存儲(chǔ)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(chǔ)器及其管理 5 1存儲(chǔ)器概述5 2內(nèi)存儲(chǔ)器組成5 3內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理5 4內(nèi)存儲(chǔ)器分頁(yè)管理5 5地址變換過(guò)程 5 1存儲(chǔ)器概述 1 分類(lèi) 內(nèi)存儲(chǔ)器和外存儲(chǔ)器內(nèi)存 也稱主存 通過(guò)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(guò)專(zhuān)門(mén)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(chǔ)器 RAM 和只讀存儲(chǔ)器 ROM 2 存儲(chǔ)器的性能指標(biāo) 存儲(chǔ)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(chǔ)器從接收到地址 到完成讀出或者寫(xiě)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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)單元 如下圖 5 2微型計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器組成 對(duì)單字節(jié) 雙字節(jié)和4字節(jié)等不同數(shù)據(jù)的訪問(wèn) 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(wèn) 表5 1 一 32位存儲(chǔ)器組成方式 一個(gè)例子 二 存儲(chǔ)器多級(jí)結(jié)構(gòu) 5 3內(nèi)存儲(chǔ)器分段管理 保護(hù)模式 實(shí)模式存儲(chǔ)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(duì)于段基地址的段內(nèi)偏移量 16位 又稱偏移地址 在存儲(chǔ)器尋址時(shí) 將邏輯地址轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元的物理地址 實(shí)際地址或者絕對(duì)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(zhǎng)度 和訪問(wèn)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(qǐng)求特權(quán)級(jí)0 3 2 描述符描述符按照段的性質(zhì)可分為三類(lèi) 程序段描述符 系統(tǒng)段描述符和門(mén)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(duì)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(jiǎn)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(dòng)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(duì)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(zhǎng)度 由20位表示 訪問(wèn)權(quán)限及屬性 其中G為段界限長(zhǎng)度單位 G 1 指示界限長(zhǎng)度以頁(yè) 4KB 為單位 最大到4GB 220頁(yè) 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(jí)以及所允許訪問(wèn)的類(lèi)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(yè)部件形成物理地址 如果分頁(yè)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(yè)管理 內(nèi)存分段存在的問(wèn)題 每段最長(zhǎng)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(huì)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(duì)內(nèi)存的進(jìn)進(jìn)出出 造成大量?jī)?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(zhǎng)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(yè)管理基本思想 把內(nèi)存分成等大的塊 稱為 內(nèi)存頁(yè) 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(yè) 針對(duì)上述三大問(wèn)題 頁(yè)面管理可以如下處理 先把程序的前幾頁(yè)調(diào)入內(nèi)存 開(kāi)始運(yùn)行 不斷回收用過(guò)的內(nèi)存頁(yè) 這樣無(wú)論一個(gè)段有多大 它只需n個(gè)頁(yè)就可順利運(yùn)行了 碎片 少 不運(yùn)行的程序頁(yè)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(yè)管理的代價(jià) 占用內(nèi)存來(lái)放置內(nèi)容頁(yè)與內(nèi)存頁(yè)的對(duì)應(yīng)表 花費(fèi)時(shí)間去決定哪個(gè)頁(yè)收回 哪個(gè)頁(yè)應(yīng)該調(diào)入 32位CPU系統(tǒng)規(guī)定頁(yè)的大小為4KB 分頁(yè)管理通過(guò)2級(jí)頁(yè)表來(lái)實(shí)現(xiàn)的 將內(nèi)存按每4KB劃分為一頁(yè) 稱為一個(gè)頁(yè)面 由頁(yè)表管理頁(yè)面 由頁(yè)目錄表管理頁(yè)表 頁(yè)表中存放每個(gè)頁(yè)的起始地址 低12位全為0 頁(yè)表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁(yè)表項(xiàng) 每個(gè)頁(yè)表項(xiàng)占4個(gè)字節(jié) 整個(gè)頁(yè)表占4KB空間 一頁(yè) 由10位地址表示 頁(yè)目錄表存放每個(gè)頁(yè)表的起始地址 頁(yè)表的起始地址 低12位全為0 頁(yè)目錄表中的每一項(xiàng)稱為一個(gè)頁(yè)目錄項(xiàng) 也占4個(gè)字節(jié) 整個(gè)頁(yè)目錄占4KB空間 一頁(yè) 也由10位地址表示 頁(yè)目錄表的首地址存放于CPU內(nèi)CR3中 這樣兩級(jí)管理共可管理4GB內(nèi)存 210 210 212 頁(yè)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(yè)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(yè)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(yè)表中的某一項(xiàng) 該項(xiàng)中的20位地址再作為頁(yè)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(chǔ)單元的32位物理地址