存儲器管理-西北工業(yè)大學(xué)微機(jī)原理.ppt

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第五章內(nèi)存儲器及其管理 5 1存儲器概述5 2內(nèi)存儲器組成5 3內(nèi)存儲器分段管理5 4內(nèi)存儲器分頁管理5 5地址變換過程 5 1存儲器概述 1 分類 內(nèi)存儲器和外存儲器內(nèi)存 也稱主存 通過系統(tǒng)總線與CPU聯(lián)接 存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù) 外存 需通過專門的接口電路和主機(jī)聯(lián)接 存放暫不執(zhí)行的程序或不被處理的數(shù)據(jù) 內(nèi)存 根據(jù)數(shù)據(jù)的存取方式可分為隨機(jī)存取存儲器 RAM 和只讀存儲器 ROM 2 存儲器的性能指標(biāo) 存儲器容量 以字節(jié)為單元 常以KB MB GB TB為單位 存取周期 存儲器從接收到地址 到完成讀出或者寫入數(shù)據(jù)的時(shí)間稱為存取周期 功耗 可靠性 集成度 常以 位 片 字節(jié) 片 表示 3 地址譯碼 地址譯碼 按系統(tǒng)地址總線上的信息 從整個(gè)內(nèi)存中確定一個(gè)存儲單元 32位微機(jī)中采用復(fù)合譯碼方式 復(fù)合譯碼 由縱橫交錯(cuò)的X選擇線和Y選擇線選擇某一存儲單元 X地址譯碼器 它決定選擇32行中的某一行 Y地址譯碼器 它決定選擇32列中的某一列 選擇出某一行和某一列交叉處的一個(gè)存儲單元 如下圖 5 2微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲器組成 對單字節(jié) 雙字節(jié)和4字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問 單字節(jié) 地址可以是任意地址 即奇地址或者偶地址 雙字節(jié) 偶地址 地址末位為0 作為低8位數(shù)據(jù)地址 也就是該16位數(shù)據(jù)的地址 4字節(jié) 低2位為0的地址作為低8位數(shù)據(jù)地址 也就是該32位數(shù)據(jù)的地址 3 0 實(shí)現(xiàn)8位 16位和32位數(shù)據(jù)的訪問 表5 1 一 32位存儲器組成方式 一個(gè)例子 二 存儲器多級結(jié)構(gòu) 5 3內(nèi)存儲器分段管理 保護(hù)模式 實(shí)模式存儲器尋址 段寄存器直接存放某一段的段基址 段寄存器為CS DS SS ES FS GS 程序給出邏輯地址 包括段基地址 16位 和相對于段基地址的段內(nèi)偏移量 16位 又稱偏移地址 在存儲器尋址時(shí) 將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲器存儲單元的物理地址 實(shí)際地址或者絕對地址 物理地址為20位 地址轉(zhuǎn)換規(guī)則為 物理地址 段基地址 10H 偏移地址 保護(hù)模式存貯器分段管理 段寄存器存放段選擇符 選擇符用于選擇段描述符 段描述符包括段基址 段界限 長度 和訪問權(quán)限等 所有段描述符存于描述符表中 內(nèi)存 1 選擇符 INDEX指示描述符在描述符表中的位置 TI定義描述符表在局部描述符表LDT中還是在全局描述符表GDT中 RPL指示請求特權(quán)級0 3 2 描述符描述符按照段的性質(zhì)可分為三類 程序段描述符 系統(tǒng)段描述符和門描述符 工作原理 在保護(hù)方式下 每個(gè)段寄存器 CS DS ES SS FS GS 以及部分系統(tǒng)地址寄存器 TR LDTR 對應(yīng)一個(gè)描述符寄存器 段寄存器或者TR LDTR作為選擇器 存放選擇符 其中高13位作為段描述符表的地址 簡稱選擇碼 每當(dāng)把一個(gè)選擇符裝入某個(gè)段寄存器時(shí) 微處理器自動從描述符表中取出相應(yīng)的描述符 把描述符中的信息保存到對應(yīng)的描述符高速緩沖寄存器中 描述符組成 8個(gè)字節(jié)組成 描述符的基地址 段的起始單元 由32位表示 段界限 表明段長度 由20位表示 訪問權(quán)限及屬性 其中G為段界限長度單位 G 1 指示界限長度以頁 4KB 為單位 最大到4GB 220頁 220212B 232B G 0 以字節(jié)為單位 最大到1MB 220B 段地址轉(zhuǎn)換 邏輯地址轉(zhuǎn)換成線性地址 邏輯地址包括16位的段選擇符和32位的段偏移量 在保護(hù)方式下 根據(jù)選擇符從段描述表中取出相應(yīng)的描述符 其中包括段基址 界限值 段特權(quán)級以及所允許訪問的類型的信息 描述符中32位段基址加上32的偏移量 由指令尋址方式?jīng)Q定 得到線性地址 然后再由分段部件傳送給分頁部件形成物理地址 如果分頁被禁止 計(jì)算出的線性地址就是物理地址 5 4內(nèi)存分頁管理 內(nèi)存分段存在的問題 每段最長可達(dá)4GB 若程序全段都裝入內(nèi)存運(yùn)行 則一兩個(gè)大程序就會塞滿內(nèi)存 這不利于實(shí)現(xiàn)多任務(wù)環(huán)境 實(shí)際使用中 中小型程序占多數(shù) 它們對內(nèi)存的進(jìn)進(jìn)出出 造成大量內(nèi)存 碎片 浪費(fèi)內(nèi)存空間 由于程序運(yùn)行的局部性 調(diào)用內(nèi)存的大程序中大部分指令在很長時(shí)間里并不運(yùn)行 甚至根本不運(yùn)行 它們即浪費(fèi)了調(diào)入調(diào)出時(shí)間 又白占內(nèi)存空間 分頁管理基本思想 把內(nèi)存分成等大的塊 稱為 內(nèi)存頁 把程序 數(shù)據(jù)等各段的內(nèi)容也人為分成同樣大小的塊 稱為 內(nèi)容頁 針對上述三大問題 頁面管理可以如下處理 先把程序的前幾頁調(diào)入內(nèi)存 開始運(yùn)行 不斷回收用過的內(nèi)存頁 這樣無論一個(gè)段有多大 它只需n個(gè)頁就可順利運(yùn)行了 碎片 少 不運(yùn)行的程序頁將不調(diào)入內(nèi)存 避免了不運(yùn)行程序段白占內(nèi)存的情況 分頁管理的代價(jià) 占用內(nèi)存來放置內(nèi)容頁與內(nèi)存頁的對應(yīng)表 花費(fèi)時(shí)間去決定哪個(gè)頁收回 哪個(gè)頁應(yīng)該調(diào)入 32位CPU系統(tǒng)規(guī)定頁的大小為4KB 分頁管理通過2級頁表來實(shí)現(xiàn)的 將內(nèi)存按每4KB劃分為一頁 稱為一個(gè)頁面 由頁表管理頁面 由頁目錄表管理頁表 頁表中存放每個(gè)頁的起始地址 低12位全為0 頁表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁表項(xiàng) 每個(gè)頁表項(xiàng)占4個(gè)字節(jié) 整個(gè)頁表占4KB空間 一頁 由10位地址表示 頁目錄表存放每個(gè)頁表的起始地址 頁表的起始地址 低12位全為0 頁目錄表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁目錄項(xiàng) 也占4個(gè)字節(jié) 整個(gè)頁目錄占4KB空間 一頁 也由10位地址表示 頁目錄表的首地址存放于CPU內(nèi)CR3中 這樣兩級管理共可管理4GB內(nèi)存 210 210 212 頁部件的地址轉(zhuǎn)換 線性地址轉(zhuǎn)化為物理地址 分段部件提供的32位線性地址中 高10位作為偏移量與控制寄存器CR3中的20位項(xiàng)目錄表基址相加 最低2位為0 共32位 指示頁目錄表中的某一目錄項(xiàng) 該目錄項(xiàng)中的20位地址作為頁表基址與線性地址中的中間10位 作為偏移量 相加 最低2位為0 共32位 指示某一頁表中的某一項(xiàng) 該項(xiàng)中的20位地址再作為頁基址與線性地址中的低12位偏移量相加 生成指向某一存儲單元的32位物理地址