西工大微机原理课件存储器管理

1、第五章 存储器管理第五章第五章 内存储器及其管理内存储器及其管理5.1 5.1 存储器概述存储器概述5.2 5.2 内存储器组成内存储器组成5.3 5.3 内存储器分段管理内存储器分段管理5.4 5.4 内存储器分页管理内存储器分页管理5.5 5.5 地址变换过程地址变换过程第五章 存储器管理5.1 5.1 存储器概述存储器概述1.1.分类：内存储器和外存储器分类：内存储器和外存储器内存内存：也称主存，通过系统总线与：也称主存，通过系统总线与CPUCPU联接，存放联接，存放正在执行的程序和数据；正在执行的程序和数据；外存外存：需通过专门的接口电路和主机联接，存放：需通过专门的接口电路和主机联接

2、，存放暂不执行的程序或不被处理的数据。暂不执行的程序或不被处理的数据。内存：根据数据的存取方式可分为随机存取存储内存：根据数据的存取方式可分为随机存取存储器器 (RAM)(RAM)和只读存储器和只读存储器 (ROM)(ROM)。第五章 存储器管理2.存储器的性能指标存储器的性能指标. .存储器容量存储器容量: :以字节为单元。常以以字节为单元。常以KB KB 、MBMB、GBGB、TBTB为为 单位。单位。. .存取周期存取周期：存储器从接收到地址，到完成读出或者写：存储器从接收到地址，到完成读出或者写 入数据的时间称为存取周期。入数据的时间称为存取周期。. .功耗功耗. .可靠性可靠性. .

3、集成度：常以集成度：常以“位位/ /片片”、“字节字节/ /片片”表示。表示。第五章 存储器管理3.地址译码地址译码地址译码地址译码: :按系统按系统地址总线地址总线上的信息，从整个内存中确上的信息，从整个内存中确定一个存储单元。定一个存储单元。3232位微机中采用复合译码方式。位微机中采用复合译码方式。复合译码复合译码: :由纵横交错的由纵横交错的X X选择线和选择线和Y Y选择线选择某一存选择线选择某一存储单元。储单元。X X地址译码器地址译码器: :它决定选择它决定选择3232行中的某一行；行中的某一行；Y Y地址译码器地址译码器: :它决定选择它决定选择3232列中的某一列。列中的某一

4、列。选择出某一行和某一列选择出某一行和某一列交叉处交叉处的一个存储单元。的一个存储单元。( (如下图如下图) )第五章 存储器管理第五章 存储器管理5.25.2微型计算机内存储器组成微型计算机内存储器组成对单字节、双字节和对单字节、双字节和4 4字节等不同数据的访问。字节等不同数据的访问。单字节单字节: :地址可以是任意地址地址可以是任意地址 ( (即奇地址或者偶地址即奇地址或者偶地址) )；双字节双字节: :偶地址偶地址( (地址末位为地址末位为0)0)作为低作为低8 8位数据地址，位数据地址， 也就是该也就是该1616位数据的地址；位数据的地址；4 4字节字节: :低低2 2位为位为0 0

5、的地址作为低的地址作为低8 8位数据地址，也就是该位数据地址，也就是该3232位数位数 据的地址。据的地址。 3 3- - 0 0: :实现实现8 8位、位、1616位和位和3232位数据的访问位数据的访问. .（表（表5.15.1）第五章 存储器管理一、 32位存储器组成方式 (一个例子)第五章 存储器管理二、存储器多级结构二、存储器多级结构第五章 存储器管理5.35.3内存储器分段管理（内存储器分段管理（保护模式）保护模式） 实模式实模式存储器寻址存储器寻址: :. .段寄存器直接存放某一段的段寄存器直接存放某一段的段基址段基址，段寄存器为，段寄存器为CSCS， DSDS，SSSS，ESE

6、S，FS,GSFS,GS。. .程序给出程序给出逻辑地址逻辑地址，包括段基地址（，包括段基地址（1616位）和相对于位）和相对于 段基地址的段内偏移量（段基地址的段内偏移量（1616位），又称偏移地址。位），又称偏移地址。. .在存储器寻址时，将逻辑地址转换为存储器存储单元在存储器寻址时，将逻辑地址转换为存储器存储单元 的物理地址（实际地址或者绝对地址），物理地址为的物理地址（实际地址或者绝对地址），物理地址为 2020位。地址转换规则为：位。地址转换规则为： 物理地址物理地址= =段基地址段基地址10H10H偏移地址偏移地址第五章 存储器管理保护模式保护模式存贮器分段管理：存贮器分段管理：.

7、 .段寄存器存放段段寄存器存放段选择符选择符。. .选择符用于选择选择符用于选择段描述符。段描述符。. .段描述符包括段描述符包括段基址、段界限（长度）和访问权限段基址、段界限（长度）和访问权限等。等。. . 所有段描述符存于描述符表中（内存）。所有段描述符存于描述符表中（内存）。1 1选择符选择符INDEX INDEX 指示描述符在描述符表中的位置。指示描述符在描述符表中的位置。TI TI 定义描述符表在局部描述符表定义描述符表在局部描述符表LDTLDT中还是在全局中还是在全局 描述符表描述符表GDTGDT中。中。RPL RPL 指示请求特权级指示请求特权级0-30-3。INDEXTIRPL

8、第五章 存储器管理2.2.描述符描述符描述符按照段的性质可分为三类：程序段描述符，系描述符按照段的性质可分为三类：程序段描述符，系统段描述符和门描述符。统段描述符和门描述符。第五章 存储器管理工作原理：工作原理：. .在保护方式下，每个在保护方式下，每个段寄存器段寄存器（CSCS，DSDS，ESES，SSSS，FSFS，GSGS）以及部分）以及部分系统地址寄存器系统地址寄存器（TRTR，LDTRLDTR）对应一个）对应一个描述符寄存器。描述符寄存器。. .段寄存器或者段寄存器或者TRTR，LDTRLDTR作为选择器，存放作为选择器，存放选择符选择符。其。其中高中高1313位作为段描述符表的地址

9、（简称选择码）。位作为段描述符表的地址（简称选择码）。. .每当把一个选择符装入某个段寄存器时，微处理器自每当把一个选择符装入某个段寄存器时，微处理器自动从描述符表中取出相应的动从描述符表中取出相应的描述符描述符，把描述符中的信，把描述符中的信息保存到对应的描述符息保存到对应的描述符高速缓冲寄存器高速缓冲寄存器中。中。第五章 存储器管理描述符组成：描述符组成： (8(8个字节组成个字节组成) ). .描述符的基地址描述符的基地址: :段的起始单元，由段的起始单元，由3232位表示。位表示。. .段界限段界限: :表明段长度，由表明段长度，由2020位表示。位表示。. .访问权限及属性：访问权限

10、及属性： 其中其中G G为段界限长度单位，为段界限长度单位， G=1G=1，指示界限长度以页（，指示界限长度以页（4KB4KB）为单位，最大到）为单位，最大到4GB 4GB 。(2(220 20 页页=2=220202 21212B B= =2 23232B)B) G=0 G=0，以字节为单位，最大到，以字节为单位，最大到1MB(21MB(22020B)B)。第五章 存储器管理保护模式分段管理总结保护模式分段管理总结: 1、段寄存器存放选择符，而选择符用于段寄存器存放选择符，而选择符用于选择选择描述符，描述符又存于描述符表中描述符，描述符又存于描述符表中（内存中）（内存中） 2、每个描述符由物

11、理基地址（段的起始、每个描述符由物理基地址（段的起始单元）、段界限（段最大偏移量，即段单元）、段界限（段最大偏移量，即段长度）及段说明符组成。长度）及段说明符组成。第五章 存储器管理段地址转换：段地址转换：( (逻辑地址转换成线性地址逻辑地址转换成线性地址) ). . 逻辑地址逻辑地址包括包括1616位的段选择符和位的段选择符和3232位的段偏移量。位的段偏移量。. .在保护方式下，根据选择符从段描述表中取出相应在保护方式下，根据选择符从段描述表中取出相应的的描述符描述符，其中包括段基址、界限值、段特权级以及，其中包括段基址、界限值、段特权级以及所允许访问的类型的信息。所允许访问的类型的信息。

12、. .描述符中描述符中3232位段基址加上位段基址加上3232的偏移量（由指令寻址的偏移量（由指令寻址方式决定）得到方式决定）得到线性地址线性地址。. .然后再由分段部件传送给然后再由分段部件传送给分页部件形成物理地址分页部件形成物理地址。如果分页被禁止，计算出的线性地址就是物理地址。如果分页被禁止，计算出的线性地址就是物理地址。第五章 存储器管理5.4 5.4 内存分页管理内存分页管理内存分段存在的问题：内存分段存在的问题：. . 每段每段最长可达最长可达4GB4GB，若程序全段都装入内存运行，则一，若程序全段都装入内存运行，则一两个大程序就会塞满内存，这不利于实现多任务环境。两个大程序就会

13、塞满内存，这不利于实现多任务环境。. . 实际使用中，中小型程序占多数，它们对内存的进进实际使用中，中小型程序占多数，它们对内存的进进出出，造成大量内存出出，造成大量内存“碎片碎片”，浪费内存空间。，浪费内存空间。. . 由于程序运行的局部性，调用内存的大程序中大部分由于程序运行的局部性，调用内存的大程序中大部分指令在很长时间里并不运行，甚至根本不运行。它们即指令在很长时间里并不运行，甚至根本不运行。它们即浪费了调入调出时间，又白占内存空间。浪费了调入调出时间，又白占内存空间。分页管理基本思想：分页管理基本思想：把内存分成等大的块，称为把内存分成等大的块，称为“内存页内存页”；把程序、数据；把

14、程序、数据等各段的内容也人为分成同样大小的块，称为等各段的内容也人为分成同样大小的块，称为“内容内容页页”。针对上述三大问题，页面管理可以如下处理：。针对上述三大问题，页面管理可以如下处理：第五章 存储器管理. . 先把程序的先把程序的前几页调入内存前几页调入内存。开始运行，不断回收。开始运行，不断回收 用过的内存页。这样无论一个段有多大，它只需用过的内存页。这样无论一个段有多大，它只需n n个个 页就可顺利运行了。页就可顺利运行了。. . “碎片碎片”少少。. . 不运行的程序页将不调入内存，避免了不运行程序不运行的程序页将不调入内存，避免了不运行程序 段白占内存的情况。段白占内存的情况。分

15、页管理的代价：占用内存来放置内容页与内存页的对分页管理的代价：占用内存来放置内容页与内存页的对应表；花费时间去决定哪个页收回，哪个页应该调入。应表；花费时间去决定哪个页收回，哪个页应该调入。3232位位CPUCPU系统规定页的大小为系统规定页的大小为4 KB4 KB。第五章 存储器管理内存分页管理图示.doc第五章 存储器管理分页管理通过分页管理通过2 2级页表级页表来实现的：来实现的：. . 将内存按每将内存按每4KB4KB划分为一页划分为一页( (称为一个页面称为一个页面) )，由，由页表页表管理页面，由管理页面，由页目录表页目录表管理页表。管理页表。. .页表页表中存放每个中存放每个页的

16、起始地址页的起始地址( (低低1212位全为位全为0)0)，页表，页表中的每一项称为一个中的每一项称为一个页表项页表项，每个页表项占，每个页表项占4 4个字节。个字节。整个页表占整个页表占4KB4KB空间空间( (一页一页) )，由，由1010位地址位地址表示。表示。. . 页目录表页目录表存放每个存放每个页表的起始地址页表的起始地址，页表的起始地，页表的起始地址址( (低低1212位全为位全为0)0)，页目录表中的每一项称为一个，页目录表中的每一项称为一个页目页目录项录项，也占，也占4 4个字节，整个页目录占个字节，整个页目录占4KB4KB空间空间( (一页一页) )，也由也由1010位地址

17、表示。位地址表示。. .页目录表的首地址页目录表的首地址存放于存放于CPUCPU内内CRCR3 3中。中。这样两级管理共可管理这样两级管理共可管理4GB4GB内存内存(2(210102 210102 21212) )。 第五章 存储器管理保护模式分页管理总结：保护模式分页管理总结： 1、CR3存放页目录表首地址存放页目录表首地址 2、页目录表有、页目录表有10位地址，共存放位地址，共存放1024个个页目录项（页目录项（4字节），而页目录项存放页字节），而页目录项存放页表的起始地址表的起始地址 3、页表有、页表有10位地址，共存放位地址，共存放1024个页表个页表项（项（4字节），而页表项存放页的起始地字节），而页表项存放页的起始地址址第五章 存储器管理页部件的地址转换页部件的地址转换: :线性地址转化为物理地址线性地址转化为物理地址. .分段部件提供的分段部件提供的3232位线性地址中，位线性地址中，高高1010位位作为偏移作为偏移量与控制寄存器量与控制寄存器CRCR3 3中的中的2020位项目录表基址相加位项目录表基址相加( (最低最低2 2位为位为0 0，共，共3232位位) )，