微机原理第5章存储器.ppt

5.1 5.1 现代高档微机系统的存储器体系结构现代高档微机系统的存储器体系结构5.2 5.2 半导体存储器的分类与选用原则半导体存储器的分类与选用原则5.3 5.3 存储器芯片和存储条的接口特性存储器芯片和存储条的接口特性5.4 5.4 内存储器系统的构成原理内存储器系统的构成原理5.5 5.5 高速缓存器（高速缓存器（Cache)Cache)基本原理基本原理5.6 5.6 外存储器外存储器5.7 5.7 虚拟存储器管理机制虚拟存储器管理机制第五章 存 储 器5-5.1 5.1 现代高档微机系统的存储器现代高档微机系统的存储器体系结构体系结构 现代高档微机系统中，存储器技术的发展始终是现代高档微机系统中，存储器技术的发展始终是以实现低成本、大容量和高速度为其追求目标，而用以实现低成本、大容量和高速度为其追求目标，而用单一工艺制造的半导体存储器往往难以同时满足这三单一工艺制造的半导体存储器往往难以同时满足这三方面的要求为解决这一矛盾、提高存储器系统的性方面的要求为解决这一矛盾、提高存储器系统的性能，目前高档微机系统普遍采用以下结构来组织整个能，目前高档微机系统普遍采用以下结构来组织整个存储器系统：存储器系统： Ø分级存储器结构分级存储器结构Ø虚拟存储器结构虚拟存储器结构5-5.1 5.1 现代高档微机系统的存储器体系结构现代高档微机系统的存储器体系结构5.1.1 5.1.1 分级存储器结构分级存储器结构分级存储器结构示意图分级存储器结构示意图CPUCPU内内部部寄寄存存器器高速缓冲存高速缓冲存储器储器( (Cache)Cache)内内存存储储器器外外存存储储器器容量增容量增速度、位价格减速度、位价格减高速缓存高速缓存的引入，的引入，把慢速的内存当高把慢速的内存当高速内存来使用。

速内存来使用5.1.2 5.1.2 虚拟存储器结构虚拟存储器结构 虚拟存储器技术虚拟存储器技术是在内存是在内存与外存之间引入相应的硬件与外存之间引入相应的硬件和软件，把大容量的外存当和软件，把大容量的外存当大容量的内存来使用大容量的内存来使用5-5.2 5.2 半导体存储器的分类与选用原则半导体存储器的分类与选用原则5.2.1 5.2.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类5.2.2 5.2.2 存储器芯片的选用原则存储器芯片的选用原则5-5.2.1 5.2.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类• ROM的类型的类型• RAM的类型的类型Ø掩模掩模ROMØPROMØEPROMØE2PROMØFlash ROMØSRAMØDRAMØIRAMØNVRAM半导体存储半导体存储器从器从功能和功能和应用应用角度主角度主要有两大类要有两大类: :5-Flash ROM的特点的特点: :5.2.1 5.2.1 半导体存储器的分类半导体存储器的分类兼具有兼具有EEPROM、SRAM和和DRAM的优点：的优点：   速度高、密度大；非易失；速度高、密度大；非易失；   内含命令、状态寄存器，可编程；内含命令、状态寄存器，可编程；   可整片可整片/ /按扇区按扇区/ /按页面按页面/ /按字节擦写；按字节擦写；   有数据保护、保密能力。

有数据保护、保密能力Flash ROM的应用：的应用：   主板、显卡主板、显卡BIOSBIOS   移动存储器移动存储器   MP3MP3播放器播放器   数码相机、摄像机存储卡数码相机、摄像机存储卡   嵌入式、便携式系统电子盘嵌入式、便携式系统电子盘5-5.2.2 5.2.2 存储器芯片的选用原则存储器芯片的选用原则1. ROM与与RAM的选用的选用2. ROM类型的选用类型的选用3. RAM类型的选用类型的选用4. 芯片型号的选用芯片型号的选用掩模掩模ROMPROMEPROM E2PROMFlash ROMSRAMDRAM 内存条内存条4个层面个层面5-5.3 5.3 存储器芯片和存储条的接口特性存储器芯片和存储条的接口特性5.3.1 5.3.1 各类存储芯片的接口共性各类存储芯片的接口共性5.3.2 5.3.2 DRAMDRAM芯片与存储条的接口特性芯片与存储条的接口特性 了解存储芯片的接口特性了解存储芯片的接口特性, ,实质上就是要了解它实质上就是要了解它有哪些与有哪些与CPUCPU总线相关的信号线，以及这些信号线相总线相关的信号线，以及这些信号线相互间的定时关系；在此基础上互间的定时关系；在此基础上, ,进而弄清楚这些信号进而弄清楚这些信号线与线与CPUCPU的三大总线应如何连接。

的三大总线应如何连接 5-5.3.1 5.3.1 各各类类存储芯片的接口共性存储芯片的接口共性1.1.各类存储器芯片的通用引脚各类存储器芯片的通用引脚 从与从与CPUCPU接口的特性看，各类存储器芯片除电源线和地接口的特性看，各类存储器芯片除电源线和地线外，一般都有以下四类外部引脚信号线：线外，一般都有以下四类外部引脚信号线： 用于选择存储用于选择存储器存储单元器存储单元用于向存储器用于向存储器芯片写入或从芯片写入或从存储器芯片读存储器芯片读出数据出数据用于选择存用于选择存储器芯片储器芯片用于控制存储用于控制存储器芯片中数据器芯片中数据的读出或写入的读出或写入 存储器芯片的通用引脚存储器芯片的通用引脚A0A1AnD0D1Dm地址线地址线 OE WE数数据据线线读允许读允许片选片选写允许写允许CS5-2. 2. 与与CPUCPU的连接特性的连接特性不不匹匹配配5.3.1 5.3.1 各类存储芯片的接口共性各类存储芯片的接口共性4 4类接口类接口信号线信号线（电源（电源线除外）线除外）数据线数据线地址线地址线片选线片选线读/写控制线直连直连地址地址译码器译码器DB 低位低位 高位高位AB匹配 直连等待产生电路等待产生电路CB相应线CPU关键：高低位关键：高低位ABAB如何划分如何划分根据译码方式的不同，可有三种常用片选控制方法：1、线选法 2、全译码法 3、局部译码法5-5.3.2 5.3.2 DRAMDRAM芯片与芯片与存储条的接口特性存储条的接口特性DRAMDRAM在原理和结构上与在原理和结构上与SRAMSRAM有很大不同：有很大不同：1. DRAM1. DRAM芯片的接口特殊性芯片的接口特殊性ØDRAMDRAM是靠电荷存储器件是靠电荷存储器件( (或电容或电容) )存储信息，由于存储信息，由于电容存在漏电现象，不停电也会导致信息丢失。

电容存在漏电现象，不停电也会导致信息丢失ØDRAMDRAM芯片集成度高，存储容量大，为节省外部引芯片集成度高，存储容量大，为节省外部引脚，其地址输入一般采用两路复用锁存方式脚，其地址输入一般采用两路复用锁存方式 故与故与CPUCPU接口时表现出更多的特殊性：接口时表现出更多的特殊性：一是需定时一是需定时动态刷新；二是地址线要采用二路复用动态刷新；二是地址线要采用二路复用5-5.3.2 5.3.2 DRAMDRAM芯片与芯片与存储条的接口特性存储条的接口特性DRAMDRAM读写简化电路示意图：读写简化电路示意图：RAMADSEL数据数据选择器选择器LS2452164×8A0～～A7MEMWRAS0CAS0A0～～A7LS158BASDRA8～～A15D0D1D8ADDSELD0D1D7MEMRABE……WERASCAS5-2. 2. DRAMDRAM存储条及其接口特性存储条及其接口特性 微机系统中使用的内存都是将多片微机系统中使用的内存都是将多片DRAMDRAM芯片塑封芯片塑封在一个长条型印刷电路板上的在一个长条型印刷电路板上的DRAMDRAM内存条，以便于减内存条，以便于减小体积、扩充容量和更换模块。

内存条有以下三种结小体积、扩充容量和更换模块内存条有以下三种结构构: :5.3.2 5.3.2 DRAMDRAM芯片与芯片与存储条的接口特性存储条的接口特性Ø SIMM（Single In-Line Memory Module）Ø DIMM（Dual In-Line Memory Module）Ø RIMM（Rambus In--Line Memory Module） 5-q DRAM DRAM存储条实物样例存储条实物样例q 各类内存条接口特性及安装规则各类内存条接口特性及安装规则5.3.2 5.3.2 DRAMDRAM芯片与芯片与存储条的接口特性存储条的接口特性5-5.4 5.4 主存储器系统的构成原理主存储器系统的构成原理Ø存储器结构的确定存储器结构的确定 —— 单体？多体？单体？多体？Ø存储器芯片的选配存储器芯片的选配Ø存储器接口的设计存储器接口的设计 —— 关键关键用存储器芯片构成存储器系统，用存储器芯片构成存储器系统，三项任务：三项任务：5-5.4.1 5.4.1 存储器结构的确定存储器结构的确定 在微机系统中，为能支持多种数据宽度操在微机系统中，为能支持多种数据宽度操作，存储器一般都按字节编址，以字节为单位作，存储器一般都按字节编址，以字节为单位构成。

所以：构成所以：Ø对对8 8位微机，用单体结构位微机，用单体结构Ø对对1616位微机，用双体结构位微机，用双体结构Ø对对3232位微机，用位微机，用4 4体结构体结构Ø ……5-1. 1. 双体存储器结构示例（双体存储器结构示例（8028680286存储器）存储器）A0~A23BHE80286D0~D15地址地址锁存器锁存器5.4.1 5.4.1 存储器结构的确定存储器结构的确定A1~A23A0BHE地址总线地址总线D0~D7D8~D15数据总线数据总线偶数存储体偶数存储体奇奇数数存存储储体体FFFFFEFFFFFEFFFFFCFFFFFC        000002000002000000000000000003000003000001000001        FFFFFDFFFFFDFFFFFFFFFFFF5-2. 82. 8体存储器结构示例（体存储器结构示例（PentiumPentium存储器）存储器）Pentium A3~A31D0~D63地址地址锁存器锁存器存储体0存储体1存储体2存储体7数据收数据收/ /发驱动器发驱动器A3~A31D0~D7D16~D23D56~D63D8~D15D0~D63BE7BE2BE1BE05.4.1 5.4.1 存储器结构的确定存储器结构的确定5-5.4.2 5.4.2 存储器芯片的选配存储器芯片的选配Ø位扩展位扩展Ø字扩展字扩展Ø字位扩展字位扩展 存储器芯片的选配包括芯片的选择和组配存储器芯片的选配包括芯片的选择和组配两方面。

其中，存储器芯片的组配又包括：两方面其中，存储器芯片的组配又包括：5-5.4.2 5.4.2 存储器芯片的选配存储器芯片的选配 通过位扩展，满足（通过位扩展，满足（8 8位）字长要求位）字长要求地地址址总总线线A0A91K×1位位76543210DDDD7D6D5DDDD4D3D2D1D0DDA0A9CSWE数数据据总总线线• 地址、片选、读地址、片选、读/ /写控制线并连写控制线并连• 数据线分连数据线分连等效的等效的1 1K K×8 8位芯位芯片片  位位 扩扩 展展  字字 扩扩 展展  字位扩展字位扩展 例如例如，，用用1 1K K×1 1位芯片组成位芯片组成1 1KBKB存储器的存储器的位扩展设计如下：位扩展设计如下：5-  位位 扩扩 展展  字字 扩扩 展展  字位扩展字位扩展4.4.2 4.4.2 存储器芯片的选配存储器芯片的选配 通过字扩展，满足字数（地址单元数）要求通过字扩展，满足字数（地址单元数）要求 例如例如，用，用1 1K K×8 8位的芯片（或芯片组）构成的位的芯片（或芯片组）构成的4 4KBKB存储器的字扩展设计如下：存储器的字扩展设计如下：CS Y0 Y1 Y2 Y3译码器译码器 WE D0～～7810A0～～9A10A114K×8位芯片位芯片D0～～7 WE A0～～9 CS 1K×8位位(3#)D0～～7 WE A0～～9 CS 1K×8位位(2#)D0～～7 WE A0～～9 CS 1K×8位位(1#)D0～～7 WE A0～～9 CS 1K×8位位(0#) 字扩展方法：字扩展方法： • 地址线、数据线、读地址线、数据线、读/ /写等控制线并连写等控制线并连 • 片选线分连片选线分连5-  位位 扩扩 展展  字字 扩扩 展展  字位扩展字位扩展5.4.2 5.4.2 存储器芯片的选配存储器芯片的选配 当存储芯片的字长和存储单元数均不当存储芯片的字长和存储单元数均不能满足存储器系统的要求时，就需要进行能满足存储器系统的要求时，就需要进行字位全扩展。

字位全扩展包括两方面设计：包括两方面设计：   位扩展设计位扩展设计   字扩展字扩展设计设计5- 实实际际上上就就是是要要解解决决存存储储器器同同CPUCPU三三大大总总线线的的正正确确连连接接与与时时序序匹匹配配问问题题而而重重点点又又是是在在地地址址分分配的基础上实现地址译码配的基础上实现地址译码1.1.存储器片选控制方法存储器片选控制方法2.2.存储器接口设计举例存储器接口设计举例5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-• 线选法线选法• 局局 部部 译码法译码法• 全全 局局 译码法译码法 低位地址线直接接片内地址，将余下的高位低位地址线直接接片内地址，将余下的高位地址线分别作为芯片的片选信号地址线分别作为芯片的片选信号1.1.存储器存储器片选控制片选控制方法方法A0～～A10 2KB(0)11A0～～A10A11A0～～A10 2KB(1)A0～～A10 2KB(3)A0～～A10 2KB(2)A12A13A14CSCSCSCSA15 用于片选的地址线用于片选的地址线( (A A1414～～A A1111) )在每次寻址时在每次寻址时只能有一位有效，不允许同时有多位有效，因只能有一位有效，不允许同时有多位有效，因此，存储空间的利用率低。

此，存储空间的利用率低5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-译译码码器器A0～～A10 2KB(0)11A0～～A10A0～～A10 2KB(1)A0～～A10 2KB(7)A11～～A15中任中任三根三根CSCSCS 部分高端地址线未参与译码，也存在地址重部分高端地址线未参与译码，也存在地址重叠和地址不连续问题，一般选法不够用，而叠和地址不连续问题，一般选法不够用，而又不需要全部地址空间时使用，以简化译码电路又不需要全部地址空间时使用，以简化译码电路 对余下高位地址总线中的一部分进行译码，对余下高位地址总线中的一部分进行译码，译码输出作为各存储器芯片的片选控制信号译码输出作为各存储器芯片的片选控制信号• 线选法线选法• 局局 部部 译码法译码法• 全全 局局 译码法译码法1.1.存储器存储器片选控制片选控制方法方法5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5- 与前两种译码方法相比，存储空间利用率最高且译出的与前两种译码方法相比，存储空间利用率最高且译出的地址连续，不存在地址重叠问题，但译码电路最复杂。

地址连续，不存在地址重叠问题，但译码电路最复杂 对余下高位地址总线全部译码，译码输出作为对余下高位地址总线全部译码，译码输出作为各存储器芯片的片选控制信号各存储器芯片的片选控制信号• 线选法线选法• 局局 部部 译码法译码法• 全全 局局 译码法译码法 无论是局部译码还是全译码，译码方案既可采用无论是局部译码还是全译码，译码方案既可采用门电门电路路译码、译码、译码器芯片译码器芯片译码，还可采用译码，还可采用PROMPROM芯片芯片译码等1.1.存储器存储器片选控制片选控制方法方法译译码码器器A0～～A12 8KB(0)13A0～～A12A0～～A12 8KB(1)A0～～A12 8KB(3)A13～～A15CSCSCSY0Y1Y3Y4～～Y75.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-2.2.存储器接口设计举例存储器接口设计举例 例例5.1 5.1 试试用用27322732EPROMEPROM芯芯片片为为某某8 8位位微微机机系系统统( (地地址址总总线线宽宽度度为为2020位位) )构构建建一一个个3232KBKB的的程程序序存存储储器器，，要求存储器地址范围为要求存储器地址范围为F8000HF8000H至至FFFFFHFFFFFH。

分析：分析：27322732为为4 4K K×8 8位的位的EPROMEPROM芯片此例不必芯片此例不必进行位扩展，但要进行字扩展进行位扩展，但要进行字扩展, ,即用即用8 8片片27322732芯片将芯片将存储器字数扩展到存储器字数扩展到3232K K个 ∴ ∴ 关键是在地址分配的基础上确定译码方案关键是在地址分配的基础上确定译码方案5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-解：（解：（1 1）根据要求列出存储器地址分配表）根据要求列出存储器地址分配表容量分配容量分配芯片芯片地址范围地址范围4 4KBKB2732-12732-1F8000F8000～～F8FFFHF8FFFH4 4KBKB2732-22732-2F9000F9000～～F9FFFHF9FFFH4 4KBKB2732-32732-3FA000FA000～～FAFFFHFAFFFH4 4KBKB2732-42732-4FB000FB000～～FBFFFHFBFFFH4 4KBKB2732-52732-5FC000FC000～～FCFFFHFCFFFH4 4KBKB2732-62732-6FD000FD000～～FDFFFHFDFFFH4 4KBKB2732-72732-7FE000FE000～～FEFFFHFEFFFH4 4KBKB2732-82732-8FF000FF000～～FFFFFHFFFFFH5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-外译码外译码( (选片选片) )译码译码允许允许译码译码输入输入内译码内译码( (选单元选单元) )A19 A18 A17 A16 A15 A19 A18 A17 A16 A15 A14 A13 A12A14 A13 A12ROM(1)ROM(1)ROM(2)ROM(2)ROM(3)ROM(3)ROM(4)ROM(4)000000～～FFFFFFA11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0A11 A10 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0ROM(5)ROM(5)ROM(6)ROM(6)ROM(7)ROM(7)ROM(8)ROM(8)000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF000000～～FFFFFF( (全全0 0到全到全1)1)0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 1 1 1 1（（2 2）根据要求列出存储器地址分配表）根据要求列出存储器地址分配表5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-(3) (3) 确定译码电路确定译码电路片选译码电路片选译码电路1A12A12A13A13A14A14A15A15A16A16A17A17A18A18A19A191K1KΩΩ+5V+5VC CB BG G2A2AG G1 1A AY0Y0Y1Y1Y2Y2Y3Y3Y4Y4Y5Y5Y6Y6Y7Y7F8000F8000～～F8FFFHF8FFFHF8000F8000～～F8FFFHF8FFFHFA000FA000～～FAFFFHFAFFFHFB000FB000～～FBFFFHFBFFFHFC000FC000～～FCFFFHFCFFFHFD000FD000～～FDFFFHFDFFFHFE000FE000～～FEFFFHFEFFFHFF000FF000～～FFFFFHFFFFFH74LS138&G G2B2BIO/MIO/M5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-(4) (4) 存储器电路存储器电路1A12A13A14A16A15WAITIO/MA17A18A191kΩY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7ABCG2AG2BG174LS138+5VA0～～A11273232K×8bitD0～～D7CSCSOECSRDCSCSCSCSCS&5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5- 解：解：该例该例SRAMSRAM芯片字长不足芯片字长不足8 8位位, ,需用需用2 2个芯片为一组个芯片为一组进行位扩展后，再进行字扩展。

进行位扩展后，再进行字扩展芯片组芯片组位分配位分配地址范围地址范围A19 A18 A17 A16A15A14A13 A12 ～ A00#0#、、2#2# 1 0 0 1 0 0 0 0000～1FFFH90000～91FFFH1#1#、、3#3# 1 0 0 1 0 0 10000～1FFFH92000～93FFFH 例例5.25.2 试用试用8 8K K×4 4位的位的SRAMSRAM芯片为某芯片为某80888088微机系统构微机系统构成一个成一个1616KBKB的的RAMRAM存储器，存储器，RAMRAM的起始地址为的起始地址为9000090000H H1)(1)列出各芯片组的地址范围和存储器地址位分配列出各芯片组的地址范围和存储器地址位分配5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5- (2) (2) 用门电路译码来产生用门电路译码来产生2 2个芯片组的片选信号字个芯片组的片选信号字位扩展设计如下：位扩展设计如下：5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计 用用8K×4位芯片构成的位芯片构成的16KB存储器存储器 A0～～A12 CS D0～～D3 WE8K×4位位(1#) A0～～A12 CS D0～～D3 WE8K×4位位(2#) A0～～A12 CS D0～～D3 WE8K×4位位(0#)&WRD4～～D7413A0～～A12A19A18A17A16A15A14 A0～～A12 CS D0～～D3 WE 8K×4位位(3#)D0～～D34≥1≥1A13IO/M5- 例例5.3 5.3 试用试用1616K K×8 8位的位的SRAMSRAM芯片为某芯片为某80868086微机系统设计微机系统设计一个一个256256KBKB的的RAMRAM存储器系统，存储器系统，RAMRAM的起始地址为的起始地址为0000000000H H 。

偶数存储体偶数存储体 奇数存储体奇数存储体芯片芯片A19 A18 A17 A16 A15A14 ～～ A1A0芯片芯片A19 A18 A17 A16 A15A14 ～～ A1A000 0 0 0 00000 ～～FFFFH000 0 0 0 00000 ～～FFFFH110 0 0 0 10000 ～～FFFFH010 0 0 0 10000 ～～FFFFH120 0 0 1 00000 ～～FFFFH020 0 0 1 00000 ～～FFFFH130 0 0 1 10000 ～～FFFFH030 0 0 1 10000 ～～FFFFH140 0 1 0 00000 ～～FFFFH040 0 1 0 00000 ～～FFFFH150 0 1 0 10000 ～～FFFFH050 0 1 0 10000 ～～FFFFH160 0 1 1 00000 ～～FFFFH060 0 1 1 00000 ～～FFFFH170 0 1 1 10000 ～～FFFFH070 0 1 1 10000 ～～FFFFH1 解：解：此例要采用双体结构。

这时，两个存储体中各存储此例要采用双体结构这时，两个存储体中各存储芯片的地址位分配如下表所示芯片的地址位分配如下表所示5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-译码方案选择：译码方案选择：※ ※ 独立的地址译码独立的地址译码※ ※ 统一的地址译码统一的地址译码 各存储体使用相同的读各存储体使用相同的读/ /写控制信号，而用写控制信号，而用字节选择信号（字节选择信号（A0A0和和BHEBHE））作译码器的使能控作译码器的使能控制信号 用字节选择信号（用字节选择信号（A0A0和和BHEBHE））与与CPUCPU的读的读/ /写写信号组合产生各存储体的读信号组合产生各存储体的读/ /写信号5.4.3 5.4.3 存储器接口设计存储器接口设计5-5.5 5.5 高速缓存器（高速缓存器（Cache)Cache)基本原理基本原理5.5.1 5.5.1 CacheCache的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理5.5.2 5.5.2 CacheCache与内存的映像关系与内存的映像关系5.5.3 5.5.3 CacheCache的读的读/ /写操作写操作 Cache Cache是为了把由是为了把由DRAMDRAM组成的大容量内存储器都看组成的大容量内存储器都看作是高速存储器而设置的小容量局部存储器作是高速存储器而设置的小容量局部存储器, ,一般由高一般由高速速SRAMSRAM构成。

构成 CacheCache的有效性是利用了程序对存储器的访问在的有效性是利用了程序对存储器的访问在时时间上间上和和空间上空间上所具有的所具有的局部区域性局部区域性 5-5.5.1 5.5.1 CacheCache的基本结构和工作原理的基本结构和工作原理 内存内存置换置换控制器控制器地址地址映象映象机构机构Cache存储器存储器CPU数据总线数据总线地址总线地址总线内存段号内存段号（页号）（页号）页内地址页内地址Cache页号页号命中命中?YNCache存储器结构存储器结构5-5.5.2 5.5.2 CacheCache与内存的映像关系与内存的映像关系 高速缓存中各页所存的位置与主存中相应页高速缓存中各页所存的位置与主存中相应页的映像关系，决定于对高速缓存的管理策略从的映像关系，决定于对高速缓存的管理策略从原理上，可以把映像关系分为三种方式：原理上，可以把映像关系分为三种方式：Ø 全关联方式全关联方式Ø 直接映射方式直接映射方式Ø 分组关联方式分组关联方式 5-1.1.全关联方式全关联方式5.5.2 5.5.2 高速缓存器与内存的映像方式高速缓存器与内存的映像方式 Cache Cache和内存均分为若干个字节数相同的页。

和内存均分为若干个字节数相同的页内存中的内存中的任一页都可被调入任一页都可被调入CacheCache的任一页中的任一页中，所调入页的页号需全，所调入页的页号需全部存入地址索引机构中寻址时部存入地址索引机构中寻址时, ,需将寻址地址同索引机构需将寻址地址同索引机构中的全部标记地址中的全部标记地址( (页号页号) )进行比较进行比较2.2.直接映射方式直接映射方式 Cache Cache中全部单元被划分成大小固定的页；内存则被中全部单元被划分成大小固定的页；内存则被划分成段划分成段, ,段再被划分成与段再被划分成与CacheCache大小相同的页大小相同的页CacheCache中中的各页只接收内存中相同页号的内容的各页只接收内存中相同页号的内容, ,地址索引机构中存地址索引机构中存放的标记地址是内存的段号放的标记地址是内存的段号寻址操作时只需比较段号，寻址操作时只需比较段号，无需比较页号无需比较页号, ,大大减少了地址比较次数大大减少了地址比较次数3. 3. 分组关联方式分组关联方式 这这种种方方式式是是前前两两种种方方式式的的折折中中：：CacheCache和和内内存存都都分分为为对应的若干组；然后对应的若干组；然后, ,组内直接映射，组间全关联映射。

组内直接映射，组间全关联映射5-5.5.3 5.5.3 高速缓存器的读高速缓存器的读/ /写操作写操作 1.Cache1.Cache的读过程的读过程 CPUCPU将主存地址送往主存、启动主存读的同时，也将主存地址送往主存、启动主存读的同时，也将主存地址送往将主存地址送往CacheCache，，并将主存地址高位部分同存放并将主存地址高位部分同存放在地址映象机构内部的地址标记相比较：在地址映象机构内部的地址标记相比较： ●●若若CPUCPU要访问的地址单元在要访问的地址单元在CacheCache中中( (命中命中) )，，CPUCPU只读只读CacheCache，，不访问主存；不访问主存； ● ●若不在若不在( (未命中未命中) )，这时就需要从主存中访问，这时就需要从主存中访问, ,同同时把与本次访问相邻近的一页内容复制到时把与本次访问相邻近的一页内容复制到CacheCache中，并中，并在地址映象机构中进行标记在地址映象机构中进行标记 5-2. Cache2. Cache的写过程的写过程5.5.3 5.5.3 高速缓存器的读高速缓存器的读/ /写操作写操作 CacheCache的的写写操操作作与与读读操操作作有有很很大大的的不不同同，，这这是是因因为为在在具具有有CacheCache的的系系统统中中，，同同一一个个数数据据有有两两个个拷拷贝贝，，一一个个在在主主存存，，一一个个在在CacheCache中中。

因因此此，，当当对对CacheCache的的写写操操作作命命中中时时，，就就会会出出现现如如何何使使CacheCache与与主主存存内内容容保保持持一一致致的的问问题题针针对对这一情况，通常有如下几种解决方法这一情况，通常有如下几种解决方法: : Ø 通写通写( (Write-Through)Write-Through)法法Ø 回写回写( (Write-Back)Write-Back)法法 Ø 只写主存只写主存5-(1) (1) 通写通写( (Write-Through)Write-Through)法法  通写法通写法  回写法回写法   只写主存只写主存 每次写入每次写入CacheCache时，同时也写入主存，使主时，同时也写入主存，使主存与存与CacheCache相关页内容始终保持一致相关页内容始终保持一致 CacheCache的的写过程写过程5.5.3 5.5.3 高速缓存器的读高速缓存器的读/ /写操作写操作Ø优优点点：：简简单单，，能能保保持持主主存存与与CacheCache副副本本的的一一致致性性，，CacheCache中中任任意意页页的的内内容容都都可可被被随随时时置置换换，，决决不不会会造造成成数数据据丢丢失失的的错错误；误；Ø缺缺点点：：每每次次CacheCache写写插插入入慢慢速速的的访访主主存存操作，影响工作速度。

操作，影响工作速度5-(2) (2) 回写法回写法 每每次次只只是是暂暂时时将将数数据据写写入入CacheCache，，并并用用标标志将该页加以注明志将该页加以注明 当当CacheCache中中任任一一页页数数据据被被置置换换时时，，只只要要在在它它存存在在期期间间发发生生过过对对它它的的写写操操作作, ,那那么么在在该该页页被被覆覆盖盖之之前前必必须须将将其其内内容容写写回回到到对对应应主主存存位位置中去；置中去； 如如果果该该页页内内容容没没有有被被改改写写, ,则则其其内内容容可可以以直接淘汰，不需回写直接淘汰，不需回写 这种方法的速度比通写法快这种方法的速度比通写法快, ,但结构要复但结构要复杂的多杂的多, ,而且主存中的页未经随时修改，可能而且主存中的页未经随时修改，可能失效5.5.3 5.5.3 高速缓存器的读高速缓存器的读/ /写操作写操作  通写法通写法  回写法回写法   只写主存只写主存 CacheCache的的写过程写过程5-(3) (3) 只写主存只写主存 这这种种方方法法是是只只将将数数据据写写入入主主存存，，同同时时将将相相应应的的CacheCache页页有有效效位位置置“0 0”，，表表明明此此CacheCache页已失效，需要时再从主存调入。

页已失效，需要时再从主存调入 5.5.3 5.5.3 高速缓存器的读高速缓存器的读/ /写操作写操作  通写法通写法  回写法回写法   只写主存只写主存 CacheCache的的写过程写过程5-5.6 5.6 外存储器外存储器 外存储器是指需要通过设备接口与微机相连的外存储器是指需要通过设备接口与微机相连的存储器，也称辅存主要用作微机系统的后备存储存储器，也称辅存主要用作微机系统的后备存储器，用以存放计算机工作所需要的系统文件、应用器，用以存放计算机工作所需要的系统文件、应用程序、用户程序、文档和数据等，也用作虚拟存储程序、用户程序、文档和数据等，也用作虚拟存储器的硬件支持器的硬件支持 5.6.15.6.1 硬盘硬盘5.6.25.6.2 移动硬盘移动硬盘5.6.35.6.3 U U 盘盘5-5.6.1 5.6.1 硬硬 盘盘 Ø磁盘存储器的记录原理磁盘存储器的记录原理 Ø硬盘存储器的组成原理硬盘存储器的组成原理 Ø硬盘上的信息组织硬盘上的信息组织 硬盘是微机系统中最主要的外存储器，主要硬盘是微机系统中最主要的外存储器，主要用作大容量的后备存储器和虚拟存储器的硬件支用作大容量的后备存储器和虚拟存储器的硬件支持。

持 5-1. 磁盘存储器的记录原理磁盘存储器的记录原理5.6.1 5.6.1 硬硬 盘盘 磁表面存储器记录信息原理图磁表面存储器记录信息原理图磁记录介质磁记录介质载磁体载磁体读电路读电路写电路写电路写数据写数据读数据读数据写线圈写线圈I I读线圈读线圈铁芯铁芯磁化间隙磁化间隙磁头磁头磁盘运动方向磁盘运动方向完成完成“磁磁-电电”转换转换完成完成“电电-磁磁”转换转换5-2. 2. 硬盘存储器的组成原理硬盘存储器的组成原理5.6.1 5.6.1 硬硬 盘盘 主抽主抽组件组件磁磁盘盘片片传动抽传动抽传动传动手臂手臂读写读写磁头磁头前置控前置控制电路制电路主主机机硬硬盘盘控控制制器器硬硬盘盘驱驱动动器器盘盘片片硬盘存储器的基本结构硬盘存储器的基本结构硬硬盘盘机机 硬盘存储器由硬盘驱动器、硬盘控制器和盘片几硬盘存储器由硬盘驱动器、硬盘控制器和盘片几大部分组成大部分组成: : 温彻斯温彻斯特磁盘特磁盘 是主机与硬是主机与硬盘驱动器之间的接口盘驱动器之间的接口 5-3. 3. 硬盘上的信息组织硬盘上的信息组织5.6.1 5.6.1 硬硬 盘盘 0 0道道n n道道扇区扇区m m扇区扇区2 2扇区扇区1 1磁盘的磁道和扇区格式示意图磁盘的磁道和扇区格式示意图不同记录面不同记录面上的同一磁上的同一磁道被叫做一道被叫做一个柱面个柱面 扇区的一个扇区的一个磁道通常是磁道通常是磁盘进行读磁盘进行读写的最小信写的最小信息单位息单位 磁盘片是磁存储器的信息记录载体，它的上磁盘片是磁存储器的信息记录载体，它的上下两面都可用于记录信息。

下两面都可用于记录信息 5-5.6.2 5.6.2 移动硬盘移动硬盘 Ø移动硬盘的组成结构移动硬盘的组成结构Ø移动硬盘的接口标准移动硬盘的接口标准 移动硬盘是随着多媒体技术和宽带网络的移动硬盘是随着多媒体技术和宽带网络的发展，人们对移动存储的需求越来越高而发展发展，人们对移动存储的需求越来越高而发展起来的一种便携式、大容量移动存储设备起来的一种便携式、大容量移动存储设备5-1. 移动硬盘的组成结构移动硬盘的组成结构( (a) a) 移动硬盘实物样例移动硬盘实物样例( (b) b) 移动硬盘的内部结构移动硬盘的内部结构硬盘硬盘控制器控制器IDEIDE接口接口 移动硬盘实际上是将硬盘和一些外围控制电路移动硬盘实际上是将硬盘和一些外围控制电路集成在一起，并封装在硬脂塑料外壳内，通过外部接口集成在一起，并封装在硬脂塑料外壳内，通过外部接口与主机相连的一种移动存储设备与主机相连的一种移动存储设备 5.6.2 5.6.2 移动硬盘移动硬盘 5-2. 移动硬盘的接口标准移动硬盘的接口标准 Ø并行接口并行接口ØIEEE1394IEEE1394接口接口ØUSBUSB接口接口5.6.2 5.6.2 移动硬盘移动硬盘 通过并行打印通过并行打印机接口与主机相连。

机接口与主机相连数据传输率较低，数据传输率较低，不支持即插即用功不支持即插即用功能，已被淘汰能，已被淘汰移动硬盘外置接口方式主要有：移动硬盘外置接口方式主要有：支持即插即用功能支持即插即用功能5-5.6.3 5.6.3 Ｕ盘Ｕ盘 U U盘实物样例盘实物样例 U U盘实际上是将盘实际上是将FlashFlash存储器和一些外围控制电路焊接存储器和一些外围控制电路焊接在电路板上，并封装在颜色比较亮丽的半透明硬脂塑料外在电路板上，并封装在颜色比较亮丽的半透明硬脂塑料外壳内的一种小型便携式移动存储器壳内的一种小型便携式移动存储器 5-5.7 5.7 虚拟存储器管理机制虚拟存储器管理机制1.1.段页式管理思想段页式管理思想2.2.虚拟地址向物理地址的转换虚拟地址向物理地址的转换4.Pentium4.Pentium使用使用4 4MBMB页面时的地址定位页面时的地址定位3.3.页部件中的页部件中的TLBTLB结构及原理结构及原理5-1 1、段页式管理思想、段页式管理思想 虚拟地址空间是二维的，而线性地址空间和物理虚拟地址空间是二维的，而线性地址空间和物理地址空间都是一维的。

地址空间都是一维的80486/80486/PentiumPentium存储器分段分页机制示意图存储器分段分页机制示意图段选择符段选择符：：偏移量偏移量虚拟地址虚拟地址15150 031310 0分段机制分段机制线性地址线性地址分页机制分页机制31310 031310 0物理地址物理地址0 01 1CR0CR0的的PGPG位位1,1,分页分页0,0,不分页不分页5.7 5.7 虚拟存储器管理机制虚拟存储器管理机制5-2. 2. 虚拟地址向物理地址的转换虚拟地址向物理地址的转换全局或局部段描述符表全局或局部段描述符表段选择符段选择符TIRPL段内偏移量段内偏移量1364位位段描述符段描述符基址基址32位位段基址段基址+••••••••••••（逻辑地址）（逻辑地址）线性地址线性地址页目录索引页目录索引 页表项索引页表项索引 页内偏移量页内偏移量页目录表页目录表页目录项页目录项全局或局部描全局或局部描述符表寄存器述符表寄存器10CR332位位×210 =4KB页表页表••••••页表项页表项1032位位×210 =4KB物理地址物理地址2 2级级页页表表机机构构311212110203122 2112 110[共共214×232=246=64TB]32位位……1532 10310:动画演示动画演示5-3.3.页部件中的页部件中的TLBTLB结构及原理结构及原理 Pentium Pentium使用使用4 4KBKB分页时，采用两级页表机构节省了内分页时，采用两级页表机构节省了内存，但处理器进行地址变换时，需访问两级页表，从而降存，但处理器进行地址变换时，需访问两级页表，从而降低了地址变换速度。

为此低了地址变换速度为此, ,PentiumPentium在页部件中设置了一个在页部件中设置了一个转换后援缓冲器转换后援缓冲器TLBTLB TLBTLB是一个可容纳是一个可容纳3232个页表项的高速个页表项的高速缓存，它存放着最缓存，它存放着最近访问过的近访问过的3232个页个页面所对应的页表项面所对应的页表项地址转换时，先查地址转换时，先查TLB,TLB,未命中时，再未命中时，再查二级页表查二级页表线性地址位线性地址位3131～～1212页物理地址位页物理地址位3131～～12120131线性地址线性地址31 12 11 031 12 11 0比较比较标记标记页表数据页表数据TLBTLB结构及原理示意图结构及原理示意图5-4. Pentium4. Pentium使用使用4 4MBMB页面时的地址定位页面时的地址定位 0000000001 0000000000000000000010根地址根地址+02000000HCR3页页 目目 录录000H001H002H3FFH3122 210线性地址线性地址(00400002H)线性地址线性地址00400002H在在4MB页中重新定位到页中重新定位到02000002H数数 据据02000000H02000001H02000002H4MB内存页内存页023FFFFFH7 031 022位页内偏移量位页内偏移量10位页目录索引位页目录索引目录项序号目录项序号页基址页基址5.7 5.7 虚拟存储器管理机制虚拟存储器管理机制5-。