CH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)管理和高速緩存技術(shù)ppt課件

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

2、 內(nèi)部存儲(chǔ)器：內(nèi)部存儲(chǔ)器： 外部存儲(chǔ)器：外部存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)中各類存儲(chǔ)器的分工計(jì)算機(jī)中各類存儲(chǔ)器的分工內(nèi)存（系統(tǒng)程序，系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前運(yùn)行應(yīng)用軟件內(nèi)存（系統(tǒng)程序，系統(tǒng)參數(shù)，當(dāng)前運(yùn)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(chǔ)器的分類和性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的分類和性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)存儲(chǔ)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(chǔ)容量：存儲(chǔ)容量：- 速度：存儲(chǔ)周期、存儲(chǔ)器帶寬速度：存儲(chǔ)周期、存儲(chǔ)器帶寬- 功

3、耗功耗隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器分類隨機(jī)存儲(chǔ)器分類- SRAM- DRAM只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)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(diǎn)：容量小、功耗大缺點(diǎn)：容量小、功耗大,用于存儲(chǔ)量小的系用于存儲(chǔ)量小的系統(tǒng)統(tǒng)DRAM(動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)) 器件器件利用電容存儲(chǔ)利用電容存儲(chǔ)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(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM5.1.21.隨機(jī)存取存儲(chǔ)器隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAMDRAM:DRAM刷新和刷新和DRAM控制器控制器刷新刷新(

4、對(duì)存儲(chǔ)器讀取放大再寫入對(duì)存儲(chǔ)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(shí)序功能、地址處理功能、仲裁功能時(shí)序功能、地址處理功能、仲裁功能5.1.22.只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位密度比可讀寫存儲(chǔ)器高結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，位密度比可讀寫存儲(chǔ)器高 具有非易失性具有非易失性應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)器可編程只讀存儲(chǔ)器PROM 可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EPROM 可用電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器可用電擦除可編程只

5、讀存儲(chǔ)器E2PROM 閃爍存儲(chǔ)器閃爍存儲(chǔ)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(duì)芯片進(jìn)行光刻而寫入據(jù)對(duì)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(guò)對(duì)二極管鍵是否燒斷存儲(chǔ)信息通過(guò)對(duì)二極管鍵是否燒斷存儲(chǔ)信息可擦除可編程可擦除可編程ROM (EPROM) 通過(guò)是否有電荷分布保存信息通過(guò)是否有電荷分布保存信息 工作方式：讀、編程、校驗(yàn)工作方式：讀、編程、校驗(yàn)2.只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器可用電擦除可編程只讀存儲(chǔ)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(chǔ)器閃爍存儲(chǔ)器(Flash Memory) 主機(jī)板上主機(jī)板上BIOS存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)介質(zhì) 特點(diǎn)：特點(diǎn)：（1）信息保持時(shí)間久（）信息保持時(shí)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(wàn)次）；（幾十萬(wàn)次）；（3）容量大。）容量大。ROM 的分類的分類2.只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器ROM5.1.21.存儲(chǔ)器的行列結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)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(chǔ)單元區(qū)分不同的存儲(chǔ)單元 簡(jiǎn)化地址譯碼電路簡(jiǎn)化地址譯碼電路矩陣結(jié)構(gòu)矩陣結(jié)構(gòu)5.1.32.存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)器和CPU的連接考慮的連接考慮CPU和存儲(chǔ)器的速度匹配問題：和存儲(chǔ)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(dòng)器增加總線驅(qū)動(dòng)器片選信號(hào)的產(chǎn)生：片選信號(hào)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(duì)芯片內(nèi)部的尋址方法對(duì)芯片內(nèi)部的尋址方

8、法:- 片選譯碼片選譯碼,片內(nèi)譯碼通過(guò)行列矩陣結(jié)構(gòu)對(duì)存片內(nèi)譯碼通過(guò)行列矩陣結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)單元選擇儲(chǔ)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(dòng)態(tài)動(dòng)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(chǔ)器容量的擴(kuò)充存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充數(shù)據(jù)寬度的擴(kuò)充 為了與數(shù)據(jù)線寬為了與數(shù)據(jù)線寬度一致度一致字節(jié)數(shù)的擴(kuò)充字節(jié)數(shù)的擴(kuò)充 擴(kuò)大地址范圍擴(kuò)大地址范圍5.1.35.2 存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器的體系結(jié)構(gòu)層次化的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)層次化

9、的存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu) 層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化的總體結(jié)構(gòu) 內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)32位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存結(jié)構(gòu)位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存結(jié)構(gòu) 16位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織 32位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織1.層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化的總體結(jié)構(gòu)層次化層次化 把各種速度不同、容量不同、存儲(chǔ)技術(shù)也可把各種速度不同、容量不同、存儲(chǔ)技術(shù)也可能不同的存儲(chǔ)設(shè)備分為幾層，通過(guò)硬件和管能不同的存儲(chǔ)設(shè)備分為幾層，通過(guò)硬件和管理軟件組成一個(gè)既有足夠大的存儲(chǔ)空間、又理軟件組成一個(gè)既有足夠大的存儲(chǔ)空間、又能滿足能滿足CPU存取速度要求、而且價(jià)格適中的存取速度要求、而且價(jià)格適中的整體，使存儲(chǔ)體具有最好的性價(jià)

10、比。整體，使存儲(chǔ)體具有最好的性價(jià)比。思路思路 用用Cache、內(nèi)存和輔存構(gòu)成層次化的存儲(chǔ)器，、內(nèi)存和輔存構(gòu)成層次化的存儲(chǔ)器，按使用頻度將數(shù)據(jù)分為不同的檔次分放在不按使用頻度將數(shù)據(jù)分為不同的檔次分放在不同的存儲(chǔ)器中，不同層次的存儲(chǔ)器之間可互同的存儲(chǔ)器中，不同層次的存儲(chǔ)器之間可互相傳輸。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(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù)實(shí) 現(xiàn) 內(nèi) 存 和實(shí) 現(xiàn) 內(nèi) 存 和輔 存 之 間 的輔 存 之 間 的映象映象 高速緩存技術(shù)高速緩存技術(shù)Cache和內(nèi)和內(nèi)存 之 間 的 映存 之 間 的 映象象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)基本內(nèi)存區(qū)的組織基本內(nèi)

11、存區(qū)的組織640KB5.2.1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384KB內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)內(nèi)存的分區(qū)結(jié)構(gòu)用高端內(nèi)存區(qū)64K映射擴(kuò)充內(nèi)存的一個(gè)頁(yè)組內(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(guò)內(nèi)存擴(kuò)充卡映射獲得的空上但不是通過(guò)內(nèi)存擴(kuò)充卡映射獲得的空間。間。16位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織5.2.232位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織位微機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)存組織5.2.15.3 Pentium的虛擬存儲(chǔ)機(jī)制的虛擬存儲(chǔ)機(jī)制和段頁(yè)兩級(jí)存儲(chǔ)管理和段頁(yè)兩級(jí)存儲(chǔ)管理 對(duì)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持，體現(xiàn)在：對(duì)多任務(wù)操作系統(tǒng)的支持

12、，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(chǔ)器，并且，為支持容量極大的虛擬存儲(chǔ)器，并且，為了管理如此大的存儲(chǔ)空間，采用片內(nèi)兩了管理如此大的存儲(chǔ)空間，采用片內(nèi)兩級(jí)存儲(chǔ)管理級(jí)存儲(chǔ)管理虛擬存儲(chǔ)機(jī)制虛擬存儲(chǔ)機(jī)制虛擬存儲(chǔ)技術(shù)虛擬存儲(chǔ)技術(shù) 虛擬：相對(duì)于實(shí)際的、物理的存儲(chǔ)而言的虛擬：相對(duì)于實(shí)際的、物理的存儲(chǔ)而言的物理存儲(chǔ)器物理存儲(chǔ)器 由地址總線直接訪問的存儲(chǔ)空間由地址總線直接訪問的存儲(chǔ)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(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 程序使用的邏輯存儲(chǔ)空間程序使用的邏輯存儲(chǔ)空間 可以比

13、物理存儲(chǔ)器大得多可以比物理存儲(chǔ)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(chǔ)器管理軟件在主存和輔存基礎(chǔ)上建立的一種由存儲(chǔ)器管理軟件在主存和輔存基礎(chǔ)上建立的一種存儲(chǔ)體系存儲(chǔ)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5.3.12.段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ) 虛存的分類：虛存的分類：段式虛擬存儲(chǔ)器段式虛擬存儲(chǔ)器 每段的長(zhǎng)度不是固定的每段的長(zhǎng)度不是固定的 每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間每個(gè)段都是受到保護(hù)的獨(dú)立的空間 優(yōu)點(diǎn)：易于管理。缺點(diǎn)：碎片多，效率低。優(yōu)點(diǎn)：易于管理。缺點(diǎn)：碎片多，效率低。頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器

14、一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定一個(gè)系統(tǒng)中的所有頁(yè)面大小固定(常是常是4KB) 頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定頁(yè)面的起點(diǎn)和終點(diǎn)也固定 只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ)（？）只有分頁(yè)機(jī)制才支持虛擬存儲(chǔ)（？）5.3.1控制寄存控制寄存器器CR0中中PG=1允許允許分頁(yè)分頁(yè)分段提供了隔絕各個(gè)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(gè)代碼、數(shù)據(jù)和堆棧區(qū)域的機(jī)制，因此多個(gè)程序（或任務(wù)）可以運(yùn)行在同一個(gè)處理器上因此多個(gè)程序（或任務(wù)）可以運(yùn)行在同一個(gè)處理器上而不會(huì)互相干擾。分頁(yè)機(jī)制為傳統(tǒng)需求頁(yè)、虛擬內(nèi)存而不會(huì)互相干擾。分頁(yè)機(jī)制為傳統(tǒng)需求頁(yè)、虛擬內(nèi)存系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)制。其中虛擬內(nèi)存系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)程系統(tǒng)提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)制。其中虛擬

15、內(nèi)存系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)程序代碼按要求被映射到物理內(nèi)存中。分頁(yè)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(yè)機(jī)制當(dāng)然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(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)段式虛擬存儲(chǔ)和頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)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(diǎn)：特點(diǎn)： 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(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址邏輯地址中的選擇子對(duì)應(yīng)于一個(gè)段基址 Pe

16、ntium共有共有214=16348個(gè)段個(gè)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(diǎn)：特點(diǎn)： 線性地址是由線性地址是由2個(gè)個(gè)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(gè)字段來(lái)體現(xiàn)其功能個(gè)字段來(lái)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(hào)相對(duì)應(yīng)和芯片上的地址信號(hào)相對(duì)應(yīng) 為每個(gè)存儲(chǔ)單元在存儲(chǔ)體中指定唯一的地址為每個(gè)存儲(chǔ)單元在存儲(chǔ)體中指定唯一的地址 分頁(yè)部件

17、將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址分頁(yè)部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址 如果分頁(yè)部件處于禁止?fàn)顟B(tài)，線性地址就是如果分頁(yè)部件處于禁止?fàn)顟B(tài)，線性地址就是物理地址物理地址轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 幾乎為幾乎為05.3.1分段管理分段管理段段獨(dú)立且連續(xù)的存儲(chǔ)空間獨(dú)立且連續(xù)的存儲(chǔ)空間 相關(guān)的控制信息：段的基址、界限、訪問的優(yōu)先級(jí)、共相關(guān)的控制信息：段的基址、界限、訪問的優(yōu)先級(jí)、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(gè)稱為段描述符的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中放在一個(gè)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

18、符編成表，以便硬件查找和識(shí)別并把系統(tǒng)中所有的描述符編成表，以便硬件查找和識(shí)別三種描述符表三種描述符表GDT、LDT、IDT使用描述符表帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)使用描述符表帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn) 可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間（存儲(chǔ)空間取決于描述符數(shù)量和每可大大擴(kuò)展存儲(chǔ)空間（存儲(chǔ)空間取決于描述符數(shù)量和每個(gè)描述符能表示的段長(zhǎng)度）個(gè)描述符能表示的段長(zhǎng)度） 可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)（描述符屬性位指示對(duì)應(yīng)段是否在內(nèi)存可實(shí)現(xiàn)虛擬存儲(chǔ)（描述符屬性位指示對(duì)應(yīng)段是否在內(nèi)存或磁盤，在磁盤及時(shí)調(diào)入內(nèi)存）或磁盤，在磁盤及時(shí)調(diào)入內(nèi)存） 可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)隔離（除與系統(tǒng)有關(guān)的操作訪問可實(shí)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(gè)任

19、務(wù)有獨(dú)立空間，就像每個(gè)任，每個(gè)任務(wù)有獨(dú)立空間，就像每個(gè)任務(wù)獨(dú)享務(wù)獨(dú)享CPU）5.3.21.段選擇子段選擇子通常由系統(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(gè)描述符中選擇一個(gè)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(qǐng)求特權(quán)級(jí)字段請(qǐng)求特權(quán)級(jí)字段RPL（共（共4級(jí)，級(jí)，0級(jí)最高）級(jí)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

20、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段類型段類型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20位的段界限位的段界限段的長(zhǎng)度段的長(zhǎng)度3位的段屬性位的段屬性E、ED/C、W/R5.3.3段描述符段描述符粒度粒度G1B vs. 4KB存在位存在位P（P=1在內(nèi)存，在內(nèi)存，P=0在磁盤）在磁盤）特權(quán)級(jí)特權(quán)級(jí)DPL保護(hù)保護(hù)訪問位訪問位A可提供統(tǒng)計(jì)信息可提供統(tǒng)計(jì)信息D/B字段字段代碼段、堆棧數(shù)據(jù)段中使用代碼段、堆棧數(shù)據(jù)段中使用5.3.33.描述符表描述符表三類三類 GDT LDT IDT每個(gè)描述符表最多可容納每個(gè)描述符表最多可容納213個(gè)描述

21、符個(gè)描述符GDT中的第一個(gè)（中的第一個(gè)（DI0）為空描述符）為空描述符IDT最多只對(duì)應(yīng)最多只對(duì)應(yīng)256個(gè)描述符個(gè)描述符5.3.3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(gè)每個(gè)LDT也看成一個(gè)特殊的段（系統(tǒng)段）也看成一個(gè)特殊的段（系統(tǒng)段）GDT中還包含各個(gè)中還包含各個(gè)LDT對(duì)應(yīng)的描述符對(duì)應(yīng)的描述符LDT只包含與某一任務(wù)相關(guān)的各個(gè)段的描述符只包含與某一任務(wù)相關(guān)的各個(gè)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(gè)段寄存器各設(shè)置了一個(gè)為每個(gè)段寄存器各設(shè)

22、置了一個(gè)64位的段描述符寄存器（程序員不可訪問）位的段描述符寄存器（程序員不可訪問）它是高速緩沖存儲(chǔ)器它是高速緩沖存儲(chǔ)器保存著相應(yīng)段選擇子所對(duì)應(yīng)的段描述符保存著相應(yīng)段選擇子所對(duì)應(yīng)的段描述符每次裝入段選擇子時(shí)，段描述符也一起每次裝入段選擇子時(shí)，段描述符也一起裝入裝入5.3.4分頁(yè)管理分頁(yè)管理優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):有了分頁(yè)機(jī)制，一個(gè)文件一旦用到只需某些頁(yè)在有了分頁(yè)機(jī)制，一個(gè)文件一旦用到只需某些頁(yè)在內(nèi)存，為巨型文件使用內(nèi)存和數(shù)據(jù)管理帶來(lái)方便；每個(gè)內(nèi)存，為巨型文件使用內(nèi)存和數(shù)據(jù)管理帶來(lái)方便；每個(gè)活動(dòng)任務(wù)的所需少量頁(yè)放入內(nèi)存，提高了存取效率?；顒?dòng)任務(wù)的所需少量頁(yè)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(yè)

23、大小是固定的，而且頁(yè)面空間比較小頁(yè)大小是固定的，而且頁(yè)面空間比較小 頁(yè)的邊界有對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)頁(yè)的邊界有對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)4KB或或4MB實(shí)際的存儲(chǔ)頁(yè)實(shí)際的存儲(chǔ)頁(yè)物理頁(yè)物理頁(yè)分配給程序的頁(yè)分配給程序的頁(yè)虛擬頁(yè)虛擬頁(yè)多個(gè)頁(yè)面構(gòu)成一組多個(gè)頁(yè)面構(gòu)成一組頁(yè)組頁(yè)組分頁(yè)功能設(shè)計(jì)兩個(gè)表分頁(yè)功能設(shè)計(jì)兩個(gè)表 頁(yè)組目錄項(xiàng)表頁(yè)組目錄項(xiàng)表 頁(yè)映象表（頁(yè)表）頁(yè)映象表（頁(yè)表） 本身就是一個(gè)頁(yè)本身就是一個(gè)頁(yè)5.3.5分頁(yè)管理分頁(yè)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(yè)組位作為頁(yè)組項(xiàng)號(hào)項(xiàng)號(hào)第三步是查詢相應(yīng)頁(yè)組目錄對(duì)應(yīng)的頁(yè)表第三步是查詢相應(yīng)頁(yè)組目

24、錄對(duì)應(yīng)的頁(yè)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(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB分頁(yè)機(jī)制中的兩種表分頁(yè)機(jī)制中的兩種表 放在存儲(chǔ)器中放在存儲(chǔ)器中速度？速度？ 高速緩存（表長(zhǎng)，代價(jià)大）高速緩存（表長(zhǎng)，代價(jià)大）Translate lookaside 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(dú)立的置了各自獨(dú)立的TLB 每個(gè)每個(gè)TLB中存放中存放32個(gè)最近經(jīng)常使用的頁(yè)表項(xiàng)，個(gè)最近經(jīng)常使用的頁(yè)表項(xiàng)，通過(guò)操作系統(tǒng)跟蹤來(lái)控制這些項(xiàng)的保持和更通過(guò)操作系統(tǒng)跟蹤來(lái)控制這

25、些項(xiàng)的保持和更新新5.3.5轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器轉(zhuǎn)換檢測(cè)緩沖器TLB分頁(yè)部件得到分頁(yè)部件得到32位線性地址時(shí)位線性地址時(shí) 先通過(guò)其高先通過(guò)其高20位與位與TLB中的中的32項(xiàng)比較項(xiàng)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(yè)管理分頁(yè)管理操作系統(tǒng)的角色操作系統(tǒng)的角色 分頁(yè)部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過(guò)程需要操分頁(yè)部件將線性地址轉(zhuǎn)換為物理地址的過(guò)程需要操作系統(tǒng)的參與作系統(tǒng)的參與對(duì)操作系統(tǒng)的要求對(duì)操作系統(tǒng)的要求 建立初始頁(yè)組目錄表和頁(yè)表，在分頁(yè)部件功能的基建立初始頁(yè)組目錄表和頁(yè)表，在分頁(yè)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 完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的交

26、換，當(dāng)出現(xiàn)缺頁(yè)故障時(shí)，將缺頁(yè)完成存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的交換，當(dāng)出現(xiàn)缺頁(yè)故障時(shí)，將缺頁(yè)從磁盤調(diào)到內(nèi)存，并重新啟動(dòng)引起缺頁(yè)故障的指令從磁盤調(diào)到內(nèi)存，并重新啟動(dòng)引起缺頁(yè)故障的指令 在虛擬存儲(chǔ)器的管理中，須周期性地檢測(cè)當(dāng)前任務(wù)在虛擬存儲(chǔ)器的管理中，須周期性地檢測(cè)當(dāng)前任務(wù)占有的各頁(yè)所對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)的訪問位占有的各頁(yè)所對(duì)應(yīng)的頁(yè)表項(xiàng)的訪問位A，做統(tǒng)計(jì)。，做統(tǒng)計(jì)。確定哪些頁(yè)常用，使其駐留主存中。確定哪些頁(yè)常用，使其駐留主存中。 確保確保TLB的內(nèi)容和分頁(yè)部件的兩個(gè)表相符的內(nèi)容和分頁(yè)部件的兩個(gè)表相符5.3.55.4 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

27、Cache控制器控制器82385Pentium的兩級(jí)的兩級(jí)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(jià)格高。價(jià)格高。技術(shù)技術(shù) 在主存和高速在主存和高速CPU之間設(shè)置一個(gè)小容量、高之間設(shè)置一個(gè)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(chǔ)器訪問存儲(chǔ)器 主要體現(xiàn)在對(duì)主要體現(xiàn)在對(duì)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)，

28、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(shí)間區(qū)域性時(shí)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Cache 32位微機(jī)系統(tǒng)中，區(qū)塊長(zhǎng)度通常為位微機(jī)系統(tǒng)中，區(qū)塊長(zhǎng)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(gè)區(qū)塊可以映象到主存的一個(gè)區(qū)塊可以映象到Cache的任何一個(gè)地的任何一個(gè)地方方 直接映像方式直接映像方式主存的一個(gè)區(qū)塊只能映象到主存的一個(gè)區(qū)塊只能映象到Cache的一個(gè)對(duì)應(yīng)的的一個(gè)對(duì)應(yīng)的地方地方Cache的

29、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(hào)相同，每一組又含組，各路中組的數(shù)量和編號(hào)相同，每一組又含1個(gè)或多個(gè)區(qū)塊個(gè)或多個(gè)區(qū)塊通過(guò)約定的機(jī)制，主存的一個(gè)區(qū)塊只能映象到通過(guò)約定的機(jī)制，主存的一個(gè)區(qū)塊只能映象到Cache的指定組號(hào)和指定塊號(hào)的區(qū)塊，但可以是的指定組號(hào)和指定塊號(hào)的區(qū)塊，但可以是不同路不同路其實(shí)是多路的直接映象方式其實(shí)是多路的直接映象方式Cache的訪問過(guò)程的訪問過(guò)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

30、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(gè)問題兩個(gè)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(guò)時(shí)過(guò)時(shí)：主存更新，某個(gè)：主存更新，某個(gè)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。 緩沖通寫式緩沖通寫式：主存和：主存和Cache間加緩沖器。間加緩沖器。 回寫式回寫式： Cache每一個(gè)區(qū)塊標(biāo)記設(shè)置更新位，每一個(gè)區(qū)塊標(biāo)記設(shè)置更新位， C

31、PU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首先檢查更新位，為首先檢查更新位，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(duì)現(xiàn)有內(nèi)容寫回主存，再對(duì)Cache寫入。寫入。 Cache的數(shù)據(jù)更新方法的數(shù)據(jù)更新方法防止數(shù)據(jù)過(guò)時(shí)的一致性問題防止數(shù)據(jù)過(guò)時(shí)的一致性問題 總線監(jiān)視法總線監(jiān)視法:Cache控制器隨時(shí)檢測(cè)地址總線如其控制器隨時(shí)檢測(cè)地址總線如其它部件寫入主存它部件寫入主存, Cache控制器立即將對(duì)應(yīng)區(qū)塊標(biāo)控制器立即將對(duì)應(yīng)區(qū)塊標(biāo)為無(wú)效為無(wú)效. 硬件監(jiān)視法硬件監(jiān)視法:外加硬件電路外加硬件電路, Cache本身能觀察主本身

32、能觀察主存中映射區(qū)塊的所有存取操作存中映射區(qū)塊的所有存取操作.(1:所有部件存取所有部件存取用一個(gè)用一個(gè)Cache,2:每個(gè)部件一個(gè)每個(gè)部件一個(gè)Cache,一個(gè)一個(gè)Cache寫寫,數(shù)據(jù)寫入主存也寫入其它數(shù)據(jù)寫入主存也寫入其它Cache) 局部禁止高速緩存法局部禁止高速緩存法:共享區(qū)內(nèi)容無(wú)法取到主存共享區(qū)內(nèi)容無(wú)法取到主存. Cache清除法清除法: Cache所有更新數(shù)據(jù)寫回主存所有更新數(shù)據(jù)寫回主存,清清除除Cache所有數(shù)據(jù)所有數(shù)據(jù).影響命中率的因素影響命中率的因素 Cache的組織方式的組織方式 Cache的容量的容量 Cache和主存之間的數(shù)據(jù)一致性和主存之間的數(shù)據(jù)一致性 運(yùn)行的程序本身運(yùn)

33、行的程序本身Cache控制器控制器82385Cache子系統(tǒng)子系統(tǒng) Cache、Cache控制器、主存控制器、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?cái)r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(duì)對(duì)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(shí)的處理時(shí)的處理 Cache的數(shù)據(jù)更新的數(shù)據(jù)更新通過(guò)片

34、內(nèi)的通過(guò)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(shí)的主存之間實(shí)現(xiàn)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 雙路組相聯(lián)映象方式雙路組相聯(lián)映象方式82385控制的控制的直接映象方式直接映象方式Cache系統(tǒng)系統(tǒng)直接映象方式時(shí)的直接映象方式時(shí)的Cache目錄、目錄、Cache及及主存之間的關(guān)系主存之間的關(guān)系82385控制的控制的直接映象方式直接映象方式Cache系統(tǒng)系統(tǒng)直接映像方式下直接映像方式下82385從從Cache中選中選1個(gè)個(gè)區(qū)塊區(qū)塊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)方式時(shí)的雙路組相聯(lián)

35、方式時(shí)的Cache目錄、目錄、Cache及主存之間的關(guān)系及主存之間的關(guān)系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)方式下雙路組相聯(lián)方式下82385從從Cache中選中選1個(gè)區(qū)塊個(gè)區(qū)塊Pentium兩級(jí)兩級(jí)Cache組織組織內(nèi)存內(nèi)存 主存、二級(jí)主存、二級(jí)Cache（一級(jí)（一級(jí)Cache的后備的后備 ）、）、一級(jí)一級(jí)Cache一級(jí)一級(jí)Cache 代碼代碼Cache、數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)Cache二級(jí)二級(jí)Cache 代碼、數(shù)據(jù)合在一起代碼、數(shù)據(jù)合在一起 通過(guò)內(nèi)部總線與一級(jí)通過(guò)內(nèi)部總線與一級(jí)Cache連接連接Pentium的兩級(jí)的兩級(jí)Cache組織組織二級(jí)二級(jí)Cache與

36、一級(jí)與一級(jí)Cache間間 采用采用MESI一致性協(xié)議一致性協(xié)議 每個(gè)每個(gè)Cache行分別用行分別用M、E、S、I表示可存表示可存取狀況取狀況 MModified（修改）（修改） EExclusive（獨(dú)占）（獨(dú)占） SShared（共享）（共享） IInvalid（無(wú)效）（無(wú)效）MESI一致性協(xié)議一致性協(xié)議M（一個(gè)（一個(gè)Cache行處于行處于M狀態(tài)）狀態(tài)） 已被修改過(guò)已被修改過(guò)最新，可讀最新，可讀/寫，寫回主存后寫，寫回主存后改為改為S狀態(tài)狀態(tài)S 可共享，讀時(shí)不需要總線操作可共享，讀時(shí)不需要總線操作,寫需要寫回寫需要寫回主存主存.E 沒有被修改過(guò)，寫后成為沒有被修改過(guò)，寫后成為M狀態(tài)狀態(tài)I 內(nèi)容無(wú)效，對(duì)內(nèi)容無(wú)效，對(duì)I狀態(tài)的狀態(tài)的Cache行讀則不命中，行讀則不命中，需要從主存取數(shù)據(jù)對(duì)其填充。需要從主存取數(shù)據(jù)對(duì)其填充。MESI一致性協(xié)議一致性協(xié)議一級(jí)代碼一級(jí)代碼Cache 不允許寫入，不允許寫入，只有只有S、I兩種兩種狀態(tài)狀態(tài) 從二級(jí)代碼從二級(jí)代碼Cache傳送到一級(jí)代碼傳送到一級(jí)代碼Cache的的Cache行總是處于行總是處于S狀態(tài)狀態(tài)一級(jí)數(shù)據(jù)一級(jí)數(shù)據(jù)Cache CPU讀取而不命中時(shí)，向二級(jí)讀取而不命中時(shí)，向二級(jí)Cache發(fā)請(qǐng)求發(fā)請(qǐng)求 CPU寫且命中時(shí)，寫且命中時(shí)，S、M