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1、 第 3 章 存 儲 器 及 存 儲 系 統(tǒng) 本 章 學(xué) 習(xí) 內(nèi) 容 存 儲 器 的 分 類 及 層 次 結(jié) 構(gòu) 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 的 工 作 原 理 以 及 與 CPU的 連 接 高 速 緩 沖 存 儲 器 Cache的 工 作 原 理 虛 擬 存 儲 器 的 工 作 原 理 3.1 存 儲 體 系 概 述 二 進(jìn) 制 位 （ bit） 是 構(gòu) 成 存 儲 器 的 最 小 單 位 ； 字 節(jié) （ 8bits） 是 數(shù) 據(jù) 存 儲 的 基 本 單 位 。 單 元 地 址 是 內(nèi) 存 單 元 的 唯 一 標(biāo) 志 。 存 儲 器 具 有 兩 種 基 本 的 訪 問 操 作 ： 讀 和 寫 。

2、 存 儲 器 的 分 類 主 存 儲 器 的 性 能 指 標(biāo) 存 儲 器 的 層 次 結(jié) 構(gòu)一二三 一 、 存 儲 器 的 分 類 -主 存 儲 器 主 存 儲 器 ： 又 稱 內(nèi) 存 ， 為 主 機(jī) 的 一 部 分 ， 用 于 存 放 系 統(tǒng) 當(dāng) 前 正在 執(zhí) 行 的 數(shù) 據(jù) 和 程 序 ， 屬 于 臨 時 存 儲 器 。 主 要 由 半 導(dǎo) 體 存 儲 器構(gòu) 成 ， 常 采 用 并 行 方 式 進(jìn) 行 讀 寫 訪 問 。 ROM（ MROM、 PROM、 EPROM、 E2PROM 、 Flash ROM） ： 具有 非 易 失 性 ， 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 成 本 低 等 優(yōu) 點 ， 常

3、用 于 保 存 關(guān)鍵 、 重 要 的 系 統(tǒng) 程 序 ， 如 BIOS； RAM（ SRAM、 DRAM） ： 具 有 易 失 性 ， 可 隨 機(jī) 讀 寫 ， 用 于保 存 臨 時 程 序 與 數(shù) 據(jù) ， 其 中 SRAM與 DRAM相 比 具 有 集 成 度低 、 速 度 快 。 價 格 高 、 不 需 刷 新 等 特 點 ； 常 有 TTL和CMOS兩 種 不 同 的 工 藝 。 Cache（ 一 級 、 二 級 ） ： 具 有 高 速 、 小 容 量 、 成 本 高 的特 點 ， 采 用 高 速 SRAM制 成 ， 具 有 多 級 結(jié) 構(gòu) ， 重 點 掌 握 哈佛 結(jié) 構(gòu) 。 一 、 存

4、 儲 器 的 分 類 -輔 助 存 儲 器 輔 助 存 儲 器 ： 又 稱 外 存 ， 為 外 部 設(shè) 備 ， 用 于 存 放 暫 不用 的 數(shù) 據(jù) 和 程 序 ， 屬 于 永 久 存 儲 器 。 主 要 由 磁 表 面 和激 光 存 儲 器 構(gòu) 成 ， 常 用 串 行 或 串 并 結(jié) 合 （ 直 接 存 取 ）訪 問 。 磁 帶 存 儲 器 ； 磁 盤 （ 軟 、 硬 ） 存 儲 器 ； 激 光 存 儲 器 ： 具 有 容 量 大 、 速 度 慢 、 價 格 低 等 特點 ； 以 上 存 儲 器 若 與 存 儲 器 管 理 軟 件 結(jié) 合 可 構(gòu) 成 虛 擬存 儲 器 。 一 、 存 儲 器

5、 的 分 類 -綜 述 二 、 主 存 儲 器 的 性 能 指 標(biāo) 1、 存 儲 容 量 ： 指 存 儲 器 可 容 納 的 二 進(jìn) 制 信 息 量 ， 描 述 存 儲 容 量 的單 位 是 字 節(jié) 或 位 。 量 化 單 位 ：1K 210 1M 220 1G 230 1T 240 存 儲 器 芯 片 的 存 儲 容 量 (1) 存 儲 單 元 個 數(shù) 每 存儲 單 元 的 位 數(shù) 存 儲 器 芯 片 的 存 儲 容 量 (2) 存 儲 單 元 個 數(shù) 每 存儲 單 元 的 位 數(shù) /8 兆 千 兆 太 二 、 主 存 儲 器 的 性 能 指 標(biāo) 2、 存 儲 速 度 ： 由 以 下 3個

6、方 法 來 衡 量 。 TA 存 取 時 間 （ Memory Access Time） ： 指 啟 動 一 次 存儲 器 操 作 到 完 成 該 操 作 所 需 的 全 部 時 間 。 存 取 時 間 愈短 ， 其 性 能 愈 好 。 通 常 存 取 時 間 用 納 秒 （ ns 10 9s） 為 單 位 。 TM 存 儲 周 期 （ Memory Cycle Time） ： 指 存 儲 器 進(jìn) 行連 續(xù) 兩 次 獨 立 的 存 儲 器 操 作 所 需 的 最 小 間 隔 時 間 。 通 常 存 取 周 期 TM大 于 存 取 時 間 TA ， 即 TM TA BW 存 儲 器 帶 寬 ：

7、是 單 位 時 間 里 存 儲 器 所 能 存 取 的 最大 信 息 量 ， 存 儲 器 帶 寬 的 計 量 單 位 通 常 是 位 /秒 （ bps） 或 字 節(jié) /秒 ， 它 是 衡 量 數(shù) 據(jù) 傳 輸 速 率 的 重 要 技 術(shù) 指標(biāo) 。 BW=字 長 W/存 取 周 期 TM 二 、 主 存 儲 器 的 性 能 指 標(biāo) 3、 存 儲 器 的 價 格 ： 用 每 位 的 價 格 來 衡 量 。 設(shè) 存 儲 器 容 量 為 S， 總 價 格 為 C， 則 位 價 為 C/S(分 /位 )。 它 不 僅 包 含 了 存 儲 元 件 的 價 格 ， 還 包 括 為 該 存儲 器 操 作 服 務(wù)

8、 的 外 圍 電 路 的 價 格 。 4、 可 靠 性 ： 指 存 儲 器 正 常 工 作 （ 正 確 存 取 ） 的 性能 。 5、 功 耗 ： 存 儲 器 工 作 的 耗 電 量 。 存 儲 容 量 、 速 度 和 價 格 的 關(guān) 系 ： 速 度 快 的 存 儲 器 往 往 價 格 較 高 ， 容 量 也 較 小 。 容 量 、 速 度 和 價 格 三 個 指 標(biāo) 是 相 互 制 約 的 。 三 、 存 儲 器 的 層 次 結(jié) 構(gòu)1.分 級 原 理 ： 根 據(jù) 程 序 執(zhí) 行 的 集 中 性 和 局 部 性 原 理 而 構(gòu) 建 的 分 層 結(jié) 構(gòu) 。 信息 流 動 分 規(guī) 律 為 從 低

9、速 、 大 容 量 層 次 向 高 速 、 小 容 量 層 次 流 動， 解 決 速 度 、 價 格 、 價 格 這 三 者 之 間 的 矛 盾 ， 層 次 間 信 息 塊 的調(diào) 度 由 硬 件 和 軟 件 自 動 完 成 ， 其 過 程 對 用 戶 透 明 。2.三 級 存 儲 管 理 系 統(tǒng) ： Cache： 采 用 TTL工 藝 的 SRAM， 哈 佛 結(jié) 構(gòu) ； 采 用 MOS工 藝 的 SRAM， 指 令 與 數(shù) 據(jù) 混 存 ， 其 與 內(nèi) 存 之 間 信 息 塊的 調(diào) 度 （ 幾 十 字 節(jié) ） 全 由 Cache控 制 器 硬 件 完 成 。 主 存 ： ROM常 用 FROM，

10、 E2PROM等 構(gòu) 成 ； RAM常 用 DRAM構(gòu) 成 ， RAM和 ROM采 用 統(tǒng) 一 編 碼 。 虛 存 ： 采 用 磁 盤 存 儲 器 ， 主 存 +OS中 的 存 儲 器 管 理 軟 件 聯(lián) 合 構(gòu) 成 ， 其信 息 塊 常 用 頁 、 段 表 示 ， 其 間 的 信 息 塊 調(diào) 度 由 管 理 軟 件 完 成 。 三 、 存 儲 器 的 層 次 結(jié) 構(gòu) 訪問速度越來越快存儲容量越來越大，每位的價格越來越便宜 由 Cache控 制 器 管 理形 成 Cache層 次由 OS管 理形 成 虛 擬 存 儲 器 層 次 存 儲 器 的 主 要 性 能 特 性 比 較 存 儲 器層 次

11、通 用寄 存 器 Cache 主存 儲 器 磁 盤存 儲 器 脫 機(jī)存 儲 器存 儲 周 期 10ns 10 60ns 60300ns 10 30ms 2 20min存 儲 容 量 512B 8KB2MB 32MB1GB 1GB1TB 5GB10TB價 格 很 高 較 高 高 較 低 低材 料 工 藝 ECL SRAM DRAM 磁 表 面 磁 、 光 等 RAMBUS內(nèi) 存 條DDR 內(nèi) 存 條內(nèi) 存 硬 盤 磁 盤 片磁 頭 馬 達(dá)磁 頭 驅(qū) 動輔 助 電 路硬 盤 優(yōu) 盤優(yōu) 盤 3.2 主 存 儲 器 特 點 ： 主 存 儲 器 可 以 被 CPU直 接 存 取 （ 訪 問 ） 。 一

12、般 由 半 導(dǎo) 體 材 質(zhì) 構(gòu)成 。 隨 機(jī) 存 取 ： 讀 寫 任 意存 儲 單 元 所 用 時 間 是相 同 的 ， 與 單 元 地 址無 關(guān) 。 與 輔 存 相 比 ， 速 度 快， 價 格 高 ， 容 量 小 。 主 存 的 操 作 ： 讀 存 儲 器 操 作 ： 寫 存 儲 器 操 作 ： 3.2 主 存 儲 器 主 存 儲 器 按 其 功 能 可 分 為 RAM和ROM。 隨 機(jī) 存 取 存 儲 器 RAM 只 讀 存 儲 器 ROM一二 一 、 隨 機(jī) 存 取 存 儲 器 RAMMADMAR M D RR/W讀 寫控 制 電 路 Y1Y2 n-1Y0Y2 n-2 MM Bm-1

13、B0An-1A0D m-1D0CSWE 一 、 隨 機(jī) 存 取 存 儲 器 RAM 靜 態(tài) 存 儲 器 （ SRAM）1 動 態(tài) 存 儲 器 （ DRAM）2 SRAM和 DRAM的 對 比3 1、 靜 態(tài) 隨 機(jī) 存 取 存 儲 器 （ SRAM）靜 態(tài) 存 儲 器（ SRAM）（ 1） SRAM存 儲 位 元 （ 2） SRAM存 儲 器（ 3） SRAM存 儲 器 的 特 點 （ 1） SRAM存 儲 位 元 “ 1” 狀態(tài) ： T1截 止 ，T2導(dǎo) 通 “ 0”狀態(tài) ： T2截 止 ，T1導(dǎo) 通 六 管 MOS靜 態(tài) 存 儲 器 結(jié) 構(gòu) （ 2） SRAM存 儲 器 結(jié) 構(gòu)地 址 譯

14、碼 方 式 ： 單 譯 碼 方 式 ：n位 地 址 線 ，經(jīng) 過 一 個 地 址譯 碼 器 譯 碼 后， 形 成 有 2n根選 擇 線 。 （ 2） SRAM存 儲 器 結(jié) 構(gòu) 雙 譯 碼 方 式： n位 地 址線 分 為 行 、列 兩 組 地 址分 別 經(jīng) 兩 個譯 碼 器 譯 碼， 形 成 行 選和 列 選 信 號。 2114 SRAM存 儲 器 芯 片 舉 例 1K 4位 2114地 址 線10根數(shù) 據(jù) 線4根 A9 A0D3 D0CSWE片 選 線寫 使 能 （ 3） SRAM存 儲 器 的 特 點 使 用 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā) 器 表 示 0和 1代 碼 。 在 電 源 不 掉 電 的

15、 情 況 下 ， 信 息 穩(wěn) 定 保 持 （靜 態(tài) ） 。 存 取 速 度 快 ， 集 成 度 低 （ 容 量 小 ） ， 價 格高 。 常 用 作 高 速 緩 沖 存 儲 器 Cache。 （ 4） SRAM存 儲 器 的 讀 寫 過 程 讀 操 作 ： T1： CPU送 出 有 效 地 址 AB 存 儲 器 的 MAR ； T2： CPU根 據(jù) 其 高 位 地 址 信 號 形 成 CS， 啟 動 MAD譯碼 器 ， 選 中 存 儲 單 元 ， 同 時 WE=0有 效 ， 啟 動 讀 過程 ； T3： 經(jīng) Tw延 時 后 ， 所 選 中 的 單 元 內(nèi) 容 MDR DB， 若 數(shù) 據(jù) 未 準(zhǔn)

16、 備 就 緒 ， 則 插 入 Tw等 待 ， 至 數(shù) 據(jù) 穩(wěn)定 輸 出 為 止 ； T4： CS、 WE及 地 址 信 號 取 消 ， 同 時 發(fā) READY有 效， 通 知 CPU讀 操 作 完 成 。 （ 4） SRAM存 儲 器 的 讀 寫 過 程 寫 操 作 ： T1： CPU送 出 有 效 地 址 AB 存 儲 器 的 MAR ； 同 時 CPU送 出 待 寫 數(shù) 據(jù) 內(nèi) 容 DB； T2： CPU根 據(jù) 其 高 位 地 址 信 號 形 成 CS ， 啟 動譯 碼 器 MAD， 選 中 存 儲 單 元 ， 同 時 將 DB 存 儲器 的 MDR， WE=1有 效 ， 啟 動 寫 過

17、程 . T3： 經(jīng) Tw寫 數(shù) 時 間 后 ， 將 MDR內(nèi) 容 寫 入 所 選 單元 ， 若 未 穩(wěn) 定 寫 入 ， 則 插 入 Tw， 直 至 穩(wěn) 定 寫 入； T4： 撤 銷 CS、 WE、 地 址 、 數(shù) 據(jù) 等 信 號 ， 發(fā)READY， 通 知 CPU寫 數(shù) 據(jù) 完 成 。CS 2、 動 態(tài) 存 儲 器 （ DRAM）（ 4）（ 3）（ 2） （ 1） DRAM存 儲 位 元DRAM存 儲 器DRAM的 刷 新 方 式 DRAM存 儲 器 的 特 點 （ 1） DRAM存 儲 位 元 “ 1” 狀 態(tài) ： 電 容 C上有 電 荷 “ 0” 狀 態(tài) ： 電 容 C上無 電 荷 再 生

18、 ： 讀 出 后 信 息 可能 被 破 壞 ， 需 要 重 寫。 刷 新 ： 經(jīng) 過 一 段 時 間后 ， 信 息 可 能 丟 失 ，需 要 重 寫 。 單 管 MOS動 態(tài) 存 儲 器 結(jié) 構(gòu) （ 2） DRAM存 儲 器 4M 4位 的 DRAM DRAM的 讀 /寫 過 程 （ 3） DRAM的 刷 新 方 式 刷 新 周 期 ： 對 整 個 DRAM全 部 刷 新 一 遍 的 時 間 ， 即DRAM允 許 的 最 大 信 息 保 持 時 間 。 有 2ms;4ms;8ms三 種 規(guī) 格 ， 一 般 為 2ms。 刷 新 操 作 ： 采 用 分 行 刷 新 ， 即 是 按 行 來 執(zhí) 行

19、 內(nèi) 部 的 刷 新 操作 。 由 刷 新 計 數(shù) 器 產(chǎn) 生 行 地 址 ， 選 擇 當(dāng) 前 要 刷 新 的行 。 由 讀 操 作 完 成 刷 新 ， 讀 即 刷 新 。 刷 新 一 行 所 需時 間 即 是 一 個 存 取 周 期 Tm。 刷 新 方 式 ： 集 中 式 刷 新 、 分 散 式 刷 新 和 異 步 式 刷新 。 集 中 式 刷 新 ：例 ： 16K 1位 DRAM芯 片 中 ， 存 儲 電 路 128 128的 存儲 矩 陣 組 成 。 設(shè) 存 儲 器 存 取 周 期 為 500ns， 單 元 刷新 間 隔 是 2ms。 在 2ms單 元 刷 新 間 隔 時 間 內(nèi) ， 集

20、 中 對 128行 刷 新 一遍 ， 所 需 時 間 128 500ns=64 s， 其 余 時 間 則 用于 正 常 訪 問 （ R/W） 操 作 。 在 內(nèi) 部 刷 新 時 間 （ 64 s） 內(nèi) ， 不 允 許 訪 存 ， 這 段時 間 被 稱 為 死 時 間 。Tm 分 散 式 刷 新 在 任 何 一 個 存 儲 周 期 內(nèi) ， 分 為 訪 存 和 刷 新 兩 個 子周 期 。 在 訪 存 周 期 內(nèi) ， 供 CPU等 部 件 正 常 訪 問 。 在 刷 新 周 期 內(nèi) ， 對 DRAM的 某 一 行 刷 新 。 存 儲 周 期 為 存 儲 器 存 取 周 期 Tm的 兩 倍 ， 即

21、1 s 500ns 2。 刷 新 次 數(shù) 增 多 ， 為 2ms/1 s 2000。 在 2ms的 單元 刷 新 間 隔 時 間 內(nèi) ， 對 DRAM刷 新 了 2000遍 。Tm 異 步 式 刷 新 采 取 折 中 的 辦 法 ， 在 2ms內(nèi) 分 散 地 把 各 行 刷新 一 遍 。 避 免 了 分 散 式 刷 新 中 不 必 要 的 多 次 刷 新 ， 提 高 了 整 機(jī)速 度 ； 同 時 又 解 決 了 集 中 式 刷 新 中 “ 死 區(qū) ” 時 間 過 長 的問 題 。 刷 新 信 號 的 周 期 為 2ms/128=15.625 s。 讓 刷 新 電 路 每隔 15.625 s產(chǎn)

22、生 一 個 刷 新 信 號 ， 刷 新 一 行 。異 步 式 刷 新 Tm （ 4） DRAM存 儲 器 的 特 點 利 用 半 導(dǎo) 體 器 件 中 MOS管 極 間 電 容 上 有 無 電 荷 來 記憶 “ 0”和 ”1”代 碼 。 在 電 源 不 掉 電 的 情 況 下 ， 信 息 也 會 丟 失 ， 因 此 需 要不 斷 刷 新 。 存 取 速 度 慢 ， 集 成 度 高 （ 容 量 大 ） ， 價 格 低 。 常 用 作 內(nèi) 存 條 。 3、 SRAM和 DRAM的 對 比比 較 內(nèi) 容 SRAM DRAM存 儲 信 息 0和 1的方 式 雙 穩(wěn) 態(tài) 觸 發(fā)器 極 間 電 容 的 充

23、放電電 源 不 掉 電 時 信 息 穩(wěn) 定 信 息 會 丟 失刷 新 不 需 要 需 要集 成 度 低 高容 量 小 大價 格 高 低速 度 快 慢適 用 場 合 Cache 主 存 二 、 只 讀 存 儲 器 ROM MROM PROM EPROM E2PROM Flash ROM 幾 種 非 易 失 性 存 儲 器 的 比 較 存 儲 器 類 別 擦 除 方 式 能 否 單字 節(jié) 修改 寫 機(jī) 制MROM 只 讀 不 允 許 否 掩 膜 位 寫PROM 寫 一 次 讀 多 次 不 允 許 否 電 信 號EPROM 寫 多 次 讀 多 次 紫 外 線 擦 除， 脫 機(jī) 改 寫 否 電 信 號

24、E2PROM 寫 多 次 讀 多 次 電 擦 除 ， 在線 改 寫 能 電 信 號Flash Memory 寫 多 次 讀 多 次 電 擦 除 ， 在線 改 寫 否 電 信 號 3.3 主 存 儲 器 的 擴(kuò) 展 背 景 知 識 存 儲 芯 片 簡 介 存 儲 器 容 量 擴(kuò) 展 的 三 種 方 法 主 存 儲 器 與 CPU的 連 接一二三 一 、 背 景 知 識 存 儲 芯 片 簡 介 存 儲 芯 片 的 引 腳 封 裝 二 、 存 儲 器 容 量 擴(kuò) 展 的 三 種 方 法3、字 位 擴(kuò) 展2、字 擴(kuò) 展 1、位 擴(kuò) 展 從 字 長 和 字 數(shù) 方 向 擴(kuò) 展從 字 長 方 向 擴(kuò) 展從

25、 字 數(shù) 方 向 擴(kuò) 展 RAMBUS內(nèi) 存 條DDR 內(nèi) 存 條內(nèi) 存 1、 位 擴(kuò) 展 位 擴(kuò) 展 的 作 用 ： 利 用 多 片 短 字 長 芯 片 構(gòu) 成 規(guī) 定 字 長 模 塊 ， 以 增 加 帶 寬BW。 擴(kuò) 展 要 點 ： （ 1） 各 芯 片 的 地 址 線 A0 An-1 、 讀 寫 控 制 信 號 WE、片 選 信 號 CS分 別 對 應(yīng) 并 聯(lián) 后 引 出 ； （ 2） 各 芯 片 的 數(shù) 據(jù) 線 D0 Dm-1獨 立 引 出 ， 分 別 作 為 所擴(kuò) 展 的 存 儲 器 的 高 若 干 位 和 低 若 干 位 。 1、 位 擴(kuò) 展 例 1-要 求 ： 用 16K 8位

26、的 SRAM芯 片 16K 16位的 SRAM存 儲 器 16K*8SRAM0A0 -A1 3 CSWE 16K*8SRAM1A0 -A1 3 CSWED7-D0 D7-D0 CSWEA13A0D1 5D0 2、 字 擴(kuò) 展 字 擴(kuò) 展 方 法 的 作 用 ： 利 用 片 選 線 擴(kuò) 展 存 儲 器 模 塊 的 字 節(jié) 容 量 。 字 擴(kuò) 展 方 法 的 要 點 ： （ 1） 各 芯 片 的 數(shù) 據(jù) 線 D0 Dm-1、 讀 寫 控 制 信 號 WE分 別 對應(yīng) 并 聯(lián) 后 引 出 ； （ 2） 各 存 儲 器 芯 片 的 地 址 線 A0 An-1分 別 對 應(yīng) 并 聯(lián) 后 引出 ； （ 3

27、） 各 存 儲 器 芯 片 的 片 選 線 CS獨 立 引 出 后 分 別 接 CPU的高 位 地 址 經(jīng) 譯 碼 后 的 譯 碼 信 號 ， 用 于 擴(kuò) 展 芯 片 數(shù) 目 。 2、 字 擴(kuò) 展 例 2-要 求 ： 用 16K 16位 的 SRAM芯 片 128K 16位的 SRAM存 儲 器 例 3-要 求 ： 用 128K 16位 的 SRAM模 塊 1M 16位 的 SRAM存 儲 器 . 3、 字 位 擴(kuò) 展 （ 全 擴(kuò) 展 ） ： 全 擴(kuò) 展 方 法 的 作 用 ： 利 用 位 擴(kuò) 展 、 字 擴(kuò) 展 混 合 使 用 的 方 式 進(jìn) 行 全 擴(kuò) 展， 組 成 符 合 要 求 的 存

28、 儲 器 模 塊 。 全 擴(kuò) 展 方 法 的 要 點 ： 先 位 擴(kuò) 展 ， 再 字 擴(kuò) 展 3、 字 位 擴(kuò) 展 （ 全 擴(kuò) 展 ） ： 需 擴(kuò) 展 的 存 儲 器 容 量 為 M N位 , 已 有 芯 片 的 容 量為 L K位 (LM,K輔 存 （ 虛 存 ） 地 址 ； 用 戶 編程 時 使 用 虛 址 。 實 地 址 （ 物 理 地 址 ） 主 存 （ 內(nèi) 存 、 實 存 ） 地 址 ；CPU訪 問 內(nèi) 存 時 使 用 實 址 。 虛 實 地 址 的 轉(zhuǎn) 換 過 程 ： 用 戶 以 虛 址 編 程 ， 并 存 放 于 輔 存 ， 程 序 運 行 時 CPU以 虛 址 訪 問 主 存

29、查 表 （ 段 、 頁 表 ） ， 在 則 虛 /實 地址 轉(zhuǎn) 換 ， 訪 問 主 存 ； 不 在 則 按 虛 址 訪 問 輔 存 ， 調(diào) 至 主存 ， 修 改 表 中 表 目 ， 然 后 訪 問 主 存 。 3.虛 存 與 緩 存 的 比 較 ： 首 先 它 們 分 屬 于 二 個 不 同 的 存 儲 層 次 相 同 點 ： 空 間 劃 分 為 塊 ， 以 便 于 管 理 。 信 息 塊 自 動 地 由 低 速 層 次 向 高 速 層 次 調(diào) 動 和 流 動 。 調(diào) 度 時 均 采 用 相 同 的 替 換 策 略 ， 即 新 塊 淘 汰 最 不 活 躍的 舊 塊 ， 并 遵 循 一 定 的

30、映 射 關(guān) 系 。 3.虛 存 與 緩 存 的 比 較 ： 不 同 點 ： cache用 于 彌 補 主 存 CPU之 間 的 速 度 差 距 ， 而 虛 存則 用 于 彌 補 主 存 的 容 量 差 距 。 cache的 信 息 塊 為 幾 十 字 節(jié) ， 而 虛 存 則 有 頁 、 段 等劃 分 ， 其 大 小 為 幾 百 幾 百 K字 節(jié) 。 cache的 速 度 比 主 存 快 5 10倍 ， 而 虛 存 則 慢 1001000倍 。 CPU與 主 存 ， cache間 有 直 接 訪 問 通 道 ， 而 虛 存 則 無。 cache的 信 息 塊 存 取 ， 地 址 變 換 ， 替

31、換 等 操 作 均 由硬 件 實 現(xiàn) ， 而 虛 存 則 基 本 上 由 OS中 的 存 儲 管 理 模 塊 軟件 加 以 實 現(xiàn) 。 虛 擬 存 儲 器 的 實 現(xiàn) 方 式 有 三 種 ： 段 式 、 頁 式 或 段 頁 式 二 .頁 式 虛 擬 存 儲 器 頁 式 虛 存 （ 采 用 頁 表 管 理 的 ， 以 頁 為 信 息 傳 送 單 位 的虛 擬 存 貯 器 ） 1.頁 與 頁 表 頁 的 劃 分 ： 主 、 虛 存 均 劃 分 成 大 小 相 同 的 若 干 頁 ，512-幾 k字 節(jié) 實 存 的 訪 問 地 址 =實 地 址 （ 實 頁 號 p | 頁 內(nèi) 地 址 d） ；虛 存

32、 的 訪 問 地 址 =虛 地 址 （ 虛 頁 號 P | 頁 內(nèi) 地 址 D） ；一 般 來 說 ， 虛 頁 號 P實 頁 號 p 頁 表 ： 記 錄 虛 、 實 頁 號 對 應(yīng) 關(guān) 系 的 表 (Page Table) 頁 表 的 格 式 與 內(nèi) 容 ： 頁 表 以 虛 頁 號 為 表 內(nèi) 相 對 地 址 ；頁 表 以 實 頁 號 ， 裝 入 位 ， 修 改 位 等 為 表 內(nèi) 記 錄 內(nèi) 容 。 頁 表 的 單 元 數(shù) = 虛 頁 數(shù) ； 記 錄 的 字 長 = 實 頁 號 + 裝 入 位 + 修 改 位 + 替 換 控制 位 。 二 .頁 式 虛 擬 存 儲 器 2. 頁 表 的 建

33、立 ： 根 據(jù) 程 序 運 行 情 況 由 存 儲 管 理 軟 件 自 動 建 立 ； 每一 程 序 分 配 一 張 頁 表 ， 并 存 放 于 內(nèi) 存 中 的 固 定 區(qū) 域 ，頁 表 的 起 始 地 址 由 基 址 寄 存 器 指 定 ， 其 過 程 對 用 戶 而言 透 明 。 快 表 與 慢 表 ： 快 表 存 放 于 cache中 的 頁 表 部 分 復(fù) 本 ； 慢 表 存 放 于 主 存 中 的 頁 表 。 快 表 的 引 入 有 利 于 加 快 查 表 速 度 。 二 .頁 式 虛 擬 存 儲 器 3.頁 式 虛 存 的 虛 -實 地 址 變 換 過 程 ： 其 變 換 由 軟

34、件 根 據(jù) 頁 表 進(jìn) 行 將 頁 表 的 首 址 基 址 寄 存 器 ； 基 址 寄 存 器 內(nèi) 容 +虛 址 中 的 虛 頁 號 P， 形 成 頁 表 索 引 。 由 頁 表 索 引 查 頁 表 。 若 裝 入 位 = 0， 則 訪 虛 存 后 調(diào) 入 主 存 ， 修 改 表 目 ； 若 裝 入 位 = 1， 取 出 實 頁 號 p； 實 頁 號 p + 虛 址 中 的 頁 內(nèi) 地 址 D(d)形 成 主 存 實 地 址， 訪 問 主 存 。 虛 1頁虛 3頁虛 4頁虛 2頁輔 存頁 表 （ 存 放 于 內(nèi) 存 ）主 存0000 H1000 H1400 H1800 H1C00 H2000

35、H 虛 1頁實 6頁 虛 頁虛 3頁實 8頁虛 4頁實 7頁 實 頁 號 裝 入 位 修 改 位 替 換 控 制 位0 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0頁 表 首 址 1234 6 1587 111 虛 頁虛 2頁實 5頁 虛 4頁虛 頁1.CPU給 出 虛 地 址 ： （ 虛 頁 號 P=1 頁 內(nèi) 地 址 D=0）2.形 成 頁 表 索 引 ： 基 址 寄 存 器 （ 頁 表 首 址 ） +虛 頁 號 P3.按 索 引 查 頁 表 ： 讀 記 錄 中 的 裝 入 位 ， 并 判 斷 =1？ 命 中 -CPU則 根 據(jù) (記 錄 中 的 實 頁 號 p+D,

36、即 p+d)訪 問 內(nèi) 存 ； 不 命 中 - CPU直 接 根 據(jù) 虛 址 (虛 頁 號 P=1 頁 內(nèi) 地 址 D=0)訪 問 輔 存 ， 調(diào) 入 該 頁 內(nèi) 存 ， 同 時 修 改 頁 表 中 的 相 應(yīng) 記 錄 ?；?址 寄 存 器 三 .段 式 虛 擬 存 儲 器 段 式 虛 存 （ 采 用 段 表 管 理 的 ， 以 段 為 信 息 傳 送 單位 的 虛 擬 存 貯 器 ） 1.段 與 段 表 段 的 劃 分 ： 段 隨 程 序 的 邏 輯 結(jié) 構(gòu) ， 每 段 存 放 一 程 序功 能 模 塊 （ 例 過 程 ， 子 程 序 ） 。 將 其 作 為 一 整 體 進(jìn) 行傳 送 與 維

37、 護(hù) ， 段 內(nèi) 地 址 各 自 從 0開 始 ， 每 段 可 裝 入 內(nèi) 存的 任 意 位 置 。 故 編 程 時 可 仍 按 虛 存 空 間 編 址 。 段 表 ： 段 的 虛 -實 地 址 的 映 象 （ 對 應(yīng) ） 關(guān) 系 表 ， 存放 于 內(nèi) 存 。 段 表 的 格 式 與 內(nèi) 容 ： 段 表 以 段 號 為 表 內(nèi) 相 對 地 址 ； 段 表 以 段 起 點 、 段 長 、 裝 入 位 、 修 改 位 ， 替 換 控 制 位等 為 內(nèi) 容 的 表 。 三 .段 式 虛 擬 存 儲 器 2. 段 表 的 建 立 ： 段 表 由 OS中 的 存 儲 管 理 軟 件 設(shè) 置 ， 存 放于

38、 主 存 ， 其 表 的 首 址 由 基 址 寄 存 器 指 定 ， 隨 著 程 序 的 調(diào)入 和 執(zhí) 行 逐 步 建 立 。 3. 段 式 虛 存 的 虛 /實 地 址 變 換 過 程 ： CPU給 出 虛 址 = | 基 號 b | 段 號 s | 段 內(nèi) 地 址 d | 按 虛 址 中 的 基 號 查 基 址 寄 存 器 內(nèi) 容 得 段 表 的 起 始 地 址S0 S0 + 虛 址 中 的 段 號 形 成 段 表 索 引 查 段 表 ， 若命 中 ， 取 表 內(nèi) 記 錄 中 的 段 起 點 （ 段 的 實 存 起 始 地 址 ） 。 段 的 起 點 + 虛 址 中 的 段 內(nèi) 地 址 主

39、 存 實 地 址 訪問 主 存 。 程 序 2程 序 3程 序 4程 序 1輔 存段 表 （ 存 放 于 內(nèi) 存 ）主 存0000 H1000 H3000 H6000 H9800 HA000 H 程 序 1程 序 2程 序 3程 序 4 段 的 起 點 段 長 裝 入 位 修 改 位 替 換 控 制 位0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 00 0 0 0 0段 表 首 址 1234 3000 H 12K 11000 H9800 H6000 H 8K2K14K 111 程 序程 序程 序程 序1.CPU給 出 地 址 ： 虛 址 （ 段 號 S=1 段 內(nèi) 地

40、址 d=0）2.形 成 段 表 索 引 ： 基 址 寄 存 器 （ 段 表 首 址 ） +段 號 S3.按 索 引 查 段 表 ： 讀 記 錄 中 的 裝 入 位 ， 并 判 斷 =1？ 命 中 -CPU則 根 據(jù) (記 錄 中 段 的 起 點 +d)訪 問 內(nèi) 存 ； 不 命 中 - CPU直 接 根 據(jù) 虛 址 ( 段 號 S 段 內(nèi) 地 址 d ) 訪 問 輔 存 ， 調(diào) 入 該 段 內(nèi) 存 ， 修 改 段 表 相 應(yīng) 記 錄 。 四 .段 頁 式 虛 存 采 用 段 、 頁 表 共 同 管 理 ， 以 頁 為 信 息 傳 送 單 位 ，以 段 作 為 共 享 與 保 護(hù) 的 整 體 的

41、 虛 擬 存 儲 器 1.空 間 劃 分 ： 虛 存 中 的 程 序 按 功 能 模 塊 分 段 （ 由 段 表管 理 ） =每 段 （ 程 序 功 能 模 塊 ） 分 頁 （ 由 頁 表 管 理 ） 地 址 劃 分 ： （ 基 號 b | 段 號 S | 頁 號 P| 頁 內(nèi) 地 址 d） 該 邏 輯 地 址 來 自 CPU 2.段 頁 式 虛 存 的 虛 /實 地 址 變 換 過 程 段 頁 式 虛 存 的 虛 /實 地 址 變 換 過 程 ： 段 頁 式 虛 擬 存 儲 器 段 頁 式 虛 擬 存 儲 器 中 邏 輯 地 址 與 物 理 地 址 的 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 系 本 章 小 結(jié) 主 存

42、 的 主 要 性 能 指 標(biāo) 、 主 存 的 分 類 半 導(dǎo) 體 存 儲 器 可 分 為 兩 大 類 ： 隨 機(jī) 讀 寫 存 儲 器 和 只讀 存 儲 器 。 隨 機(jī) 讀 寫 存 儲 器 分 為 兩 種 ： 靜 態(tài) 隨 機(jī) 讀寫 存 儲 器 SRAM和 動 態(tài) 隨 機(jī) 讀 寫 存 儲 器 DRAM。 主 存 位 擴(kuò) 展 、 字 擴(kuò) 展 和 字 位 擴(kuò) 展 的 方 法 及 與 CPU的連 接 是 學(xué) 習(xí) 存 儲 器 的 重 點 之 一 提 高 主 存 速 度 的 各 種 方 法 也 是 存 儲 體 系 一 章 的 重 點 高 速 緩 存 Cache的 原 理 、 Cache的 命 中 率 、 Cache的替 換 算 法 、 主 存 地 址 與 Cache的 地 址 映 射 方 式 （ 直接 映 射 、 全 相 聯(lián) 映 射 、 組 相 聯(lián) 映 射 ） 。 本 章 簡 要 介 紹 了 虛 擬 存 儲 器 的 工 作 原 理 。 Thank you!