第3章计算机及应用精选文档.ppt

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1、第3章计算机及应用本讲稿第一页，共五十页本章逻辑结构l3.1 内部存储器概述3.1.1存储系统的基本概念存储系统的基本概念3.1.2存储器的分类存储器的分类3.1.3 存储系统的性能指标存储系统的性能指标3.1.4存储器的体系结构存储器的体系结构l3.2 典型的内存储器典型的内存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM3.2.2只读存储器只读存储器ROM3.2.3非易失读写存储器非易失读写存储器本讲稿第二页，共五十页本章逻辑结构l3.3 微型计算机的存储调度管理微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理3.3.2DOS/Windows环境下的内存管理环境下的内存管理

2、l3.4 高速缓冲存储器高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构3.4.2Cache的分级体系结构的分级体系结构本讲稿第三页，共五十页本章逻辑结构l3.5 常见的微机内存常见的微机内存3.5.1内存条的主要标准内存条的主要标准3.5.2内存条的选用内存条的选用3.5.3常见内存及其型号常见内存及其型号l3.6 内存性能测试程序内存性能测试程序习题习题本讲稿第四页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述l3.1.1 存储系统概念l计算机的存储器可以分为内部存储器和外部存储器。内部存储器简称内存，也可称为主存，它位于主机内部，它包括主存储器和高速缓冲存储器

3、，通常存放正在使用或经常被使用的程序和数据。内存储器由半导体芯片组成，依赖于电来维持信息的保存状态，CPU可以直接对其中的单元进行读/写操作。外存储器即辅助存储器，简称外存，通常是磁性介质（软盘、硬盘、磁带）或光盘，能长期保存信息，并且不依赖于电来维持信息的保存状态。外存一般存放当前不处于活动状态的程序和数据。CPU对外存进行的存/取操作，必须通过内存才能进行。l存储器和存储系统是两个概念，存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。存储器系统其实是一个由不同存储器组成的存储器整体。对于一个计算机系统来说，存储系统性能的优

4、劣，关系到整个计算机系统的优劣。本讲稿第五页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述l现代微型计算机通常具有两种存储系统，一种是Cache存储系统，由主存储器和高速缓冲存储器构成，主要作用是提高存储器的速度，Cache存储系统速度接近Cache，容量接近存储器，每单位的价格跟存储器相近，这个存储系统全部用硬件来调度，因此，它不仅对应用程序员是透明的，而且对系统程序员也是透明的。另一种是虚拟存储系统，由主存储器和磁盘存储器构成，主要作用是增加存储器的容量。虚拟存储系统采用硬件与软件相结合的方法来调度。由于虚拟存储系统需要通过操作系统的存储管理系统来调度，因此，对系统程序员来说它是不透明的，

5、但对于在操作系统之上编程的应用程序员来说是透明的。虚拟存储系统的访问速度与主存储器很接近，存储容量是一个很大的虚拟地址空间，许多计算机的虚拟地址空间为4GB，这个空间的大小比主存储器的实际存储容量要大得多，整个存储系统的每位的价格仍然接近于磁盘存储器。本讲稿第六页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.2 存储器的分类存储器的分类1按存储介质分类 （1）半导体存储器 （2）磁表面存储器 （3）光存储器 2按CPU的访问关系分类 （1）高速缓冲存储器（Cache）（2）内部存储器（Internal Memory）（3）外部存储器（External Memory）3按存取方式分类 （

6、1）随机访问存储器（Random Access Memory，RAM）（2）只读存储器（Read Only Memory，ROM）（3）顺序存储器（Serial Access Memory，SAM）（4）直接访问存储器（Direct Access Memory，DAM）本讲稿第七页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.3 存储系统的性能指标存储系统的性能指标一般来说，衡量存储系统中每一种存储器的性能有以下4种指标。1存储容量存储容量是指存储器中可以容纳的存储单元总数。存储单元可分为字存储单元和字节存储单元。字存储单元是指一个机器字（bit，一个二进制位）的存储单元，相应的单元地

7、址称为字地址；而字节存储单元，是指存放一个字节B（Byte）的单元，每字节为8位二进制数，相应的地址称为字节地址，如存储容量为16KB，则表示能存储1610248个二进制代码。可编址的最小单位是字存储单元的计算机称为按字编址的计算机；可编址的最小单位是字节存储单元的计算机称为按字节编址的计算机。现在大多数计算机采用字节为单位。在按字节寻址的计算机中，存储容量的最大字节数可由地址码的位数来确定。本讲稿第八页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述2存取时间存取时间存取时间又称存储器访问时间，是指启动一次存储器操作到完成该操作所需的时间。具体地说，存取时间从存储器收到有效地址开始，经过译码、

8、驱动，直到将被访问的存储单元的内容读出或写入为止，用TA表示。存储器的存取时间和存储介质的物理特性和访问机构的类型有关系，它也决定了CPU进行一次读写操作所必须等待的时间，目前大多数计算机存储器的存储时间在纳秒（ns）级，1ns10-9s。其中主存储器的存取时间通常在微秒（s）级，1s10-6s，Cache的存取时间在纳秒级。本讲稿第九页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述3存取周期存取周期存储周期（MemoryCycleTime）又称访内周期，是指连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间，用TC表示。它是衡量主存储器工作性能的重要指标。存储周期时间越短，速度就越快，也就标志着

9、内存的性能越高。存储周期的倒数，称为存储速度。它表示每秒从存储器进出信息的最大数量，其单位用字/秒或字节/秒。TC常被标记在内存芯片上，例如标记“7”，“15”，“45”，分别表示7ns，15ns，45ns等，这个数值越小，表明内存芯片的存取速度越快，同时价格也越高。4存储器带宽内存储器每秒钟访问二进制位的数目称为存储器带宽，用Bm表示。它标明了一个存储器在单位时间内处理信息的能力。例如，总线宽度为32位，存储周期为250ns则存储器带宽=32b/250ns=32*109b/250ns=128Mbps=32MBps本讲稿第十页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述5性能价格比性能与价格

10、的比值是衡量存储器经济性能好坏的综合性指标。这项指标与存储器的结构和外围电路以及用途、要求、使用场所等诸多因素有关。性能是前述四项性能的综合，价格是存储器的总价格。因为各种机型的存储器类型和容量等差别很大，所以通常以每位成本，即折合到每一位的存储器造价来描述存储器的经济性。4可靠性可靠性是指在规定的时间内，存储器无故障工作的时间。通常用平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures）来衡量。MTBF越长，说明存储器的可靠性越高。存储器的可靠性直接与构成它的芯片有关。目前所用的半导体存储器芯片的平均无故障间隔时间（MTBF）约为51061108小时。本讲稿第十一页，共五十

11、页3.1 内部存储器概述内部存储器概述3.1.4存储器的体系结构存储器的体系结构1存储器的分级结构存储器的分级结构计算机系统中CPU的运算速度要比存储器快很多，由于速度的不匹配，CPU在运行过程中会等待存储器供给数据从而导致其高速的性能优势难以发挥，由此看出，存储器的运算速度对计算机系统整体速度提高形成了制约。于存储器和CPU速度的差异，为了能达到相对的平衡，发挥计算机系统的最大性能，实际的存储系统往往采用多级存储器体系结构，即将速度、容量和价格不同的存储器组合在一起，将经常使用的数据放在速度快的存储器中，形成一个速度上接近最快，容量上接近最大，价格上接近最低廉的存储器的存储系统，以解决CPU

12、与存储器之间速度差异的问题。现代计算机的存储系统包括两种：高速缓存（Cache）存储系统和虚拟存储器（VirtualMemory）存储系统。本讲稿第十二页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述2存储器访问的局部性存储器访问的局部性程序局部性包括程序的时间局部性（TemporalLocality）和程序的空间局部性（SpatialLocality）。程序的时间局部性是指程序即将用到的信息可能就是目前正在使用的信息。或者说最近被访问的内存内容（指令或数据）很快还会被访问；程序的空间局部性是指程序即将用到的信息可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。也就是说靠近当前正在被访问内存的内存

13、内容很快也会被访问。访问的局部性是保证存储系统层次结构技术可行性的基础。在此基础上，才可能把计算机频繁访问的信息放在速度高但容量小、单位成本高的存储器中，把不频繁访问的信息放在速度低但容量大、单位成本低的存储器中。由于访问的局部性原理，如果集中在访问速度高的存储器，那么整个存储系统的平均访问时间接近速度高的存储器的访问时间。本讲稿第十三页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能两级存储系统的第一级为M1，第二级为M2，T1、T2分别表示两级存储器的存取时间，S1、S2表示容量，B1、B2表示传输速率和带宽，C1、C2表示单位成本。与第二级存储器相比，第一级存储器M1最

14、靠近CPU，速度最高，价格最高，容量也最小。当访问存储器时，CPU首先访问M1，如果成功，M1直接与CPU进行信息交换，那么这次访问是快速的。如果CPU要访问的信息不在M1，则向比它低一级的M2中寻找，找到以后将信息块调入M1。因为M2中的信息主要向M1中传递，而不直接被CPU访问，所以M2的存取速度较低，相应价格也低些，容量也就大些。因为程序的局部性原理，一旦一个信息块放入M1，将会对这个块单元存取很多次，这样会使整个系统的速度得到提高。本讲稿第十四页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能（1）访问效率在多级存储系统中，存储器的访问效率由所有层次存储器的有效存取时

15、间（EffectiveAccessTime）决定。为了表示访问一个项的平均时间，不但必须要考虑两级存储器的速度，还要考虑某次访问能在M1中找到的概率，这一概率就是命中率（HitRatios），用H表示，那么：其中N1是某次访问能在M1中找到的次数，N2是某次访问能在M2中找到的次数。那么系统的平均存取时间Ts可以表示为：本讲稿第十五页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述M1的命中率越高越好，这样可以避免CPU对下一级存储器的访问，以节省时间。而提高M1的命中率有两个途径：其一是扩大M1的容量以尽可能多地装入有用信息。但M1的容量受性能价格比的限制，增大容量将导致存储系统每位平均价格上

16、升，降低系统的性能价格比。这种方法一般不可取；其二是改善实现层次间信息自动调度功能的辅助软硬件的性能，预先判断出CPU准备访问的内容，并将其调入M1中，使CPU希望的信息尽可能已经在M1中准备好，以此提高M1的命中率。本讲稿第十六页，共五十页3.1 内部存储器概述内部存储器概述2多级存储系统的性能（1）容量和价格整个两级存储系统的每位平均价格Cs可用以下公式算出：其中C1是第一级存储器M1的每位平均价格，C2是第二级存储器M2的每位平均价格，S1是M1的容量，S2是M2的容量。本讲稿第十七页，共五十页3.2典型的内部存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM随机存取存储器RAM(Random

17、Access Memory)在微机系统的工作过程中，可以随机地对其中的各个存储单元进行读/写操作。根据存储信息原理的不同，随机存储器可分为静态随机存储器（Static RAM，SRAM）和动态随机存储器（Dynamic RAM，DRAM）。半导体存储器满足以上条件。1静态随机存储器（静态随机存储器（SRAM）静态随机存储器的组成静态MOS存储器一般由存储体、地址译码电路、读写电路和控制电路等几部分组成。其结构框图如图3.4所示。本讲稿第十八页，共五十页3.2典型的内部存储器3.2.1随机存储器随机存储器RAM图3.4静态存储器结构图本讲稿第十九页，共五十页3.2典型的内部存储器2动态随机存储器

18、的工作原理动态随机存储器的工作原理（1）动态随机存储器的特点动态随机存储器DRAM(DynamicRandomAccessMemory)是利用场效应管的栅极对其衬底间的分布电容来保存信息，以存储电荷的多少，即电容端电压的高低来表示“1”和“0”,所以也叫电荷存储型记忆元件。DRAM每个存储单元所需的场效应管较少，常见的有4管，3管和单管型DRAM。因此它的集成度较高，功耗也较低，但缺点是保存在DRAM中的场效应管栅极分布电容里的信息随着电容器的漏电而会逐渐消失，一般信息保存时间为2ms左右。为了保存DRAM中的信息，必须每隔12ms给栅极进行充电，补足栅极信息，这就是所谓的“再生”或“刷新”。

19、（2）动态随机存储器的种类快速页面模式动态随机存储器（FastPageModeDRAM，FPMDRAM）扩充数据输出动态随机存储器（ExtendedDataOutputDRAM，EDODRAM）多段式动态随机存储器（MultiBankDRAM，MDRAM）同步动态随机存储器（SynchronousDRAM，SDRAM）双数据速率同步动态随机存储器（DoubleDataRateSDRAM，DDRSDRAM）第二代双倍数据率同步动态随机存取存储器（Double-Data-RateTwoSynchronousDynamicRandomAccessMemory，DDRIISDRAM）本讲稿第二十页，共

20、五十页3.2典型的内部存储器2动态随机存储器的工作原理动态随机存储器的工作原理（3）动态随机存储器记忆元件动态RAM基本单元主要有四MOS管动态存储元和单MOS管动态存储元。（4）动态随机存储器的芯片实例现以Intel2164为例，说明DRAM芯片的内部结构及引脚情况。DRAM2164的简化结构框图，如图3-7所示。图3-72164DRAM芯片的结构框图本讲稿第二十一页，共五十页3.2典型的内部存储器2动态随机存储器的工作原理动态随机存储器的工作原理（5）动态随机存储器的刷新方式所谓刷新，就是不断地每隔一定时间（一般每隔2ms）对DRAM的所有单元进行读出，经读出放大器放大后再重新写入原电路中

21、，以维持电容上的电荷，进而使所存信息保持不变。动态随机存储器的刷新方式有很多种。按照动态刷新是否由CPU统一控制、协调的方式，可分为集中式、分散式和异步式3种刷新方式。集中式刷新（BurstRefresh）所谓集中式刷新，是指在允许的最大刷新周期内，根据存储容量的大小和存取周期的长短，集中安排一段刷新时间，在刷新时间内停止读写操作。分布式刷新（DistributedRefresh）分散式刷新是指把每行存储单元的刷新分散到每个读写周期内进行，即把一个存储系统周期tc分为两半，周期前半段时间tM用来读/写操作或维持信息，周期后半段时间tR作为刷新操作时间，经过128个系统周期时间，整个存储器便全部

22、刷新一遍。异步刷新（AsynchronousRefresh）异步刷新是上述两种方法的结合，这种方式将刷新操作平均分配到整个刷新间隔时间内进行，充分利用最大间隔时间并使“死区”缩短。对于128128存储矩阵的芯片来说，每行的刷新间隔时间是2ms/128，即每隔15.6s刷新一行。在2ms内分散地对128行轮流刷新一遍，刷新一行是只停止一次读写操作时间。这样，对每一行来说，刷新时间仍为2ms，而“死区”的长度则缩短为0.5s。这对CPU的影响不大，而且不降低存储器的访问速度，控制上也并不复杂，是一种比较实用的方式。本讲稿第二十二页，共五十页3.2典型的内部存储器3.2.2只读存储器只读存储器ROM

23、通常把使用时只读出不写入的存储器称为只读存储器（ROM）。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后仍然保留。因制造工艺和功能不同，可分为掩膜ROM（MROM）、可编程ROM（PROM）、可擦写可编程ROM（EPROM）和电可擦可编程ROM（E2PROM）。1掩模只读存储器（掩模只读存储器（Mask Read Only Memory，MROM）掩膜只读存储器是指生产厂家根据用户需要在ROM的制作阶段，通过“掩膜”工序将信息做到芯片里，适合于批量生产和使用。2一次性可编程只读存储器（一次性可编程只读存储器（Programmable ROM，PROM）可编程只读存储器买回时为全0或全1状

24、态，用户可根据自己的需要进行一次性写入编程。在PROM中，常采用二极管或双极型三极管作为存储单元。PROM是将熔断丝或熔合丝串联在ROM单元电路中。用户在使用时，按照自己的需要，编程写入1或者0使其通过一个大的电流，让熔丝烧断开路或者熔合丝熔合短路。本讲稿第二十三页，共五十页3.2典型的内部存储器3可重写只读存储器（可重写只读存储器（Erasable PROM，EPROM）其特点是可以根据用户的要求用工具擦去ROM中存储的原有内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以多次进行，同其它ROM一样，其中保存的信息不会因断电而丢失。按照擦除方法的不同，EPROM可以分为电可擦除只读存储器（Electri

25、callyErasablePROM，EEPROM）和紫外线可擦除只读存储器（UltravioletEPROM，UVEPROM）两种。（1）紫外线可擦除只读存储器将EPROM放在12mV/cm2紫外线光源下相距3cm照射30分钟（一般为15分钟，视具体型号而异）后，会促使电容失去电荷，EPROM中的内容就会抹除，于是，就可以重新对它编程。（2）电可擦除只读存储器原理上，EEPROM单元就是一个可以充电或放电的小电容。充电的状态可以由读出逻辑来询问。充了电的电容代表逻辑“1”，而放了电的电容表示逻辑“0”。为了存储一个数据字节，就需要8个这样的小电容，再加上一些适当的读出电路。本讲稿第二十四页，共

26、五十页3.2典型的内部存储器3.2.3非易失读写存储器非易失读写存储器非易失性存储器NVM（Non-VolatileMemory）的特点是在断电时不会丢失内容。包括铁电介质存储器（FRAM或FeRAM）、磁介质存储器（MRAM）、奥弗辛斯基效应一致性存储器（OUM）以及聚合物存储器（PFRAM）等。闪速存储器（FlashMemory）就是一类非易失性存储器，即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息。（1）闪速存储器的特点固有的非易失性经济的高密度可直接执行固态性能本讲稿第二十五页，共五十页3.2典型的内部存储器（2）闪速存储器的典型逻辑结构闪速存储器的内部结构主要由存储体、地址缓冲器、译码器、命令

27、用户接口CUI、状态标示寄存器、写状态机WSM、复接器和数据输入/输出电路等逻辑电路构成，如图3.12所示。图3.12闪速存储器内部结构图本讲稿第二十六页，共五十页3.2典型的内部存储器（2）闪速存储器的工作模式读操作模式写操作模式在线等待模式输出禁止操作模式关闭电源模式本讲稿第二十七页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理1存储器的扩展存储器的扩展单块芯片的容量有限，远远不能满足用户同样快速增长的对存储容量的需求。因此，在计算机中，要组成一定容量和一定字长的存储器，必须把若干个片不同的半导体存储器芯片连组成，以扩展存储容量。（1）位扩展法位扩展

28、是指用多个存储器器件对字长进行扩充。位数的扩展是利用芯片的并联方式来实现的，各存储芯片地址线、片选端和读写控制线并联，数据端单独引出。（2）字扩展法字扩展法是指增加存储器中的字数量，而位的数量保持不变。方法是将各芯片的地址线、数据线、读写控制线并联，与系统总线相应的地址线、数据线、读写控制线连接，而片选信号用来区分各芯片的地址范围。（3）字、位同时扩展在存储器扩展时，通常在字向和位向都要扩展。这种扩展方式是前两种扩展方式的混合方式。本讲稿第二十八页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理2存储芯片的地址分配和片选存储芯片的地址分配和片选存储器与CP

29、U连接是指CPU通过地址总线、数据总线及控制总线实现与存储器的连接。这时有一个重要的问题那就是主存的地址分配。而确定地址分配后，又有一个选择存储芯片的片选信号的产生问题。（1）线选法线选法就是用除片内寻址外的高位地址线不经过译码，直接分别接至各个存储芯片的片选端来区别各芯片的地址，当某地址线信息为0时，就选中与之对应的存储芯片。（2）全译码法这种方法除了将低位地址总线直接连至各芯片的地址线外，余下的高位地址总线全部参加译码，译码输出作为各芯片的片选信号。（3）部分译码法该方法只对高位地址线中某几位（而不是全部高位）地址经译码器译码，以产生片选信号，剩余高位线或空着，或直接用作其他存储芯片的片选

30、控制信号。对被选中的芯片而言，未参与译码的高位地址线可以为“0”，也可以为“1”，即每个存储单元将对应多个地址。所以，它是介于全译码法和线选法之间的一种选址方法。本讲稿第二十九页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理3.3.1扩展存储器及其管理扩展存储器及其管理3存储管理存储管理存储管理即是对主存的管理，它是操作系统的重要功能之一。主存储器是计算机系统中的一种宝贵资源，对主存的管理和有效使用是操作系统中十分重要的内容。为了便于对主存进行有效的管理，应该将主存分成若干个区域，以便同时存放多个用户程序和系统软件。因此，存储管理应具有如下功能：（1）存储分配和回收：计算机系统中一般情况下有多个程序

31、要共享内存，必须采用合理的策略给申请者从空闲的内存空间中分配合适的存储区域，程序使用完毕还必须采用策略及时收回释放的内存。（2）地址变换：用软件进行存储空间管理以及程序编译时所使用的逻辑地址系统，与物理地址系统有可能不一致，虚拟地址和物理地址之间有相互映射。（3）内存扩充：通过内存管理使得用户使用的内存比实际的内存空间要大。（4）内存保护：各程序之间互不干扰和破坏，更不会干扰和破坏整个系统的正常工作。本讲稿第三十页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理3.3.2DOS/Windows环境下的内存管理环境下的内存管理1DOS环境下的内存管理环境下的内存管理（1）存储空间的分配在DOS下，系统中

32、存在以下四种内存：常规内存(ConventionalMemory)高端内存(UpperMemory)扩充内存(ExpandedMemory)扩展内存(ExtendedMemory)2Windows环境下的内存管理环境下的内存管理虚拟存储器虚拟存储器虚拟存储器（VirtualMemory）又称为虚拟存储系统，是以存储器访问的局部性为基础，建立在主存一辅存物理体系结构上的存储管理技术。它是为了扩大存储容量，把辅存当作主存使用，在辅助软、硬件的控制下，将主存和辅存的地址空间统一编址，形成个庞大的存储空间。本讲稿第三十一页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理2Windows环境下的内存管理环境下的

33、内存管理虚拟存储器虚拟存储器（1）虚拟存储器原理虚拟存储器的工作原理是：在执行程序时，允许将程序的一部分调入主存，其他部分保留在辅存。即由操作系统的存储管理软件先将当前要执行的程序段（如主程序）从辅存调入主存，暂时不执行的程序段（如子程序）仍保留在辅存，当需要执行存放在辅存的某个程序段时，由CPU执行某种程序调度算法将它们调入主存。（2）虚拟存储器的管理方式段式虚拟存储器在段式存储管理中，将程序的地址空间划分为若干个段（segment），各个段的长度因程序而异。这样每个进程有一个二维的地址空间。页式虚拟存储器页式存储管理的主要思路是把虚拟（逻辑）地址空间和主存实际（物理）地址空间，都分成大小相

34、等的页，并规定页的大小为2的整数次方个字。段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器是段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的结合结合起来的一种折中方案。它首先将程序按其逻辑结构划分为若干个大小不等的逻辑段，然后再将每个逻辑段划分为若干个大小相等的逻辑页。主存空间也划分为若干个同样大小的物理页。程序对主存的调入调出是按页面进行的，但它又可以按段实现共享和保护。本讲稿第三十二页，共五十页3.3微型计算机的存储调度管理2Windows环境下的内存管理环境下的内存管理虚拟存储器虚拟存储器（3）替换算法和保护替换算法虚拟存储器发生缺页中断时，需要调新的页进入主存，如果内存已无空闲块，就需要将最不经常用的页替换出去。所谓

35、页面替换算法，就是采取什么办法淘汰掉内存中的某些页为必须进入内存的页面腾出空间的策略。在虚拟存储器中常用的替换算法有随机算法（RAND）、先进先出算法（FIFO）、最近最少使用法（LRU）和最久没有使用算法（LFU）等。由于虚拟存储器技术的理论依据与高速缓冲存储器相同，都是程序局部性原理，所以替换策略基本上是相同的。以上各种算法及其实现将在高速缓冲存储器一节中详细叙述。虚拟存储器的性能分析主存容量页面调度方式存储保护界限寄存器保护方式键保护方式环保护方式本讲稿第三十三页，共五十页3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构微机系统中的内部存储器通常采用动态

36、RAM构成，具有价格低，容量大的特点，但由于动态RAM采用MOS管电容的充放电原理来表示与存储信息，其存取速度相对于CPU的信息处理速度来说较低。这就导致了两者速度的不匹配，从而限制了高速CPU的性能，影响了微机系统的运行速度，并限制了计算机性能的进一步发挥和提高。高速缓冲存储器就是在这种情况下产生的。为了解决存储器系统的容量、存取速度及单位成本之间的矛盾，可以采用Cache-主存存储结构，即在主存和CPU之间设置高速缓冲存储器Cache，把正在执行的指令代码单元附近的一部分指令代码或数据从主存装入Cache中，供CPU在一段时间内使用，由于存储器访问的局部性，在一定容量Cache的条件下，我

37、们可以做到使CPU大部分取指令代码及进行数据读写的操作都只要通过访问Cache，而不是访问主存而实现，从而使程序的执行速度大大提高。本讲稿第三十四页，共五十页3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构1Cache的基本结构的基本结构图3.22CPU、Cache与主存的关系本讲稿第三十五页，共五十页3.4高速缓冲存储器3.4.1高速缓冲存储器的原理与结构高速缓冲存储器的原理与结构2地址映象与转换地址映象与转换地址映像的功能是应用某种函数把CPU发送来的主存地址转换成Cache的地址。地址映象方式通常采用直接映象、全相联映象、组相联映象三种方式。（1）全相联

38、方式（2）直接相联方式（3）组相联映象方式本讲稿第三十六页，共五十页3.4高速缓冲存储器3.4.2Cache的分级体系结构的分级体系结构1Cache的分体的分体采用多体并行存储器技术可以拓宽存储体的频带宽度，在Cache的实用中也采用了多体存储器的结构。Cache分体技术是将Cache分为数据体Cache与指令体Cache。2Cache的分级的分级当前CPU的速度越来越快，与主存的速度差距也越大，如果采用一级Cache的结构，其命中率往往不能满足要求，这样就形成了二级或三级Cache的结构。本讲稿第三十七页，共五十页3.5常见的微机内存3.5.1内存条的主要标准内存条的主要标准完整的内存条是将

39、内存芯片焊接在一定规格的印刷电路板（PCB）上所组成的完整的模块，通常形状为条形，故称内存条。主机板上有安装内存的插槽，常见的内存模块有以下几种封装形式。1DIP双列直插式芯片双列直插式芯片2SIP单排直插内存条单排直插内存条3SIMM内存条内存条4DIMM内存条内存条5RIMM内存条内存条本讲稿第三十八页，共五十页3.5常见的微机内存3.5.2内存条的选用内存条的选用1内存的选择内存的选择选择内存时一般主要考虑以下几个方面：（1）平台是否支持（2）选择合适的内存容量和频率（3）产品做工要精良（4）注意SPD隐藏信息（5）小心假冒或返修产品2内存的性能指标内存的性能指标内存性能对整机的影响很大

40、，主要有以下几个指标：（1）速度（2）容量。（3）数据宽度和带宽。（4）CL本讲稿第三十九页，共五十页3.5常见的微机内存3.5.3常见内存及其型号常见内存及其型号1SDRAM内存内存SDRAM（SynchronousDynamicRAM）内存，即同步动态随机存储器。2DDR内存内存DDR全称是DDRSDRAM（DoubleDateRateSDRAM，双倍速率SDRAM）。3RDRAM内存内存RDRAM是RambusDynamicRandomAccessMemory（存储器总线式动态随机存储器）的简称，是Rambus公司开发的具有系统带宽、芯片到芯片接口设计的内存，它能在很高的频率范围下通过一

41、个简单的总线传输数据，同时使用低电压信号，在高速同步时钟脉冲的两边沿传输数据。本讲稿第四十页，共五十页3.6内存性能测试程序很多计算机性能综合测试软件中都带有内存模块部分，可以对内存进行测试。如图3.34和图3.35所示分别为使用SiSoftwareSandra2010进行内存对比测试的结果以及使用CPU-Z显示当前内存的信息。图3.34使用SiSoftwareSandra2010进行内存对比测试图3.35内存信息本讲稿第四十一页，共五十页习题习题1名词解释名词解释随机存储器只读存储器位扩展全译码法相联存储器地址映象Cache虚拟存储器存储器带宽存取时间逻辑地址物理地址2填空题填空题（1）随机

42、存储器RAM主要包括_和_两大类。（2）构成64K的存储系统，需8K1的芯片_片。（3）某存储模块的容量为64K，它的起始地址若为20000H，则末地址应为_。（4）半导体动态存储器的刷新方式一般有_种。（5）用2K8的SRAM芯片组成32K16的存储器，共需SRAM芯片_片，产生片选信号的地址至少需要_位。本讲稿第四十二页，共五十页习题习题（6）内存的主要性能指标有：_、_、_、_、和_。（7）内存的数据带宽的计算公式是：数据带宽=_。（8）内存的工作频率表示的是内存的传输数据的频率，一般使_为计量单位。（9）常用的页面调度算法有_调度算法、_调度算法和_调度算法。（10）一般微型计算机存储

43、器系统主要由_高速缓冲存储器、辅助存储器以及管理这些存储器的硬件和软件组成。（11）高速缓冲存储器是介于_和主存储器之间的一个容量小、但速度接近于_的存储器，一般装在CPU内部。本讲稿第四十三页，共五十页习题习题（12）RAM是一种既能写入又能读出的存储器。RAM只能在电源电压正常时工作，一旦断电，_。（13）ROM是一种_的存储器，通常用来存放那些固定不变、不需要修改的程序。（14）虚拟存储器具有辅存的容量，而又具有接近_的存取速度。（15）只读存储器（ReadOnlyMemory）的重要特点是只能_，不能_。其刷新原理与SRAM类似，但消耗能量_，所以通常关闭计算机电源之后，其中数据还被保

44、留。3选择题选择题（1）下列存储器中，断电后信息不会丢失的是（）。A）DRAMB）SRAMC）CACHED）ROM（2）计算机系统中的存储器主要用来（）。A）存放数据和程序B）存放微程序C）存放数据D）存放程序本讲稿第四十四页，共五十页习题习题（3）内存储器的特点是（）。A）速度快、成本低、容量小B）速度慢、成本高、容量大C）速度快、成本高、容量小D）速度快、成本低、容量大（4）半导体只读存储器(ROM)与半导体随机存取存储器(RAM)的主要区别在于（）。A）在掉电后，ROM中存储的信息不会丢失，RAM信息会丢失B）掉电后，ROM信息会丢失，RAM则不会C）ROM是内存储器，RAM是外存储器D

45、）RAM是内存储器，ROM是外存储器（5）下列（）存储方式不能实现虚拟存储器。A）分区B）页式C）段式D）段页式（6）微型计算机配置高速缓冲存储器是为了解决（）。A）主机与外设之间速度不匹配问题B）CPU与辅助存储器之间速度不匹配问题C）内存储器与辅助存储器之间速度不匹配问题D）CPU与内存储器之间速度不匹配问题本讲稿第四十五页，共五十页习题习题（7）SRAM指的是（）。A）静态随机存储器B）静态只读存储器C）动态随机存储器D）动态只读存储器（8）下面有关存储器存取速度快慢的表述中正确的是。（）A）RAMCache硬盘软盘B）CacheRAM硬盘软盘C）Cache硬盘RAM软盘D）硬盘RAM软

46、盘Cache（9）下列叙述中，错误的是（）A）内存储器RAM中主要存储当前正在运行的程序和数据B）高速缓冲存储器（Cache）一般采用DRAM构成C）外部存储器（如硬盘）用来存储必须永久保存的程序和数据D）存储在RAM中的信息会因断电而全部丢失（10）能直接与CPU交换信息的存储器是（）。A）硬盘存储器B）CD-ROMC）内存储器（CACHE）D）软盘存储器（11）把硬盘上的数据传送到计算机内存中去的操作称为（）。A）读盘B）写盘C）输出D）存盘本讲稿第四十六页，共五十页习题习题（12）下列有关内存说法中错误的是。（）A）内存容量是指内存储器中能存储数据的总字节数B）内存容量越大，计算机的处理

47、速度就越快C）内存不能与硬盘直接交换数据D）内存可以通过Cache与CPU交换数据（13）我们通常所说的内存是指。（）A）ROMB）ROM和RAMC）RAMD）ROM的一部分（14）LRU页面调度算法淘汰（）的页。A）最近最少使用B）最近最久未使用C）最先进入主存D）将来最久使用（15）分页虚拟存储管理中，缺页中断时，欲调度一页进入主存中，内存己无空闲块，如何决定淘汰已在主存的块时，（）的选择是很重要的。A）地址变换B）页面调度算法C）对换方式D）覆盖技术本讲稿第四十七页，共五十页习题习题4问答题及计算题问答题及计算题（1）半导体存储器分为哪些类型？简述它们各自的特点。（2）半导体存储器的性能

48、指标有哪些？对微机有何影响？（3）存储器扩展设计的三种基本方法是什么？（4）存储系统分为几个层次？各层次有什么作用？（5）简述什么是静态RAM以及它的使用特点。（6）存储芯片中片选信号的产生方法有哪几种？各有什么特点？（7）一个1K8b的存储芯片需要多少根地址线？多少根数据线？（8）若某微机有16条地址线，现用SRAM2114（1K4）存储芯片组成存储系统，问采用线选译码时，系统的存储容量最大为多少？需要多少个2114存储器芯片？（9）某RAM芯片的存储容量为10248位，该芯片的外部引脚应有几条地址线？几条数据线？若已知某RAM芯片引脚中有15条地址线，8条数据线，那么该芯片的存储容量是多少

49、？（10）RAM和ROM有什么不同的工作特点？本讲稿第四十八页，共五十页习题习题（11）用下列RAM组成存储矩阵，各需要多少个RAM芯片？多少个芯片组？多少根片内地址选择线？多少根芯片组选择地址线？5121bRAM组成16K8b存储矩阵。10241bRAM组成64K8b存储矩阵。2K4bRAM组成64K8b存储矩阵。8K8bRAM组成64K8b存储矩阵。（12）现有存储芯片：2K1b的ROM和4K1b的RAM，若用它们组成容量为16KB的存储器，前4KB为ROM，后12KB为RAM，问各种存储芯片分别需用多少片？（13）在对存储器芯片进行片选时，有哪几种方式？各有什么特点？（14）什么是高速缓

50、冲存储器？它与主存是什么关系？其基本工作原理是什么？（15）什么是虚拟存储器？采用虚拟存储技术能解决什么问题？（16）虚拟存储器的管理方式有哪几种？简述它们的特点。本讲稿第四十九页，共五十页习题习题（17）片选控制译码有哪几种常用方法？其中哪几种方法存在地址重叠问题？（18）内存条有哪些性能指标？它们对内存条的整体性能有什么影响？（19）动态RAM为什么要进行定时刷新？EPROM存储器芯片在没有写入信息时，各个单元的内容是什么？（20）用10241位的RAM芯片组成16K8位的存储器，需要多少个芯片？分为多少组？共需多少根地址线？地址线如何分配？试画出与CPU的连接框图。本讲稿第五十页，共五十