微机原理课件存储管理和高速缓存技术.

第4章存储器、存储管理和高速缓存技术4.1存储器和存储器件4.1.1存储器的分类存储器根据用途和特点可以分为两大类：(1)内部存储器，简称为内存或主存•快速存取•容量受限制(2)外部存储器，简称为外存•容量大•速度慢半导体存储器的分类双极型RAM随机存储器(RAM)SRAMMOS型RAMDRAMPROM只读存储器(ROM)EPROMEEPROM主存储器4.1存储器和存储器件4.1.2微型计算机内存的行列结构•字节为基本单位•常用单位有KB、MB、GB和TB•1KB＝1024B•1MB＝1024KB•1GB＝1024MB•1TB＝1024GB32行×32列矩阵和外部的连接4.1存储器和存储器件4.1存储器和存储器件4.1.3选择存储器件的考虑因素①易失性②只读性③存储容量④速度⑤功耗4.1.4随机存取存储器RAM主要特点:既可读又可写分类：RAM按其结构和工作原理分为：•静态RAM即SRAM•动态RAM即DRAMSRAM和DRAMSRAM•速度快•不需要刷新•片容量低•功耗大DRAM•片容量高•需要刷新•刷新的方法•DRAM控制器功能：①时序功能②地址处理功能③仲裁功能DRAM控制器的原理图4.1.5只读存储器ROMROM的特点：•只许读出•不许写入ROM器件的优点：•结构简单，所以位密度高。•具有非易失性，所以可靠性高ROM的分类根据信息的设置方法，ROM分为5种：•掩膜型ROM•MOS型•双极型•可编程只读存储器PROM•可擦除可编程只读存储器EPROM•可用电擦除的可编程只读存储器E2PROM•闪烁存储器（flashmemory）闪烁存储器的特点：•非易失性•可靠性•高速度•大容量•擦写灵活性4.2存储器在系统中的连接4.2.1存储器和CPU的连接考虑①高速CPU和较低速度存储器之间的速度匹配问题。Tw②CPU总线的负载能力问题。总线驱动器③片选信号和行地址、列地址的产生机制。片选字选•存储器的寻址方法•存储器芯片与CPU地址总线连接时，要根据内存的地址分配连接，以实现CPU在某一时刻只能唯一地选中某一内存单元，这称为寻址。•要完成寻址功能必须进行两种选择：首先要选择存储器芯片，这称为片选。•然后再从该芯片中选择出某一存储单元，这称为字选。片选字选4.2存储器在系统中的连接4.2.2存储器芯片片选信号的构成方法：•全译码法•部分译码法•线选法线选法D0~D7CPUA0~A9A10A11D0~D71KBROM___CEA0~A9D0~D71KBRAM___CEA0~A9•特点•简单•地址可能重叠•地址不连续D0~D7CPUA0~A9A11D0~D71KBROM___CEA0~A9D0~D71KBRAM___CEA0~A9•部分译码法译码器•特点•地址重叠•地址连续•全译码法D0~D7CPUA0~A9A11D0~D71KBROM___CEA0~A9D0~D71KBRAM___CEA0~A9译码器A10A12A13A14A15•特点•地址唯一,不重叠•地址连续SRAM的连接举例图16Kb×8静态RAM模块存储模块总线驱动器及外围电路数据总线驱动器地址总线驱动器4个芯片的数据端并接低电平，写入高电平，读出4.2.3DRAM和DRAM控制器的使用举例动态RAM控制器8203和2164的连接关系64K×1b,行地址与列地址共用引脚行地址选通信号列地址选通信号写信号DRAM控制器片选读/写周期开始读：数据有效写：已完成写操作外部刷新请求信号，可从外部控制刷新定时。引入时钟信号4.2.4存储器的扩充在微机系统中，需要的存储器容量常常比单个芯片的容量大，所以需要扩充：（1）存储器容量的扩充体现在两方面：•数据宽度的扩充•字节数的扩充（2）数据宽度扩充和字节数扩充的方法4.2.4存储器的扩充•数据宽度的扩充：当使用的存储器芯片单元数目符合要求，但每单元的位数较少时，需要进行这种扩充。例如，使用(1K×1)扩充1KB存储系统，就需要进行位扩充。4.2.4存储器的扩充•例：用2012(1k×1位)组成1K×8位RAM2012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCSD02012A0~A9D0WRCSD02012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCS2012A0~A9D0WRCSD7┇D04.2.4存储器的扩充•数据宽度扩充的方法•各芯片的数据线分别接到数据总线的各位上•各芯片的地址线并接在一起，连到相应的地址总线各位；•各芯片的控制线并接在一起，连到相应的控制线上4.2.4存储器的扩充•练习：用2114(1k×4位)组成1K×8位RAM2114A0~A9D0~D3WRCSD7┇D02114A0~A9D0~D3WRCS2114A0~A9D0~D3WRCS4.2.4存储器的扩充•扩充存储器的字节容量：当使用的存储器芯片位数符合要求，但单元数目较少时，需要进行这种扩充。例如，使用6264(8K*8)扩充24KB存储系统，就需要进行字扩充。选择以下芯片，将其扩充为24KBD0～7CEA0～12R/WD0～7CEA0～12R/WD0～7CEA0～12R/WD0～7R/WA0～124.2.4存储器的扩充•扩充存储器的字节容量的方法：1.将各存储芯片片内地址线、数据线、读/写控制线并联，接到相应的总线上；2.将地址线的高位送地址译码器产生片选信号，接各存储芯片的CS端，以选择芯片。练习：利用以下芯片(4K)扩充到16KBD0～7CEA0～11R/WD0～7CEA0～11R/WD0～7CEA0～11R/WD0～7CEA0～11R/WD0～7R/WA0～12D0～7CEA0～11R/W•字位同时扩充的连接：上述两种方式的结合2114A0~A9D0~D3CS2114A0~A9D0~D3CS2114A0~A9D0~D3CS2114A0~A9D0~D3CS1数D0据总线D7A0~A9A10•小型存储器设计的一般步骤：（1）根据系统实际装机存储容量，确定存储器在整个存储空间中位置。（2）选择合适的存储芯片。①根据系统性能指标要求选择芯片类型（RAM或ROM）与型号。②确定芯片数量：若存储容量为M×N位，所用芯片容量为L×K位，则系统字、位同时扩展需（M/L）×（N/K）个芯片。（3）画地址位图。即按系统所提供地址总线对所设计存储空间进行地址编码，分出低位地址线选择片内各单元，高位地址线确定片选择译码逻辑。（4）画出所设计存储器原理图，需要时指明每片地址范围。图中包括地址线连接及译码电路、数据线连接、读/写控制线连接及其控制逻辑电路等。•例：用全译码法设计一个12KB的主存储器系统。其低8KB为EPROM芯片，选用2片4K×8的2732A芯片。高4KB为SRAM芯片，选用两片2K×8位的6116芯片。主存储器系统的地址范围为0000H~2FFFH。系统提供16为地址线、8根数据线。①系统需要2片2732，2片6116。2732有12条地址线，6116有11条地址线，因此除了使用74LS138外，还需要一些辅助电路来形成片选信号。根据题意，各存储器芯片的地址范围如下：2732（1）：0000H～0FFFH2732（2）：1000H～1FFFH6116（1）：2000H～27FFH6116（2）：2800H～2FFFH②画地址位图，以获得译码关系和每片地址范围。③画连接图__CED0~D72732AA0~A11__OED0~D72732A__CEA0~A11__OED0~D7CPUA0~A11A12A13A14A15_____MREQ___RD___WRD0~D76116__CEA0~A10__OE__WED0~D76116__CEA0~A10__OE__WEVCCA11___G2B___G2ACBA__Y2__Y1__Y0G11≥1≥1•在逻辑上验证所设计的连接线是正确的：•首先应保证，当执行读/写指定地址范围内的内存单元的操作时，确实能选中该芯片和该单元。•其次，应保证当没有执行读/写指定地址范围内的内存单元的操作时，特别是此时访问的地址在系统中确实对应了某个物理器件，确实不会选中该芯片和该单元。•完成该图中地址线、数据线和控制线的连接，要求EPROM的地址从1000H开始，RAM的存储空间与EPROM的存储空间连续，EPROM为低地址，RAM为高地址。扩充后RAM的地址范围是多少？EPROM的地址范围是多少？扩展的存储空间共有多少个字节？CBA4.3存储器的体系结构4.3.1层次化的存储器体系结构1层次化总体结构•层次化:把各种速度不同、容量不同、存储技术也可能不同的存储设备分为几层，通过硬件和管理软件组成一个存储空间。•层次化的优点：解决了容量、速度与价格之间的矛盾。存储器的层次化总体结构价格高低容量小大速度快慢内存分为：基本内存区(conventionalmemory)高端内存区(uppermemory)扩充内存区(expandedmemory)扩展内存区(extendedmemory)2内存的分区结构2内存的分区结构内存分为：1.基本内存区(conventionalmemory):基本内存区主要供DOS操作系统使用640K2内存的分区结构内存分为：2.高端内存区(uppermemory):高端内存区留给系统ROM和外部设备的适配卡缓冲区使用384K2内存的分区结构内存分为：3.扩充内存区:扩充内存区早先是在16位微型计算机系统中为了扩大内存空间而采用的技术，扩充内存区通过在总线槽上插内存扩充卡来扩大内存空间，最大扩充容量为32MB。扩充内存实际上是CPU直接寻址范围以外的物理存储器，对于16位CPU来说，直接寻址的内存空间为1MB，1MB之外的内存区即为扩充内存。扩充内存管理软件EMM2内存的分区结构内存分为：4.扩展内存区(extendedmemory):扩展内存是32位微型计算机系统中才有的内存区，这是指1MB以上，但不是通过内存扩充卡映射来获得的内存空间，扩展内存在32位CPU的寻址范围内，其大小随具体系统的内存配置而定。4.3.2计算机系统的内存组织116位微机系统的内存组织8086用20位地址总线寻址1MB存储空间，由两个存储体组成：•奇地址存储体•偶地址存储体16位CPU对存储器的访问分为：•按字节访问•按字访问16位微机系统的内存组织2.32位微机系统的内存组织4.4Pentium的虚拟存储机制和片内两级存储管理•对多任务操作系统的支持•从硬件上为任务之间的切换提供了良好的条件•支持容量极大的虚拟存储器，并且，为了管理如此大的存储空间，采用片内两级存储管理虚拟存储技术•虚拟存储技术•虚拟：相对于实际的、物理的存储而言的•物理存储器•由地址总线直接访问的存储空间(32位,4G;16位,1M)•单元地址称为物理地址•虚拟存储器•程序使用的逻辑存储空间•可以比物理存储器大得多•单元地址称为虚拟地址（逻辑地址）•由存储器管理软件在主存和辅存基础上建立的一种存储体系•Pentium只有在保护模式下才支持虚拟存储器及其工作原理•寄存器•Cache•主存•辅存CPU主存辅存高速缓存寄存器虚拟存储器及其工作原理•Cache存储器•主要解决存储器的速度问题。•Cache是一种采用和CPU工艺相类似的半导体器件构成的存储装置，其速度可与CPU相匹配，但容量较小，只能存放一小段程序和数据。•程序局部性原理：在一定时间内，CPU只是对主存局部地址区域连续存放的指令和数据进行访问。•因此可以在CPU和主存之间增加一层高速缓冲存储器Cache，以解决CPU与主存之间的速度不匹配问题。•硬件电路实现。虚拟存储器及其工作原理•Cache存储器结构•提高主存速度虚拟存储器及其工作原理•虚拟存储器•用户对内存存储空间的需求不断扩大，用户程序占用内存越来越大。•解决办法：•扩大主存：造价高、空间利用率低。•虚拟存储器：主存+外存。•虚拟存储器是由主存储器、辅助存储器、辅助硬件和操作系统管理软件组成的一种存储体系。•主要解决存储器的容量问题；•速度接近于主存，单