6-9 存储器与存储系统.ppt

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1、CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统主存主要技术指标、层次结构主存扩展CACHE结构虚拟存储器管理方式第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统2教学目的与要求教学目的与要求l掌握主存储器的分类、主要技术指标和基掌握主存储器的分类、主要技术指标和基本操作本操作l理解理解SRAM和和DRAM的读写工作原理的读写工作原理l重点掌握主存储器的扩展重点掌握主存储器的扩展l掌握掌握DRAM的刷新方式的刷新方式l掌握存储系统的组成掌握存储系统的组成l掌握掌握cache的概念和的概念和cache的组成结构和替的组成结构和替换计算方法换计算方法第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统3CH

2、 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统4CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.1.1 存储器的基本概念存储器的基本概念l4.1.2 存储器的分类存储器的分类l4.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l4.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚

3、拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统54.1.1 存储器的基本概念存储器的基本概念l存储器是计算机的一种存储器是计算机的一种具有记忆功能具有记忆功能的部的部件，用来存放程序、数据、符号等信息。件，用来存放程序、数据、符号等信息。l存储器可分为存储器可分为内存内存储器和储器和外存外存储器。储器。l内存储器简称内存，也可称为主存，设在主机内存储器简称内存，也可称为主存，设在主机内部。内部。l而磁盘磁带等存储设备设在主机外部，属外存而磁盘磁带等存储设备设在主机外部，属外存储器，简称外存或叫辅

4、助存储器或辅存。储器，简称外存或叫辅助存储器或辅存。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统64.1.2 存储器的分类存储器的分类第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统74.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l存储容量存储容量 l存储容量是指一个功能完备的基本存储体能汇存储容量是指一个功能完备的基本存储体能汇集的集的最大二进制信息量最大二进制信息量。l容量容量=主存储器存储单元总数主存储器存储单元总数存储字长存储字长 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统84.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l存取时间和存取周期存取时间和存取周期 l信息存入存储器的操

5、作叫写操作。从存储器取出信息信息存入存储器的操作叫写操作。从存储器取出信息的操作叫读操作。读、写操作统称做的操作叫读操作。读、写操作统称做“访问访问”。l从存储器接收到读（或写）申请命令到从存储器读出从存储器接收到读（或写）申请命令到从存储器读出（或写入）信息所需的时间称为（或写入）信息所需的时间称为存储器访问时间存储器访问时间（Memory Access Time）或称）或称存取时间存取时间，用表示，用表示TA。l存取周期存取周期指存储器能进行连续访问所允许的最小时间指存储器能进行连续访问所允许的最小时间间隔，用表示间隔，用表示TM。l频宽频宽：存储器被连续访问时，每秒钟传送信息的位数：存储

6、器被连续访问时，每秒钟传送信息的位数用用BM表示，单位：位秒。表示，单位：位秒。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统94.1.3 存储器的性能指标存储器的性能指标l价格价格l设设C是具有是具有S位存储容量的存储器总价格，则位存储容量的存储器总价格，则P表示每表示每位价格。位价格。l总价格总价格C与存储器容量与存储器容量S成正比，还与存取时间或存成正比，还与存取时间或存取周期成反比取周期成反比 l可靠性可靠性 l存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障工作存储器的可靠性是指在规定时间内存储器无故障工作的情况，一般用平均无故障时间衡量。平均无故障时的情况，一般用平均无故障时间衡量。平

7、均无故障时间（间（MTBF）越长，表示存储器的可靠性越好。）越长，表示存储器的可靠性越好。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统104.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l分层原因分层原因l衡量存储器有三个指标：容量衡量存储器有三个指标：容量,速度和价格速度和价格/位。位。用用单单一的存储器很难同时满足三个指标。一的存储器很难同时满足三个指标。因为存取时间越因为存取时间越短，每位的价格就越高；容量越大，每位的价格就越短，每位的价格就越高；容量越大，每位的价格就越低；容量越大，存取时间就越长。低；容量越大，存取时间就越长。l这必须这必须用存储系统来实现用存储系统来实现。存储系统不

8、是硬件的简单。存储系统不是硬件的简单堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成为一个堆积，是硬件与软件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器，这个存储器的序员看它是一个存储器，这个存储器的速度速度接近速度接近速度最快最快的那个存储器，存储器的那个存储器，存储器容量容量与容量与容量最大最大的那个存的那个存储器相等或接近，储器相等或接近，单位容量的价格单位容量的价格接近接近最便宜最便宜的那个的那个存储器。存储器。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统114.1.4 存储器的层次结构存储器的

9、层次结构l分层存储的信息分层存储的信息l当前正在被当前正在被CPU使用的现行程序、必要的操作使用的现行程序、必要的操作系统或经常被系统或经常被CPU使用的或实时性要求很高的使用的或实时性要求很高的“活跃活跃”程序程序l分布在容量有限但速度很快、每位价格较高的主存分布在容量有限但速度很快、每位价格较高的主存里里 l曾被使用过并暂时不会被使用或只有特殊情况曾被使用过并暂时不会被使用或只有特殊情况出现时才会使用的或相当时间范围内不会被使出现时才会使用的或相当时间范围内不会被使用的属于用的属于“静止、待命静止、待命”的程序的程序l放在容量大但速度慢、每位价格较低的辅助存储器放在容量大但速度慢、每位价格

10、较低的辅助存储器上上 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统124.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构l分层结构分层结构第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统13CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l4.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器l4.2.3 主存扩展主存扩展l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储

11、器与存储系统144.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l读读操作：存储器操作：存储器CPUlCPU把信息字的地址送到把信息字的地址送到AR,经地址总线送往主存储器经地址总线送往主存储器.lCPU发读发读(Read)命令命令.lCPU等待主存储器的等待主存储器的Ready回回答信号答信号,Ready为为 1,表示信息已表示信息已读出经数据总线读出经数据总线,送入送入DRl写操作：写操作：CPU存储器存储器lCPU把信息字的地址送到把信息字的地址送到AR，经地址总线送往主存储器经地址总线送往主存储器,并并将信息字送往将信息字送往DR.lCPU发写发写(Write)命令命令.l

12、CPU等待主存储器的等待主存储器的Ready回回答信号答信号,Ready为为 1,表示信息已表示信息已从从DR经数据总线写入主存储器经数据总线写入主存储器读读/写写Readynk地址总线地址总线数据总线数据总线控制总线控制总线CPUARDR主存储器主存储器基本操作主存储器基本操作第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统154.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l主存基本结构主存基本结构l存储体阵列存储体阵列 l地址译码驱动系统地址译码驱动系统l读写控制与输入读写控制与输入/输出电路输出电路 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统164.2.1 主存储器的

13、基本结构和操作主存储器的基本结构和操作1.存储体阵列存储体阵列l存储体中的信息均是存储体中的信息均是0、1代码。能存取并保代码。能存取并保持持0、1代码的元件叫记忆元件或叫代码的元件叫记忆元件或叫记忆单元记忆单元。一个记忆元件只能存储一个记忆元件只能存储1位二进制数。位二进制数。l若干记忆元件便组成一个若干记忆元件便组成一个存储单元存储单元。一个存。一个存储单元含储单元含1个或若干个字节的二进制信息。个或若干个字节的二进制信息。l存储单元的集合就是存储单元的集合就是存储体存储体。l一个存储单元的每个二进位必须并行工作，一个存储单元的每个二进位必须并行工作，同时读出或同时写入信息，所以存储单元按

14、同时读出或同时写入信息，所以存储单元按行、列排列成十分规整的行、列排列成十分规整的阵列阵列。l表示：表示：存储单元存储单元*字长字长 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统174.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l存储体阵列存储体阵列 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统184.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作2.地址译码驱动系统地址译码驱动系统l地址译码器：某一个时刻只有一条字选线是地址译码器：某一个时刻只有一条字选线是高电平，其余为低电平。高电平，其余为低电平。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统194.2.

15、1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作2.地址译码驱动系统地址译码驱动系统l地址译码系统设计地址译码系统设计l每一个存储单元由一条字选线驱动的存储体叫每一个存储单元由一条字选线驱动的存储体叫一一维编址存储阵列维编址存储阵列，或叫单译码结构存储器。在存，或叫单译码结构存储器。在存储容量很大时会因字选线过多致使存储器内部线储容量很大时会因字选线过多致使存储器内部线路过于庞杂而不实用。路过于庞杂而不实用。l二维地址存储阵列二维地址存储阵列：一个存储单元的地址被分成：一个存储单元的地址被分成两部分，分别经两部分，分别经x、y译码器译码，在译码器译码，在x方向上行选方向上行选线输出有效，激

16、励了第线输出有效，激励了第i行所有的存储单元，但是行所有的存储单元，但是在列方向上，只有在列方向上，只有yj选线有效，打开第选线有效，打开第yj列的位列的位控门，所以只有坐标位置处于（控门，所以只有坐标位置处于（xi,yj）的那个存）的那个存储单元能通过第储单元能通过第j列上位控门并经过列上位控门并经过 IO电路和电路和存储器外部交换信息。存储器外部交换信息。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统204.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统214.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作l读写控制与输

17、入读写控制与输入/输出电路输出电路第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统224.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器lSRAMlT1T4组成组成2个反相器，交叉耦合组成个反相器，交叉耦合组成触发器。触发器。T5，T6是读、写控制门。字是读、写控制门。字选择线传送读、写信号。选择线传送读、写信号。l单元未选中，字线低电位，位线高电位，单元未选中，字线低电位，位线高电位，T5、T6截止，触发器与位线断开，存截止，触发器与位线断开，存储单元保持储单元保持l读：读：字线来高电位。若原来是字线来高电位。若原来是1态态(T1通，通，T2止止)，电流从位线，电流从位线1经经T5流向流向T1，在

18、，在位线位线1上产生负脉冲上产生负脉冲。若原来是。若原来是0态态(T2通，通，T1止止)，电流从位线，电流从位线2经经T6流向流向T2，在，在位线位线2上产生负脉冲上产生负脉冲。l写：位线写：位线1低电位、位线低电位、位线2高电位高电位，字，字线来高电位。位线线来高电位。位线2通过通过T6向向T1栅极充栅极充电，电，T1通；而通；而T2栅极通过栅极通过T5和位线和位线1放放电，电，T2止；止；写入写入1。写写0时时位线位线1高电位、高电位、位线位线2低电位。低电位。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统234.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器l动态存储器单管存储单元动态存储器

19、单管存储单元l写入写入:字线为高电平字线为高电平,T导通导通,l写写1:数据线为低电平数据线为低电平,VDD通过通过T对对Cs充电充电l写写0:数据线为高电平数据线为高电平,Cs通过通过T放电放电l读出读出:数据线预充电至高电平数据线预充电至高电平;当字线出现高电平后当字线出现高电平后,T导导通通,l若原来若原来Cs充有电荷充有电荷,则则Cs放放电电,使数据线电位下降使数据线电位下降,经放大后经放大后,字线位线数据线GDSVDDCDCS 读出为读出为1。l若原来若原来Cs上无电荷上无电荷,则数据线无电位变化则数据线无电位变化,放大器无输出放大器无输出,读出读出为为0.l读出是破坏性的，读出后，

20、要立即对单元重写。读出是破坏性的，读出后，要立即对单元重写。T第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统244.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器lIntel 2114 RAM内部结内部结构框图构框图 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统254.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器lDRAM动态刷新方式动态刷新方式l再生再生：DRAM保存信息是通过电容的充电实现保存信息是通过电容的充电实现的，但漏电阻的存在，使其电荷会逐渐漏掉，的，但漏电阻的存在，使其电荷会逐渐漏掉，从而使存储的信息丢失。因此，必须在电荷漏从而使存储的信息丢失。因此，必须在电荷漏掉以前就进行充电，这

21、充电过程称为掉以前就进行充电，这充电过程称为再生再生，或，或称为称为刷新刷新。l刷新的最短间隔称为刷新的最短间隔称为“刷新周期刷新周期”(=2ms)。l刷新方式：刷新方式：l集中刷新集中刷新l分布式刷新（异步刷新）分布式刷新（异步刷新）第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统264.2.2 半导体随机存储器半导体随机存储器l集中刷新集中刷新：在一个刷新周期内：在一个刷新周期内,利用一段固定的时利用一段固定的时间间,依次对存储器的所有行逐一再生依次对存储器的所有行逐一再生,在此其间停在此其间停止对存储器的读和写。止对存储器的读和写。l例例:存储器有存储器有1024行行,系统工作时间为系统

22、工作时间为200ns，RAM刷新周期为刷新周期为2ms。这样，一个刷新周期内共。这样，一个刷新周期内共有有10000个工作周期，其中用于再生的是个工作周期，其中用于再生的是1024个个工作周期，用于读和写为工作周期，用于读和写为8976个工作周期个工作周期.l分布式刷新分布式刷新：采取在：采取在2ms时间内分散地将时间内分散地将1024行行刷新一遍的方法刷新一遍的方法.具体做法是将刷新周期除以行数具体做法是将刷新周期除以行数,得到两次刷新操作的时间间隔。得到两次刷新操作的时间间隔。l上例中上例中,2ms除以除以1024等于等于1953ns,即每隔即每隔1953ns产生产生一次刷新请求一次刷新请

23、求.第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统274.2.3 主存扩展主存扩展l半导体半导体RAM芯片的另一个特点是芯片容量有限芯片的另一个特点是芯片容量有限但规格很多，容量、字长各不相同。但规格很多，容量、字长各不相同。l使用者能方便地选取适当芯片采用位并联或地使用者能方便地选取适当芯片采用位并联或地址串联的方法扩大字长和寻址范围，组成任意址串联的方法扩大字长和寻址范围，组成任意容量的存储器，十分灵活。容量的存储器，十分灵活。l主存扩展方式：主存扩展方式：l并联并联RAM组织（位扩展）组织（位扩展）l串联串联RAM组织（字扩展）组织（字扩展）l字位扩展并与字位扩展并与CPU连接连接 第

24、第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统284.2.3 主存扩展主存扩展l位扩展位扩展l对数据位进行扩展（并联），加大字长对数据位进行扩展（并联），加大字长l方法：方法：ADR、/CS、/WE并联，并联，Data拼接拼接/CS/WE第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统294.2.3 主存扩展主存扩展l位扩展连接举例位扩展连接举例第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统304.2.3 主存扩展主存扩展l字扩展字扩展l对地址空间进行扩展（串联），增加存储器中对地址空间进行扩展（串联），增加存储器中存储单元数量存储单元数量l方法：方法：ADR、Data、/WE并联，由并联，

25、由/CS区分各芯区分各芯片的地址范围片的地址范围/WE第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统314.2.3 主存扩展主存扩展l字扩展连接举例字扩展连接举例第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统324.2.3 主存扩展主存扩展l字位扩展字位扩展l存储器总容量：存储器总容量：M*Nl芯片容量：芯片容量：L*Kl所需芯片数：所需芯片数：M/L*N/Kl先进行位扩展先进行位扩展,再字扩展再字扩展,最后与最后与CPU连接连接l低位地址线、数据线直接相连低位地址线、数据线直接相连l高位地址线经译码后产生片选信号高位地址线经译码后产生片选信号/CSl控制总线组合形成读控制总线组合形成读/

26、写控制信号写控制信号/WE或或R/W第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统334.2.3 主存扩展主存扩展l字位扩展连接举例字位扩展连接举例访存控制信号访存控制信号存储器总容量：存储器总容量：4K*8位位芯片容量：芯片容量：1K*4位位所需芯片数：所需芯片数：4K/1K*8位位/4位位第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统34CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.3.1 并行访问存储器并行访问存储器l4.3.2 交叉访问存储器交叉访问存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5

27、高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统354.3.1 并行访问存储器并行访问存储器l实现方法实现方法：增加存储器的字长。：增加存储器的字长。l优点优点：实现非常简单、容易。缺点：访问的冲突大。：实现非常简单、容易。缺点：访问的冲突大。l解决方法解决方法：设计：设计n个独立的地址寄存器和个独立的地址寄存器和n套读写控制套读写控制逻辑。逻辑。（a）一般存储器）一般存储器（b）并行访问存储器）并行访问存储器 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统364.3.2 交叉访问存储器交叉访问存储器l交叉访问存储器通常有

28、两种工作方式交叉访问存储器通常有两种工作方式l地址码地址码高位交叉：高位交叉：l扩大扩大存储器存储器容量。容量。主存储器通常都是采用高位主存储器通常都是采用高位交叉编址方法构成的。交叉编址方法构成的。l地址码地址码低位交叉：低位交叉：l提高提高存储器存储器速度。速度。只有低位交叉存储器才能有只有低位交叉存储器才能有效地解决访问冲突问题。效地解决访问冲突问题。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统374.3.2 交叉访问存储器交叉访问存储器l高位交叉访问存储器的结构高位交叉访问存储器的结构 MBR存储体0MARMBR存储体1MARMBR存储体n-1MAR0.00.00.0FF.0.10

29、.00.1FF.F.F0.0F.FFF.译码器地址寄存器（低位）.（高位）第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统384.3.2 交叉访问存储器交叉访问存储器l低位交叉访问存储器的结构低位交叉访问存储器的结构 MBR存储体0MARMBR存储体1MARMBR存储体n-1MAR0.00.0F.F00.0.00.1F.F01.0.0F.FF.FFF.译码器地址寄存器（高位）.（低位）第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统39CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l

30、4.4.1 虚拟存储器工作原理虚拟存储器工作原理l4.4.2 地址的映象与变换地址的映象与变换l4.4.3 加快内部地址变换的方法加快内部地址变换的方法l4.4.4 页面替换算法页面替换算法l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统404.4.1 虚拟存储器工作原理虚拟存储器工作原理磁盘存储器地址外部地址变换外部地址变换虚页号磁盘实地址UPD内部地址变换内部地址变换虚页号主存实地址pd主存页面表页面替换算法I/O处理机（I/O通道）0页1页.2p-1页0页1页.0页1页.2p-1页调入页被替换页调入页被替换页

31、主存页号选页访磁盘存储器命中外部地址变换主存页面失效命中未命中访问主存未命中访磁盘等主存满主存未满x用户y用户AV多用户虚地址AU+PU+P主存储器磁盘存储器第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统414.4.2 地址的映象与变换地址的映象与变换l虚拟存储器中有三种地址空间，虚拟存储器中有三种地址空间，l虚拟地址空间虚拟地址空间，也称虚存空间或虚拟存储器空间，它，也称虚存空间或虚拟存储器空间，它是应用程序员用来编写程序的地址空间，这个地址空是应用程序员用来编写程序的地址空间，这个地址空间非常大。间非常大。l主存储器的地址空间主存储器的地址空间，也称主存地址空间、主存物理，也称主存地址空

32、间、主存物理空间或实存地址空间。空间或实存地址空间。l辅存地址空间辅存地址空间，也就是磁盘存储器的地址空间。，也就是磁盘存储器的地址空间。l与这三种地址空间相对应，有三种地址与这三种地址空间相对应，有三种地址l虚拟地址虚拟地址（虚存地址、虚地址）（虚存地址、虚地址）l主存地址主存地址（主存实地址、主存物理地址）（主存实地址、主存物理地址）l磁盘存储器地址磁盘存储器地址（磁盘地址、辅存地址）。（磁盘地址、辅存地址）。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统424.4.2 地址的映象与变换地址的映象与变换l地址映象地址映象是把虚拟地址空间映象到主存地址空间，是把虚拟地址空间映象到主存地址空

33、间，就是把用户用虚拟地址编写的程序按照某种规则装就是把用户用虚拟地址编写的程序按照某种规则装入到主存储器中，并入到主存储器中，并建立多用户虚地址与主存实地建立多用户虚地址与主存实地址之间的对应关系。址之间的对应关系。l地址变换地址变换则是在程序被装入主存储器之后，在实际则是在程序被装入主存储器之后，在实际运行时，把运行时，把多用户虚地址变换成主存实地址多用户虚地址变换成主存实地址（内部（内部地址变换）地址变换）或磁盘存储器地址或磁盘存储器地址（外部地址变换）。（外部地址变换）。l根据所采用的地址映象和地址变换方法不同，有根据所采用的地址映象和地址变换方法不同，有1.段式虚拟存储器段式虚拟存储器

34、2.页式虚拟存储器页式虚拟存储器3.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统431.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l把把主存按段分配的存储管理方式称为主存按段分配的存储管理方式称为段式段式管理管理。l段式管理系统的段式管理系统的优点优点是段的分界与程序的是段的分界与程序的自然分界相对应；段的逻辑独立性使它易自然分界相对应；段的逻辑独立性使它易于编译、管理、修改和保护，也便于多道于编译、管理、修改和保护，也便于多道程序共享。程序共享。l其其缺点缺点是容易在段间留下许多空余的零碎是容易在段间留下许多空余的零碎存储空间不好利用，造成浪费。存储空间不好利用，造成浪

35、费。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统441.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l段式虚拟存储器的地址映象段式虚拟存储器的地址映象 主程序（0段）1段2段3段段号段长起始地址01K8K150016K22009K320030K01K05000200020008K9K16K30K主存储器程序空间段表第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统451.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l段式虚拟存储器的地址变换段式虚拟存储器的地址变换 段表本身也是一个段，一般常驻在主存储器中。如果段表本身也是一个段，一般常驻在主存储器中。如果段表太长，也可以把暂时不用的一部分段表放在磁盘存段表太长，也可以把暂

36、时不用的一部分段表放在磁盘存储器中，当需要时再把有用的段表调入主存储器。储器中，当需要时再把有用的段表调入主存储器。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统461.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l优点优点：l程序的模块化性能好程序的模块化性能好l便于程序和数据的共享便于程序和数据的共享l程序的动态链接和调度比较容易程序的动态链接和调度比较容易l便于实现信息保护便于实现信息保护l缺点缺点：l地址变换所花费的时间比较长地址变换所花费的时间比较长l主存储器的利用率往往比较低主存储器的利用率往往比较低 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统472.页式虚拟存储器页式虚拟存储器 l页式管

37、理系统的页式管理系统的信息传送单位信息传送单位是定长的是定长的页页，主主存存的物理空间也被的物理空间也被划分为等长划分为等长的固定区域，称的固定区域，称为为页面页面。l只要主存有空白页面就可以调入新页。可能造只要主存有空白页面就可以调入新页。可能造成成浪费的是程序最后一页的零头浪费的是程序最后一页的零头，是不能利用，是不能利用的页内空间，它比段式管理系统的空间浪费要的页内空间，它比段式管理系统的空间浪费要小得多。小得多。l页的大小通常指定为页的大小通常指定为0.5KB的整倍数。目前在的整倍数。目前在一般计算机系统中，一页的大小通常为一般计算机系统中，一页的大小通常为116KB。第第4 4章章

38、存储器与存储系统存储器与存储系统482.页式虚拟存储器页式虚拟存储器 l页式虚拟存储器的地址映象页式虚拟存储器的地址映象 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统492.页式虚拟存储器页式虚拟存储器 l页式虚拟存储器的地址变换页式虚拟存储器的地址变换 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统502.页式虚拟存储器页式虚拟存储器l地址转换举例：地址转换举例：1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0虚拟地址虚拟地址0000511004100031110210011101001100 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0页号页号 主存页号主存页

39、号 存在位存在位12 位偏移位偏移实存实存(主存主存)地址地址程序页表程序页表页表页表(慢表慢表)在主存中的地址由页表寄在主存中的地址由页表寄存器指出存器指出第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统512.页式虚拟存储器页式虚拟存储器l优点：优点：l主存储器的利用率比较高。主存储器的利用率比较高。l页表相对比较简单。页表相对比较简单。l地址映象和变换的速度比较快。地址映象和变换的速度比较快。l对辅存（磁盘存储器）的管理比较容易。对辅存（磁盘存储器）的管理比较容易。l缺点：缺点：l程序的模块化性能不好。程序的模块化性能不好。l页表很长，需要占用很大的存储空间。页表很长，需要占用很大的存储

40、空间。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统523.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器l段式和页式段式和页式存储管理各有其优缺点，可以采用存储管理各有其优缺点，可以采用段和页结合的段页式存储管理系统。段和页结合的段页式存储管理系统。程序按程序按模块分段，段内再分页，出入主存仍以页为信模块分段，段内再分页，出入主存仍以页为信息传送单位，息传送单位，用段表和页表用段表和页表(每段一个页表每段一个页表)进进行两级管理。行两级管理。l段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一段表中的每个表目对应一个段，每个表目有一个指向该段的页表的起始地址个指向该段的页表的起始地址(页号页号)及该段的及该段的控

41、制保护信息。控制保护信息。l由页表指明该段各页在主存中的位置以及是否由页表指明该段各页在主存中的位置以及是否已装入，已修改等标志。已装入，已修改等标志。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统533.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器l段页式虚拟存储器的地址映象段页式虚拟存储器的地址映象 0段（12K）1段（10K）2段（5K）页表长度页表地址3320段0页0段1页0段2页1段0页1段1页1段2页2段0页2段1页主存储器段表用户程序1段页表0段页表2段页表每页4KB第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统543.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器l段页式虚拟存储器的地址变换段页式虚

42、拟存储器的地址变换 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统554.4.3 加快内部地址变换的方法加快内部地址变换的方法l目录表目录表l快慢表快慢表l散列函数散列函数 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统564.4.4 页面替换算法页面替换算法l评价一个页面替换算法好坏的标准主要有评价一个页面替换算法好坏的标准主要有两个，一是命中率要高，二是算法要容易两个，一是命中率要高，二是算法要容易实现。实现。l命中率命中率Hc=命中次数命中次数/总访问次数总访问次数l失效率失效率=1Hcl常用常用替换算法替换算法l先进先出（先进先出（FIFO）l最近最少使用（最近最少使用（LRU）第

43、第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统574.4.4 页面替换算法页面替换算法l例：某程序对页面要求的序列为例：某程序对页面要求的序列为P3P4P2P6P4P3P7P4P3P6P3P4P8P4P6。设主存。设主存容量为容量为3个页面，求个页面，求FIFO和和LRU替换算法替换算法时各自的命中率（假设开始时主存为空）。时各自的命中率（假设开始时主存为空）。l命中率命中率H=命中次数命中次数/总访问次数总访问次数lFIFO：先进先出先进先出算法算法lLRU：最近最少使最近最少使用算法用算法l假设假设3个块为个块为入入出出第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统584.4.4 页面替

44、换算法页面替换算法lFIFO算法算法l命中率命中率3/15=20%页面请求页面请求3 4 2 6 4 3 7 4 3 6 3 4 8 4 6FIFO 3 3 3 4 4 2 6 3 3 7 4 4 6 3 8/4 4 2 2 6 3 7 7 4 6 6 3 8 4/2 6 6 3 7 4 4 6 3 3 8 4 6命命中中 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统594.4.4 页面替换算法页面替换算法lLRU算法算法l命中率命中率6/15=40%页面请求页面请求3 4 2 6 4 3 7 4 3 6 3 4 8 4 6LRU 3 3 3 4 2 6 4 3 7 4 4 6 3 3 8

45、/4 4 2 6 4 3 7 4 3 6 3 4 8 4/2 6 4 3 7 4 3 6 3 4 8 4 6命命中中 第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统60CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概述存储器概述l4.2 主存储器主存储器l4.3 并行存储器并行存储器l4.4 虚拟存储器虚拟存储器l4.5 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）l4.5.1 基本工作原理基本工作原理l4.5.2 Cache基本结构基本结构l4.5.3 地址映象与变换方法地址映象与变换方法l4.6 存储保护存储保护第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统614.5 高速

46、缓冲存储器高速缓冲存储器l程序访问的局部性程序访问的局部性l时间局部性时间局部性:一个存储项被访问，可能很快再访问。一个存储项被访问，可能很快再访问。l空间局部性空间局部性:存储项被访问，它的邻近项可能很快存储项被访问，它的邻近项可能很快被访问。被访问。l根据局部性原理。根据局部性原理。可以在主存和可以在主存和CPU之间之间设置设置一个高一个高速的容量相对较小的存储器。即速的容量相对较小的存储器。即高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache。l处理机需要主存储器的速度和主存储器实际能提供的处理机需要主存储器的速度和主存储器实际能提供的速度两者相差在速度两者相差在100倍倍以上。采用缓冲技术之后，速

47、以上。采用缓冲技术之后，速度差缩小到度差缩小到30倍左右倍左右，依靠依靠Cache来填补。来填补。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统624.5 高速缓冲存储器高速缓冲存储器Cache-主存层次与虚拟存储器的主要区别主存层次与虚拟存储器的主要区别存储系统存储系统Cache-主存主存虚拟存储器虚拟存储器要要达到的目标达到的目标提高提高(主存主存)速度速度扩大扩大(主存主存)容量容量实现方法实现方法全部硬件全部硬件软件为主软件为主,硬件为辅硬件为辅两级两级存储器速度比存储器速度比3倍倍10倍倍105倍倍页页(块块)大小大小1字字16字字1KB16KB等效存储容量等效存储容量主存储器主存

48、储器虚拟存储器虚拟存储器透明性透明性对对系统和应用程序员系统和应用程序员仅仅对应用程序员对应用程序员不不命中时的处理方法命中时的处理方法等待主存储器等待主存储器任务切换任务切换第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统634.5.1 基本工作原理基本工作原理第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统644.5.2 Cache的基本结构的基本结构设主存地址设主存地址n位位,有有2n个单元。将主存分块个单元。将主存分块(Block),每块每块B字节字节,共分共分M=2n/B块。块。Cache由同样大小的由同样大小的块组成。主存中只有块组成。主存中只有一小部分块的内容可一小部分块的内容可

49、放在放在Cache中。中。B=2b,M=2n/2b=2m,主存地址主存地址n=m+bCache地址地址=c+bCache的每一块都有的每一块都有一个标记。用于说明一个标记。用于说明Cache中是主存的那中是主存的那一块。一块。第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统654.5.2 Cache的基本结构的基本结构l设设Cache的存取时间为的存取时间为tc,命中率为命中率为h,主主存的存取时间为存的存取时间为TM，则，则平均存取时间平均存取时间=htc+(1h)(tc+tM)=tc+(1h)tM第第4 4章章 存储器与存储系统存储器与存储系统664.5.3 地址映象与变换方法地址映象与变

50、换方法l地址映像：为了把信息放到地址映像：为了把信息放到Cache中中,必须应用某必须应用某种函数把主存地址映像到种函数把主存地址映像到Cache,称作称作地址映像地址映像。地址映像方式地址映像方式:l直接映像直接映像l全相联映像全相联映像l组相联映像组相联映像l在信息按照某种映像关系装入在信息按照某种映像关系装入Cache后后,在程序执在程序执行时行时,应将主存地址变换成应将主存地址变换成Cache地址地址,这个过程这个过程叫做叫做地址变换地址变换.l设主存储器空间被分为设主存储器空间被分为Mm(0),Mm(1),Mm(i),Mm(2m1),共共2m块，块，Cache存储空间被分为存储空间被