1、微型機(jī)原理與技術(shù)微型機(jī)原理與技術(shù)CH5 存儲器、存儲存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)管理和高速緩存技術(shù)CH5 存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器、存儲管理和高速緩存技術(shù)存儲器件和存儲器存儲器件和存儲器存儲器的體系結(jié)構(gòu)存儲器的體系結(jié)構(gòu)虛擬存儲機(jī)制和段頁兩級存儲管理虛擬存儲機(jī)制和段頁兩級存儲管理高速緩存技術(shù)高速緩存技術(shù)5.1 存儲器件和存儲器存儲器件和存儲器存儲器的分類和性能指標(biāo)存儲器的分類和性能指標(biāo)隨機(jī)存取存儲器和只讀存儲器隨機(jī)存取存儲器和只讀存儲器存儲器的行列結(jié)構(gòu)、應(yīng)用舉例以及容量擴(kuò)充存儲器的行列結(jié)構(gòu)、應(yīng)用舉例以及容量擴(kuò)充存儲器的分類和性能指標(biāo)存儲器的分類和性能指標(biāo)根據(jù)用途和特點根據(jù)用途和特點

2、 內(nèi)部存儲器：內(nèi)部存儲器： 外部存儲器：外部存儲器：內(nèi)存內(nèi)存 CPU可直接訪問可直接訪問 大小限制大小限制 主要指主要指RAM計算機(jī)中各類存儲器的分工計算機(jī)中各類存儲器的分工內(nèi)存（系統(tǒng)程序，系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前運行應(yīng)用軟件內(nèi)存（系統(tǒng)程序，系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前運行應(yīng)用軟件和數(shù)據(jù)），外存（暫不使用的程序和數(shù)據(jù)）和數(shù)據(jù)），外存（暫不使用的程序和數(shù)據(jù)）5.1.1存儲器的分類和性能指標(biāo)存儲器的分類和性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo)存儲器的性能指標(biāo)- 易失性：指電源斷開后內(nèi)容丟失，如易失性：指電源斷開后內(nèi)容丟失，如RAM- 只讀性：只讀性：- 存儲容量：存儲容量：- 速度：存儲周期、存儲器帶寬速度：存儲周期、存儲器帶寬- 功

3、耗功耗隨機(jī)存儲器和只讀存儲器隨機(jī)存儲器和只讀存儲器隨機(jī)存儲器分類隨機(jī)存儲器分類- SRAM- DRAM只讀存儲器只讀存儲器- MROM- PROM- EPROM- E2PROM- Flash memory5.1.2SRAM(靜態(tài)靜態(tài)) 基于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理基于雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器原理 缺點：容量小、功耗大缺點：容量小、功耗大,用于存儲量小的系用于存儲量小的系統(tǒng)統(tǒng)DRAM(動態(tài)動態(tài)) 器件器件利用電容存儲利用電容存儲容量大，功耗低容量大，功耗低需要刷新需要刷新1.隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器RAM5.1.21.隨機(jī)存取存儲器隨機(jī)存取存儲器RAMDRAM:DRAM刷新和刷新和DRAM控制器控制器刷新刷新(

4、對存儲器讀取放大再寫入對存儲器讀取放大再寫入)方法：方法： 常用常用“只有行地址有效只有行地址有效”方法方法DRAM控制器的功能控制器的功能時序功能、地址處理功能、仲裁功能時序功能、地址處理功能、仲裁功能5.1.22.只讀存儲器只讀存儲器ROM優(yōu)點優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單，位密度比可讀寫存儲器高結(jié)構(gòu)簡單，位密度比可讀寫存儲器高 具有非易失性具有非易失性應(yīng)用場合應(yīng)用場合不需修改和寫入不需修改和寫入根據(jù)其中信息的設(shè)置方法分根據(jù)其中信息的設(shè)置方法分 掩膜型掩膜型ROM 可編程只讀存儲器可編程只讀存儲器PROM 可擦除可編程只讀存儲器可擦除可編程只讀存儲器EPROM 可用電擦除可編程只讀存儲器可用電擦除可編程只

5、讀存儲器E2PROM 閃爍存儲器閃爍存儲器Flash Memory5.1.2掩膜型掩膜型ROM(MROM) ROM中信息由廠家根據(jù)用戶給定的程序或數(shù)中信息由廠家根據(jù)用戶給定的程序或數(shù)據(jù)對芯片進(jìn)行光刻而寫入據(jù)對芯片進(jìn)行光刻而寫入 雙極型和雙極型和MOS型型可編程可編程ROM(PROM) 用戶按可自己的需要寫入信息（一次性）用戶按可自己的需要寫入信息（一次性） 通過對二極管鍵是否燒斷存儲信息通過對二極管鍵是否燒斷存儲信息可擦除可編程可擦除可編程ROM (EPROM) 通過是否有電荷分布保存信息通過是否有電荷分布保存信息 工作方式：讀、編程、校驗工作方式：讀、編程、校驗2.只讀存儲器只讀存儲器ROM

6、ROM 的分類的分類5.1.2可用電擦除可編程只讀存儲器可用電擦除可編程只讀存儲器(E2PROM) 工作方式：讀、寫、字節(jié)擦除、整體擦除工作方式：讀、寫、字節(jié)擦除、整體擦除閃爍存儲器閃爍存儲器(Flash Memory) 主機(jī)板上主機(jī)板上BIOS存儲介質(zhì)存儲介質(zhì) 特點：特點：（1）信息保持時間久（）信息保持時間久（10年），非易失；年），非易失；（2）擦寫速度快、可靠性高、擦寫次數(shù)多）擦寫速度快、可靠性高、擦寫次數(shù)多（幾十萬次）；（幾十萬次）；（3）容量大。）容量大。ROM 的分類的分類2.只讀存儲器只讀存儲器ROM5.1.21.存儲器的行列結(jié)構(gòu)存儲器的行列結(jié)構(gòu)容量以字節(jié)（容量以字節(jié)（B）為單

7、位）為單位地址地址 區(qū)分不同的存儲單元區(qū)分不同的存儲單元 簡化地址譯碼電路簡化地址譯碼電路矩陣結(jié)構(gòu)矩陣結(jié)構(gòu)5.1.32.存儲器和存儲器和CPU的連接考慮的連接考慮CPU和存儲器的速度匹配問題：和存儲器的速度匹配問題：插入等待狀態(tài)插入等待狀態(tài)CPU總線的負(fù)載能力問題：總線的負(fù)載能力問題：增加總線驅(qū)動器增加總線驅(qū)動器片選信號的產(chǎn)生：片選信號的產(chǎn)生：CPU高位地址線高位地址線- 全譯碼法全譯碼法- 部分譯碼法部分譯碼法- 線選法線選法- 混合譯碼法混合譯碼法:部分譯碼和線選結(jié)合部分譯碼和線選結(jié)合行地址、列地址的產(chǎn)生行地址、列地址的產(chǎn)生:CPU低位地址線低位地址線 對芯片內(nèi)部的尋址方法對芯片內(nèi)部的尋址

8、方法:- 片選譯碼片選譯碼,片內(nèi)譯碼通過行列矩陣結(jié)構(gòu)對存片內(nèi)譯碼通過行列矩陣結(jié)構(gòu)對存儲單元選擇儲單元選擇)5.1.33.SRAM的使用舉例的使用舉例5.1.3圖圖5.2 16K8b靜態(tài)靜態(tài)RAM模塊模塊4.DRAM和和DRAM控制器使用舉例控制器使用舉例讀出讀出寫入寫入5.1.3圖圖5.3 動態(tài)動態(tài)RAM控制器控制器8203和和2164的連接關(guān)系的連接關(guān)系64K1b5.存儲器容量的擴(kuò)充存儲器容量的擴(kuò)充擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度 為了與數(shù)據(jù)線寬為了與數(shù)據(jù)線寬度一致度一致擴(kuò)充字節(jié)數(shù)擴(kuò)充字節(jié)數(shù) 擴(kuò)大地址范圍擴(kuò)大地址范圍5.1.35.2 存儲器的體系結(jié)構(gòu)存儲器的體系結(jié)構(gòu)1.層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化的總體結(jié)

9、構(gòu)層次化層次化把各種速度不同、容量不同、存儲技術(shù)也可能不把各種速度不同、容量不同、存儲技術(shù)也可能不同的存儲設(shè)備分為幾層，通過硬件和管理軟件組同的存儲設(shè)備分為幾層，通過硬件和管理軟件組成一個既有足夠大的存儲空間、又能滿足成一個既有足夠大的存儲空間、又能滿足CPU存存取速度要求、而且價格適中的整體，使存儲體具取速度要求、而且價格適中的整體，使存儲體具有最好的性價比。有最好的性價比。思路思路用用Cache、內(nèi)存和輔存構(gòu)成層次化的存儲器，、內(nèi)存和輔存構(gòu)成層次化的存儲器，按按使用頻度將數(shù)據(jù)分為不同的檔次分放在不同的存使用頻度將數(shù)據(jù)分為不同的檔次分放在不同的存儲器中，儲器中，不同層次的存儲器之間可互相傳輸

10、。不同層次的存儲器之間可互相傳輸。5.2.11.層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化的總體結(jié)構(gòu)方法方法虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)實現(xiàn)內(nèi)存和輔實現(xiàn)內(nèi)存和輔存之間的映象存之間的映象高速緩存技術(shù)高速緩存技術(shù)Cache和內(nèi)存和內(nèi)存之間的映象之間的映象5.2.12.內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)5.2.1內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)高端內(nèi)存區(qū)的組織高端內(nèi)存區(qū)的組織384KB5.2.1顯示刷新存儲器VRAM顯卡驅(qū)動程序ROM、網(wǎng)卡、硬盤緩沖區(qū)系統(tǒng)ROM BIOS內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)擴(kuò)展內(nèi)存區(qū)擴(kuò)展內(nèi)存區(qū) 32位微機(jī)才有的內(nèi)存區(qū)位微機(jī)才有的內(nèi)存區(qū),指指1MB以以上但不是通過內(nèi)存擴(kuò)充卡映射獲得的空上但不是通過內(nèi)存擴(kuò)充卡映

11、射獲得的空間。間。 Pentium有有32根地址線，可擴(kuò)至根地址線，可擴(kuò)至4GB, Pentium4有有36根地址線，可擴(kuò)根地址線，可擴(kuò)至至64GB5.2.15.2.2 32位計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織說明：說明：Pentium采用八體交叉存儲結(jié)構(gòu)，每體采用八體交叉存儲結(jié)構(gòu)，每體512MB，共，共4GB5.3 Pentium的虛擬存儲機(jī)制的虛擬存儲機(jī)制和段頁兩級存儲管理和段頁兩級存儲管理 對多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，體現(xiàn)在：對多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，體現(xiàn)在：從硬件上為任務(wù)之間的切換提供了良好從硬件上為任務(wù)之間的切換提供了良好的條件的條件支持容量極大的虛擬存儲器，并且，為支持容量極大的

12、虛擬存儲器，并且，為了管理如此大的存儲空間，采用片內(nèi)兩了管理如此大的存儲空間，采用片內(nèi)兩級存儲管理級存儲管理虛擬存儲機(jī)制虛擬存儲機(jī)制虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù) 虛擬：相對于實際的、物理的存儲而言的虛擬：相對于實際的、物理的存儲而言的物理存儲器物理存儲器 由地址總線直接訪問的存儲空間由地址總線直接訪問的存儲空間(16位位,1M; 32位位, 4G) 單元地址稱為單元地址稱為物理地址物理地址虛擬存儲器虛擬存儲器 程序使用的邏輯存儲空間程序使用的邏輯存儲空間 可以比物理存儲器大得多可以比物理存儲器大得多 單元地址稱為單元地址稱為虛擬地址虛擬地址（邏輯地址）（邏輯地址） 由存儲器管理軟件在主存和輔存基礎(chǔ)

13、上建立的一種由存儲器管理軟件在主存和輔存基礎(chǔ)上建立的一種存儲體系存儲體系Pentium只有在保護(hù)模式下才支持只有在保護(hù)模式下才支持5.3.11.虛擬存儲技術(shù)虛擬存儲技術(shù)2.段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲 虛存的分類：虛存的分類：段式虛擬存儲器段式虛擬存儲器 每段的長度不是固定的每段的長度不是固定的 每個段都是受到保護(hù)的獨立的空間每個段都是受到保護(hù)的獨立的空間 優(yōu)點：易于管理。缺點：碎片多，效率低。優(yōu)點：易于管理。缺點：碎片多，效率低。頁式虛擬存儲器頁式虛擬存儲器 一個系統(tǒng)中的所有頁面大小固定一個系統(tǒng)中的所有頁面大小固定(常是常是4KB) 頁面的起點和終點也固定頁面的起點和

14、終點也固定 只有分頁機(jī)制才支持虛擬存儲（只有分頁機(jī)制才支持虛擬存儲（ ？）？）5.3.1控制寄存控制寄存器器CR0中中PG=1允許允許分頁分頁分段提供了隔絕各個代碼、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)域的機(jī)制，分段提供了隔絕各個代碼、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)域的機(jī)制，因此多個程序（或任務(wù)）可以運行在同一個處理器上因此多個程序（或任務(wù)）可以運行在同一個處理器上而不會互相干擾。分頁機(jī)制為傳統(tǒng)需求頁、虛擬內(nèi)存而不會互相干擾。分頁機(jī)制為傳統(tǒng)需求頁、虛擬內(nèi)存系統(tǒng)提供了實現(xiàn)機(jī)制。其中虛擬內(nèi)存系統(tǒng)用于實現(xiàn)程系統(tǒng)提供了實現(xiàn)機(jī)制。其中虛擬內(nèi)存系統(tǒng)用于實現(xiàn)程序代碼按要求被映射到物理內(nèi)存中。分頁機(jī)制當(dāng)然也序代碼按要求被映射到物理內(nèi)存中。分頁機(jī)制當(dāng)然

15、也能用于提供多任務(wù)之間的隔離措施能用于提供多任務(wù)之間的隔離措施 2.段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲段式虛擬存儲和頁式虛擬存儲5.3.13.Pentium中的三類地址中的三類地址邏輯地址邏輯地址程序員所看到的地址（虛擬地址）。程序員所看到的地址（虛擬地址）。特點：特點： 這是程序員編寫的源程序中使用的地址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完整的邏輯地址一共48位（選擇子：偏移量）位（選擇子：偏移量） 邏輯地址中的選擇子對應(yīng)于一個段基址邏輯地址中的選擇子對應(yīng)于一個段基址 Pentium共有共有214=16348個段個段線性地址線性地址 分段部件將包含選擇子和偏移量的邏輯地址轉(zhuǎn)換為分

16、段部件將包含選擇子和偏移量的邏輯地址轉(zhuǎn)換為32位的線性地址。位的線性地址。特點：特點： 線性地址是由線性地址是由2個個32位量相加而成的（基址位量相加而成的（基址+偏移）偏移） 段基址由段描述符得到段基址由段描述符得到 線性地址是分為線性地址是分為3個字段來體現(xiàn)其功能個字段來體現(xiàn)其功能5.3.13.Pentium中的三類地址中的三類地址物理地址物理地址 和芯片上的地址信號相對應(yīng)和芯片上的地址信號相對應(yīng) 為每個存儲單元在存儲體中指定唯一的地址為每個存儲單元在存儲體中指定唯一的地址 分頁部件分頁部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址 如果分頁部件處于禁止?fàn)顟B(tài)，線性地址就是如果分頁部件

17、處于禁止?fàn)顟B(tài)，線性地址就是物理地址物理地址轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 幾乎為幾乎為05.3.1分段管理分段管理段段獨立且連續(xù)的存儲空間獨立且連續(xù)的存儲空間 相關(guān)的控制信息：段的基址、界限、訪問的優(yōu)先級、共相關(guān)的控制信息：段的基址、界限、訪問的優(yōu)先級、共享性、訪問的特性（讀享性、訪問的特性（讀/寫）寫）段描述符段描述符 把有關(guān)段的信息，即：段基址、界限、訪問屬性全部存把有關(guān)段的信息，即：段基址、界限、訪問屬性全部存放在一個稱為段描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中放在一個稱為段描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中 并把系統(tǒng)中所有的描述符編成表，以便硬件查找和識別并把系統(tǒng)中所有的描述符編成表，以便硬件查找和識別三種描述符表三種描述符表GDT、

18、LDT、IDT使用描述符表帶來的優(yōu)點使用描述符表帶來的優(yōu)點 可大大擴(kuò)展存儲空間（存儲空間取決于描述符數(shù)量和每可大大擴(kuò)展存儲空間（存儲空間取決于描述符數(shù)量和每個描述符能表示的段長度）個描述符能表示的段長度） 可實現(xiàn)虛擬存儲（描述符屬性位指示對應(yīng)段是否在內(nèi)存可實現(xiàn)虛擬存儲（描述符屬性位指示對應(yīng)段是否在內(nèi)存或磁盤，在磁盤及時調(diào)入內(nèi)存）或磁盤，在磁盤及時調(diào)入內(nèi)存） 可實現(xiàn)多任務(wù)隔離（除與系統(tǒng)有關(guān)的操作訪問可實現(xiàn)多任務(wù)隔離（除與系統(tǒng)有關(guān)的操作訪問GDT，其，其余的只能訪問余的只能訪問LDT，每個任務(wù)有獨立空間，就像每個任，每個任務(wù)有獨立空間，就像每個任務(wù)獨享務(wù)獨享CPU）5.3.21.段選擇子段選擇子通

19、常由系統(tǒng)程序的鏈接程序（通常由系統(tǒng)程序的鏈接程序（Linker）或裝配程序（或裝配程序（Loader）指定、修改。）指定、修改。段描述符索引字段段描述符索引字段DI 13位位(在在GDT或或LDT中選擇一個描述符中選擇一個描述符)描述符指示標(biāo)志描述符指示標(biāo)志TI 選擇選擇GDT（TI=0）還是）還是LDT（TI=1）請求特權(quán)級字段請求特權(quán)級字段RPL（共（共4級，級，0級最高）級最高） 為了保護(hù)段為了保護(hù)段段描述符表索引DITIRPL15 321 05.3.32.段描述符段描述符32位的段基址位的段基址在物理空間的開始位置在物理空間的開始位置20位的段界限位的段界限段的長度段的長度段類型段類型

20、S 0為系統(tǒng)段（為系統(tǒng)段（TSS、LDT、各種門），、各種門），1為非系統(tǒng)段為非系統(tǒng)段3位的段屬性位的段屬性E、ED/C、W/R5.3.3E：=0數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段，=1代碼段代碼段ED/C：=0數(shù)據(jù)段向高端擴(kuò)展，數(shù)據(jù)段向高端擴(kuò)展，=1向低端擴(kuò)展向低端擴(kuò)展W/R：執(zhí)行代碼段：執(zhí)行代碼段=0可讀，可讀，=1不可讀不可讀 數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)段=0可讀不可寫，可讀不可寫，=1可讀可寫可讀可寫段描述符段描述符粒度粒度G（=1以以4KB為單位，為單位，=0以以B為單位）為單位）D/B字段（代碼段、堆棧數(shù)據(jù)段中使用字段（代碼段、堆棧數(shù)據(jù)段中使用=1表示表示32位，位，=0表示表示16位）位）存在位存在位P（P=1在內(nèi)

21、存，在內(nèi)存，P=0在磁盤）在磁盤）特權(quán)級特權(quán)級DPL訪問位訪問位A（=1已訪問過，已訪問過，=0未訪問過）未訪問過）5.3.33.描述符表描述符表三類三類 GDT LDT IDT每個描述符表最多可容納每個描述符表最多可容納213個描述符個描述符GDT中的第一個（中的第一個（DI0）為空描述符）為空描述符IDT最多只對應(yīng)最多只對應(yīng)256個描述符個描述符系統(tǒng)只有一個系統(tǒng)只有一個GDT、IDT每個任務(wù)有一個每個任務(wù)有一個LDT5.3.3描述符表描述符表GDT含有可供系統(tǒng)中所有任務(wù)使用的段描述符含有可供系統(tǒng)中所有任務(wù)使用的段描述符每個每個LDT也看成一個特殊的段（系統(tǒng)段）也看成一個特殊的段（系統(tǒng)段）G

22、DT中還包含各個中還包含各個LDT對應(yīng)的描述符對應(yīng)的描述符LDT只包含與某一任務(wù)相關(guān)的各個段的描述符只包含與某一任務(wù)相關(guān)的各個段的描述符5.3.3邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址885.3.4邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址邏輯地址轉(zhuǎn)換為線性地址Pentium為每個段寄存器各設(shè)置了一個為每個段寄存器各設(shè)置了一個64位的位的段描述符寄存器段描述符寄存器（程序員不可訪問）（程序員不可訪問）它是它是高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器保存著相應(yīng)段選擇子所對應(yīng)的段描述符保存著相應(yīng)段選擇子所對應(yīng)的段描述符每次裝入段選擇子時，段描述符也一起每次裝入段選擇子時，段描述符也一起裝入裝入5.3.4分頁管理分頁管理優(yōu)點

23、優(yōu)點:有了分頁機(jī)制，一個文件一旦用到只需某些頁在有了分頁機(jī)制，一個文件一旦用到只需某些頁在內(nèi)存，為巨型文件使用內(nèi)存和數(shù)據(jù)管理帶來方便；每個內(nèi)存，為巨型文件使用內(nèi)存和數(shù)據(jù)管理帶來方便；每個活動任務(wù)的所需少量頁放入內(nèi)存，提高了存取效率。活動任務(wù)的所需少量頁放入內(nèi)存，提高了存取效率。與分段的區(qū)別與分段的區(qū)別 頁大小是固定的，而且頁面空間比較小頁大小是固定的，而且頁面空間比較小 頁的邊界有對準(zhǔn)點頁的邊界有對準(zhǔn)點4KB或或4MB實際的存儲頁實際的存儲頁物理頁物理頁分配給程序的頁分配給程序的頁虛擬頁虛擬頁多個頁面構(gòu)成一組多個頁面構(gòu)成一組頁組頁組分頁功能設(shè)計兩個表分頁功能設(shè)計兩個表 頁組目錄項表頁組目錄項表

24、 頁映象表（頁表）頁映象表（頁表） 本身就是一個頁本身就是一個頁5.3.5分頁管理分頁管理5.3.5線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址第一步是查詢第一步是查詢CR3第二步是將線性地址的高第二步是將線性地址的高10位作為頁組位作為頁組項號項號第三步是查詢相應(yīng)頁組目錄對應(yīng)的頁表第三步是查詢相應(yīng)頁組目錄對應(yīng)的頁表5.3.5線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址例例將線性地址0123567H轉(zhuǎn)換為物理地址轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB分頁機(jī)制中的兩種表分頁機(jī)制中的兩種表 放在存儲器中放在存儲器中速度？速度？ 高速緩存（表長，代價大）高速緩存（表長，代價大）Translate loo

25、kaside buffer（小（小型高速緩存）型高速緩存） Pentium為數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)Cache和指令和指令Cache分別配分別配置了各自獨立的置了各自獨立的TLB 每個每個TLB中存放中存放32個最近經(jīng)常使用的頁表項個最近經(jīng)常使用的頁表項，通過操作系統(tǒng)跟蹤來控制這些項的保持和更通過操作系統(tǒng)跟蹤來控制這些項的保持和更新新5.3.5轉(zhuǎn)換檢測緩沖器轉(zhuǎn)換檢測緩沖器TLB分頁部件得到分頁部件得到32位線性地址時位線性地址時 先通過其高先通過其高20位與位與TLB中的中的32項比較項比較 否則呢否則呢5.3.5TLB的工作原理的工作原理5.3.5分頁管理分頁管理操作系統(tǒng)的角色操作系統(tǒng)的角色 分頁部件將線

26、性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程需要操分頁部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過程需要操作系統(tǒng)的參與作系統(tǒng)的參與對操作系統(tǒng)的要求對操作系統(tǒng)的要求 建立建立初始頁組目錄表和頁表初始頁組目錄表和頁表，在分頁部件功能的基，在分頁部件功能的基礎(chǔ)上完成線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換礎(chǔ)上完成線性地址到物理地址的轉(zhuǎn)換 完成完成存儲數(shù)據(jù)的交換存儲數(shù)據(jù)的交換，當(dāng)出現(xiàn)缺頁故障時，將缺頁，當(dāng)出現(xiàn)缺頁故障時，將缺頁從磁盤調(diào)到內(nèi)存，并重新啟動引起缺頁故障的指令從磁盤調(diào)到內(nèi)存，并重新啟動引起缺頁故障的指令 在虛擬存儲器的管理中，須在虛擬存儲器的管理中，須周期性地檢測當(dāng)前任務(wù)周期性地檢測當(dāng)前任務(wù)占有的各頁所對應(yīng)的頁表項的訪問位占有的各頁所對

27、應(yīng)的頁表項的訪問位A，做統(tǒng)計。，做統(tǒng)計。確定哪些頁常用，使其駐留主存中。確定哪些頁常用，使其駐留主存中。 確保確保TLB的內(nèi)容和分頁部件的兩個表相符的內(nèi)容和分頁部件的兩個表相符5.3.5某計算機(jī)存儲器按字節(jié)尋址，虛擬（邏輯）地址空間某計算機(jī)存儲器按字節(jié)尋址，虛擬（邏輯）地址空間大小為大小為16MB，主存（物理）地址空間大小為，主存（物理）地址空間大小為1MB，頁面大，頁面大小為小為4KB；Cache采用直接映射方式，共采用直接映射方式，共8行；主存與行；主存與Cache之間交換的塊的大小為之間交換的塊的大小為32B。系統(tǒng)運行到某時刻時，。系統(tǒng)運行到某時刻時，頁表的部分內(nèi)容與頁表的部分內(nèi)容與Ca

28、che的部分內(nèi)容分別如圖的部分內(nèi)容分別如圖44-a和和44-b所示，圖中頁框號和標(biāo)記字段的內(nèi)容均為所示，圖中頁框號和標(biāo)記字段的內(nèi)容均為16進(jìn)制形式。進(jìn)制形式。（1）虛擬地址共有幾位？哪幾位表示虛頁號？物理地址共）虛擬地址共有幾位？哪幾位表示虛頁號？物理地址共有幾位？哪幾位表示頁框號（物理頁號）？有幾位？哪幾位表示頁框號（物理頁號）？（2）使用物理地址訪問）使用物理地址訪問Cache時，物理地址應(yīng)化分為哪幾時，物理地址應(yīng)化分為哪幾個字段？要求說明每個字段的位數(shù)及在物理地址中的位置個字段？要求說明每個字段的位數(shù)及在物理地址中的位置。（3）虛地址）虛地址001C60H所在的頁面是否在主存中？若在主存

29、所在的頁面是否在主存中？若在主存中，該虛擬地址對應(yīng)的物理地址是多少？訪問該地址是否中，該虛擬地址對應(yīng)的物理地址是多少？訪問該地址是否命中命中Cache？說明理由。？說明理由。（4）假設(shè)為該機(jī)配置一個四路組相聯(lián)的）假設(shè)為該機(jī)配置一個四路組相聯(lián)的TLB，該，該TLB共可共可放放8個頁表項，若其當(dāng)前內(nèi)容如圖個頁表項，若其當(dāng)前內(nèi)容如圖44-c所示，則此時虛擬所示，則此時虛擬地址地址024BACH所在的頁面是否在主存中？要求說明理由。所在的頁面是否在主存中？要求說明理由。解：（1）虛擬地址空間大小為16MB=224B，存儲器按字節(jié)尋址 虛擬地址共24位； 又頁面大小為4KB=212B，頁內(nèi)地址為12位

30、虛頁號共24-12=12位，即虛地址中高12位為虛頁號，低12位為頁內(nèi)地址。 物理地址空間為1MB=220B 物理地址共20位，高8（20-12=8）位為頁框號，低12位為頁內(nèi)地址。 （2）Cache采用直接映射方式 使用物理地址訪問Cache時，物理地址應(yīng)分為3個字段：主存字塊標(biāo)記（主存字塊標(biāo)記（12位）位）Cache塊號（塊號（3位）位）塊內(nèi)地址（塊內(nèi)地址（5位）位）Cache共8行，和主存交換塊大小為32BCache塊號共3位（8=23），塊內(nèi)地址5位（32=25） 主存字塊標(biāo)記共：20-3-5=12（位）（3）虛地址001C60H的高12位為虛頁號，即虛頁號為001H，頁內(nèi)地址為C60

31、H 查頁表（圖44-a）虛頁號1所在行，有效位為1，頁框號為04，說明頁面已在主存中，該虛地址對應(yīng)的物理地址是04C60H。 04C60H=0000 0100 1100 0110 0000B采用直接映射方式，物理地址04C60H對應(yīng)的Cache行號為3，由圖44-b知Cache第3行的標(biāo)記為105和地址04C60H的高12位04C不同訪問虛地址001C60H時未命中Cache。（4）TLB采用四路組相聯(lián)，共可放8個頁表項 TLB每組4行，共2組，虛擬地址被劃分為3個字段如下：虛存標(biāo)記（虛存標(biāo)記（11位）位）TLB組號（組號（1位）位）頁內(nèi)地址（頁內(nèi)地址（12位）位）虛擬地址024BACH=00

32、00 0010 0100 1011 1010 1100B該地址對應(yīng)TLB的第0組，標(biāo)記為00000010010B=012H，與圖44-c的第0組中其中1個有效頁面的標(biāo)記012H相同，說明該頁面已在主存中，頁框號為1FH。5.4 高速緩存技術(shù)高速緩存技術(shù)Cache概述概述Cache的組織方式的組織方式Cache的數(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法Cache控制器控制器82385Pentium的兩級的兩級Cache組織組織影響影響Cache性能的因素性能的因素Cache概述概述矛盾矛盾 大容量、高速度大容量、高速度 CPU速度高，速度高，DRAM速度慢，速度慢，SARM價格高。價格高。技術(shù)技術(shù) 在主存和高

33、速在主存和高速CPU之間設(shè)置一個小容量、高之間設(shè)置一個小容量、高速度的速度的SRAM 存放存放CPU正在使用的代碼和數(shù)據(jù)正在使用的代碼和數(shù)據(jù)CPU訪問存儲器訪問存儲器 主要體現(xiàn)在對主要體現(xiàn)在對SRAM的存取的存取 可以不加等待狀態(tài)而保持高速操作可以不加等待狀態(tài)而保持高速操作Cache概述概述Cache系統(tǒng)系統(tǒng)主存保存數(shù)據(jù)，主存保存數(shù)據(jù)，Cache保保存主存副本存主存副本依據(jù)區(qū)域性規(guī)律依據(jù)區(qū)域性規(guī)律(principle of locality) 時間區(qū)域性時間區(qū)域性 空間區(qū)域性空間區(qū)域性Cache的組織方式的組織方式Cache系統(tǒng)中系統(tǒng)中 主存總是以區(qū)塊為單位映象到主存總是以區(qū)塊為單位映象到Ca

34、che 32位微機(jī)系統(tǒng)中，區(qū)塊長度通常為位微機(jī)系統(tǒng)中，區(qū)塊長度通常為4字節(jié)字節(jié)三種組織方式三種組織方式 全相聯(lián)方式全相聯(lián)方式主存的一個區(qū)塊可以映象到主存的一個區(qū)塊可以映象到Cache的任何一個地的任何一個地方方 直接映像方式直接映像方式主存的一個區(qū)塊只能映象到主存的一個區(qū)塊只能映象到Cache的一個對應(yīng)的的一個對應(yīng)的地方地方Cache的組織方式（續(xù)）的組織方式（續(xù)）三種組織方式三種組織方式 組相聯(lián)方式組相聯(lián)方式將將Cache分為均等容量的幾路，每一路又含許多分為均等容量的幾路，每一路又含許多組，各路中組的數(shù)量和編號相同，每一組又含組，各路中組的數(shù)量和編號相同，每一組又含1個或多個區(qū)塊個或多個區(qū)

35、塊通過約定的機(jī)制，主存的一個區(qū)塊只能映象到通過約定的機(jī)制，主存的一個區(qū)塊只能映象到Cache的指定組號和指定塊號的區(qū)塊，但可以是的指定組號和指定塊號的區(qū)塊，但可以是不同路不同路其實是多路的直接映象方式其實是多路的直接映象方式Cache的訪問過程的訪問過程 與組織方式密切相關(guān)與組織方式密切相關(guān)Cache的三種組織方式的三種組織方式全相聯(lián)全相聯(lián)Cache的例子的例子直接映像直接映像Cache的例子的例子組相聯(lián)組相聯(lián)Cache的例子的例子Cache的數(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法兩個問題兩個問題 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)丟失丟失：Cache 數(shù)據(jù)更新，主存未更新數(shù)據(jù)更新，主存未更新 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)過時過時：主存更新，某個：主

36、存更新，某個Cache數(shù)據(jù)未更新數(shù)據(jù)未更新防止數(shù)據(jù)丟失的一致性問題防止數(shù)據(jù)丟失的一致性問題 通寫式通寫式： CPU寫到寫到Cache， Cache立即寫回主存。立即寫回主存。 回寫式回寫式：Cache每一個區(qū)塊標(biāo)記設(shè)置更新位，每一個區(qū)塊標(biāo)記設(shè)置更新位， CPU寫到寫到Cache ，未更新主存，則標(biāo)志置，未更新主存，則標(biāo)志置1；CPU寫到寫到Cache時首先檢查更新位，為時首先檢查更新位，為0可寫入。否則：可寫入。否則：先把先把Cache現(xiàn)有內(nèi)容寫回主存，再對現(xiàn)有內(nèi)容寫回主存，再對Cache寫入。寫入。 Cache控制器控制器82385Cache子系統(tǒng)子系統(tǒng) Cache、Cache控制器、主存控

37、制器、主存Cache中存放中存放CPU常用的代碼和數(shù)據(jù)常用的代碼和數(shù)據(jù)Cache控制器功能控制器功能 攔截攔截CPU的每次訪存操作的每次訪存操作 檢查檢查CPU所需要的信息是否已在所需要的信息是否已在Cache中中 若未命中，再訪問主存若未命中，再訪問主存82385 與與80386配合配合Cache控制器控制器8238582385對對Cache系統(tǒng)的管理系統(tǒng)的管理 Cache和主存的映像關(guān)系處理和主存的映像關(guān)系處理 未命中未命中Cache時的處理時的處理 Cache的數(shù)據(jù)更新的數(shù)據(jù)更新通過片內(nèi)的通過片內(nèi)的Cache目錄目錄 使外部使外部32KB的的Cache和和4GB的主存之間實的主存之間實現(xiàn)

38、映象現(xiàn)映象兩種映象方式兩種映象方式 直接映象方式（直接映象方式（W/D=0） 雙路組相聯(lián)映象方式（雙路組相聯(lián)映象方式（W/D=1）5.4.21.82385控制的控制的 直接映象方式直接映象方式Cache子系統(tǒng)子系統(tǒng)直接映象方式時直接映象方式時Cache目錄、目錄、Cache及主存之間的關(guān)系及主存之間的關(guān)系主存和主存和Cache塊容量：塊容量：4B/塊塊Cache共共8K塊，每組塊，每組8塊共分塊共分1024組組 主存共主存共1G塊，每頁塊，每頁8*1024塊，共塊，共128K頁頁映射：主存任映射：主存任一頁的第一頁的第i組組只能映射至只能映射至Cache的第的第i組組直接映像方式下直接映像方式

39、下82385從從Cache中選中選1個個區(qū)塊區(qū)塊1.82385控制的控制的 直接映象方式直接映象方式Cache子系統(tǒng)子系統(tǒng)高速緩沖存儲器沒命中的原因：高速緩沖存儲器沒命中的原因： 頁命中，組有效，但塊無效頁命中，組有效，但塊無效 將主存塊調(diào)入將主存塊調(diào)入CACHE，并將塊有效位，并將塊有效位置置1。 頁不命中頁不命中 將主存塊調(diào)入將主存塊調(diào)入CACHE，同時修改目錄，同時修改目錄項中的頁標(biāo)記項中的頁標(biāo)記/組、塊有效位置組、塊有效位置1/其它其它塊有效位置塊有效位置0。系統(tǒng)復(fù)位時：系統(tǒng)復(fù)位時：2.82385控制的控制的 雙路組相聯(lián)方式雙路組相聯(lián)方式Cache子系統(tǒng)子系統(tǒng)雙路組相聯(lián)方式：雙路組相聯(lián)方式：Cache目錄、目錄、Cache及主存及主存之間的關(guān)系之間的關(guān)系映射：主存任映射：主存任一頁的第一頁的第i組可組可以映射至以映射至Cache的第的第i組組的的A路或路或B路路中中主存和主存和Cache塊容量：塊容量：4B/塊塊Cache共共8K塊，每組塊，每組8塊共分塊共分1024組，分成組，分成A、B二路，每路各二路，每路各512組組 主存共主存共1G塊，每頁塊，每頁8*512