《存储器与存储系统》PPT课件.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是什么？主存太小怎么办？主存速度太慢怎么办？编程要考虑主存大小吗？存储器的层次结构？速度、价格、容量）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3CH 4 存储器与存储系统存储器与存储系统l4.1 存储器概

2、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54.

3、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，简称外存或叫辅助存储器或辅存。储器，简称外存或叫辅助存储器或辅存。6分类分类l1、按存储介质分、按存储介质分 半导体、磁表面、光存储器半导体、磁表面、光存储器2、按存

4、取分、按存取分内存内存随即存储器随即存储器RAM只读存储器只读存储器ROM外存外存 SAM顺序存储器（磁带）顺序存储器（磁带）DAM直接存储器（磁盘）直接存储器（磁盘）74.1.2 存储器的分类存储器的分类84.1.3 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 94.1.3 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作叫写操作。从存储器取出信息

5、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：存储器被连续访问时，每秒钟传送信

6、息的位数用用BM表示，单位：位秒。表示，单位：位秒。W为存储器的数据宽度为存储器的数据宽度104.1.3 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。平均无故障时间（间（MTBF）越长，表

7、示存储器的可靠性越好。）越长，表示存储器的可靠性越好。114.1.4 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

8、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。124.1.4 存储器的层次结构存储器的层次结构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

9、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、每位价格较低的辅助存储器上上 134.1.4 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14分层结构分层结构l1、主存、主存-辅存辅

10、存 解决存储器的容量解决存储器的容量2、CACHE-主存主存 解决存储器速度解决存储器速度15CH 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164.2.1 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

11、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 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读操作：存储器读操作：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

12、息字送往DR.lCPU发写发写(Write)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

13、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 194.2.1 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（字：地址（字：地

14、址 位：数据）位：数据）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。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

15、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。

16、存储器外部交换信息。224.2.1 主存储器的基本结构和操作主存储器的基本结构和操作234.2.1 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读写控制与输入读写控制与输入/输出电路输出电路244.2.2 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

17、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，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。254.2.2

18、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

19、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，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。T264.2.2 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 274.2.2 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，这充电过程称为掉以前就进行充电，

20、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）l专用电路刷新专用电路刷新284.2.2 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工作时间为200ns，RAM刷新周期为刷新周期为2m

21、s。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求.294.2.3 主存扩展主存扩展l半导体半导体R

22、AM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 304.2.3 主存扩展主存扩展l位扩展连接举例位扩展连接举例314.2.3 主存扩展主存扩展l位扩展

23、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/WE324.2.3 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，由/CS区分各芯区分各芯片的地址范围片的地址范围/WE334.2.3 主存扩展主存扩展l字扩展连接举例字扩展连接举例344.2.3 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：

24、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/写控制信号写控制信号/WE或或R/W354.2.3 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36CH 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

25、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 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374.3.1 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

26、 384.3.2 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。394.3.2 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-1MAR0.00.0

27、0.0FF.0.10.00.1FF.F.F0.0F.FFF.译码器地址寄存器（低位）.（高位）404.3.2 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）41CH 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l4.4.1 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

28、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42存储器结构存储器结构1、容量-虚拟存储器2、速度-CACHE 3、价格434.4.2 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

29、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）。444.4.2 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是把虚拟地址空间映象到主存地址

30、空间，就是把用户用虚拟地址存地址空间，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编写的程序按照某种规则装入到主存储器中，并储器中，并建立多用户虚地址与主存建立多用户虚地址与主存实地址之间的对应关系。实地址之间的对应关系。l地址变换地址变换则是在程序被装入主存储器则是在程序被装入主存储器之后，在实际运行时，把之后，在实际运行时，把多用户虚地多用户虚地址变换成主存实地址址变换成主存实地址（内部地址变换）（内部地址变换）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）。45地址的映象与变换地址的映象与变换l程序装入程序装入l程序读取程序读取46l根据所采用的地址映象和地址

31、变换方法根据所采用的地址映象和地址变换方法不同，有不同，有1.段式虚拟存储器段式虚拟存储器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474.4.1 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4

32、8段式虚拟存储器段式虚拟存储器l段是利用程序的模块化性质段是利用程序的模块化性质,按照程序的逻辑按照程序的逻辑结构划分成的多个相对独立部分结构划分成的多个相对独立部分.段作为独立段作为独立的逻辑单位可以被其他程序段调用的逻辑单位可以被其他程序段调用,这样就形这样就形成段间连接成段间连接,产生规模较大的程序产生规模较大的程序.l一般用段表来指明各段在主存中的位置一般用段表来指明各段在主存中的位置,每段每段都有它的名称、段起点、段长等都有它的名称、段起点、段长等.l段表本身也是主存储器的一个可再定位段段表本身也是主存储器的一个可再定位段491.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l把主存按段分配的存储管理

33、方式称为把主存按段分配的存储管理方式称为段式段式管理管理。l每一道程序（或一个用户、一个进程等）每一道程序（或一个用户、一个进程等）由一张由一张段表段表控制，每个程序段在段表中占控制，每个程序段在段表中占一行。一行。l段表的内容主要包括段表的内容主要包括段号段号（或段名）、该（或段名）、该程序段的长度程序段的长度、在主存中的、在主存中的起始地址起始地址等三等三个字段。个字段。501.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01K8K150016K22009K320030K01K05000200020008K9K1

34、6K30K主存储器程序空间段表511.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。52二二.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l虚拟存储器的管理按程序段为单位进行管理。虚拟存储器的管理按程序段为单位进行管理。程序空间程序空间 大小大小 段1 1K 段2 2K 段3 3K 段4 1K 段5 2K

35、 段段 表表段1段5主存空间主存空间 地址地址0 1K3K 5K8K-1段3设主存空间设主存空间8K53二二.段式虚拟存储器段式虚拟存储器l段式虚实地址转换段式虚实地址转换段表长度段表起始地址位移量100段号2l.由于页的大小都取由于页的大小都取2的整数幂个字的整数幂个字,所以所以,页的起点都页的起点都落在低位字段为零的地址上落在低位字段为零的地址上.可把可把虚拟地址分为两个字段虚拟地址分为两个字段,高位字段为虚页号高位字段为虚页号,低位字段为页内字地址低位字段为页内字地址.l虚拟地址到主存实地址的变换是由页表来实现的虚拟地址到主存实地址的变换是由页表来实现的.在页表在页表中中,对应每一个虚存

36、页号有一个表目对应每一个虚存页号有一个表目,表目内容至少要包含表目内容至少要包含该虚页所在的主存页面地址该虚页所在的主存页面地址(页面号页面号),用它作为实用它作为实(主主)存存地址的高字段地址的高字段;与虚拟地址的字地址字段相拼接与虚拟地址的字地址字段相拼接,就产生完就产生完整的实主存地址整的实主存地址,据此访问主存据此访问主存.59三三.页式虚拟存储器页式虚拟存储器图图7.14 页式虚拟存储器结构页式虚拟存储器结构612.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 622.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

37、 632.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642.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

38、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空间。653.段页式虚拟存储器段页式虚拟存储器l段式和页式存储管理各有其优缺点，可以采用段式和页式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

39、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。663.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

40、0段页表2段页表每页4KB673.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拟存储器的地址变换 68 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 694.4.4 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常用替换算法常用替换算法l先进先出（先进先出（FIFO）l最近最少使用（最近最少使用（LRU）704.4.4 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

41、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：先进先出算法先进先出算法lLRU：最近最少使用算法最近最少使用算法l假设假设3个块为个块为入入出出714.4.4 页面替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

42、 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 724.4.4 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 8/4 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 73CH 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

43、 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 地址映象与变换方法地址映象与变换方法l4.5.3 Cache替换算法及其实现替换算法及其实现l4.6 存储保护存储保护74CH 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l4.6.1 存储区域保护存储区域保护l4.6.2 访问方式保护访问方式保护75作

44、业：作业：lP108l4.1;4.3;l;4.9;76要点：要点：1.SRAM、DRAM2.刷新、刷新周期刷新、刷新周期3.存取时间、存储周期存取时间、存储周期4.相联存储器相联存储器5.时间局部性、空间局部性、命中率时间局部性、空间局部性、命中率6.实地址、虚地址实地址、虚地址7.段表、页表段表、页表8.存储系统结构存储系统结构9.直接映像、全相联映像、组相联映像直接映像、全相联映像、组相联映像10.虚拟存储器虚拟存储器11.段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚段式虚拟存储器、页式虚拟存储器、段页式虚拟存储器拟存储器77原理：原理：lCACHEl虚拟存储器虚拟存储器l分层结构分层结构l刷新分类刷新分类l替换算法分类替换算法分类l习题习题 扩展方法扩展方法