種規(guī)則把主存塊裝入cache中，稱為cache的地址映像。

cache的地址變換：主存塊裝入cache后，還需要把主存地址變換為對(duì)應(yīng)的cache地址，即cache的地址變換。

●全相聯(lián)映像：主存中的任意一塊可裝入cache中的任意塊位置稱為全相聯(lián)映像?！裰苯佑诚瘢褐鞔嬷忻恳粔K只能裝入到cache中唯一的特定塊位置的方法稱為直接映像。●N路組聯(lián)映像：在直接映像中只有一個(gè)cache（或稱一路cache），如果把cache增加到N路，且在主存的區(qū)與cache的路之間實(shí)行全相聯(lián)映像，在塊之間實(shí)行直接映像，這就是N路組聯(lián)映像。三、80486微處理器的片內(nèi)cache片內(nèi)cache的結(jié)構(gòu)：80486微處理器的片內(nèi)cache既可以存放指令代碼，又可以存放數(shù)據(jù)，采用4路組聯(lián)結(jié)構(gòu)。片內(nèi)cache的地址變換片內(nèi)cache塊的替換片內(nèi)cache的一致性問題：當(dāng)CPU向cache寫入數(shù)據(jù)時(shí)，主存的內(nèi)容跟不上相應(yīng)的變化，就造成了不一致?！駥懟胤?/p>