深圳大学微机原理与接口技术PPT第四章

1、第4章内存，内存管理和缓存技术，4.1内存和存储设备4.1.1内存的分类，内存根据其用途和特点可分为两类：1。内部存储器，即快速存取能力有限的存储器或主存储器；2.外部存储器，指容量大、速度慢的外部存储器；4.1.2微机存储器的行列结构。字节机制：各种微型计算机使用8位二进制代码作为一个字节存储的基本单位。b(字节)为基本单位。为什么采用行列结构？每个不同的存储单元都有一个地址。为了简化选择单元的解码电路，在构成存储器时，大量的存储单元总是以多行和多列矩阵的形式排列。因此，一个存储单元可以由行选择线和列选择线来确定。32行32列和外部连接：4.1.3选择存储设备的考虑因素，易失性：只读存储器/

2、软盘/硬盘/光盘/u盘，随机存取存储器只读：随机存取存储器，只读存储器存储容量：由B表示速度：功耗TTL快，功耗大，价格贵，HMOS慢，功耗低，4.1.4随机存取存储器随机存取存储器，主要功能：既可读又可写。分类：随机存储器根据其结构和工作原理分为静态随机存储器或静态随机存储器或动态随机存储器。1.静态随机存取存储器速度快，不需要刷新。芯片容量低，功耗大。2.动态随机存取存储器芯片容量需要更新。(1)动态随机存取存储器的原理：利用电容储存电荷的原理来保存信息，将晶体管结电容的充电状态和放电状态分别取为1和0。(2 1)动态随机存取存储器刷新和动态随机存取存储器控制器刷新：读取、放大和重写动态随

3、机存取存储器一次。刷新方法：最常见的方法是“只有行地址有效”。4.1.5只读存储器，只读存储器特点：只读不写只读存储器设备优点：结构简单，所以位密度高。根据信息设置方法，只读存储器可分为五种类型：掩模只读存储器mos双极可编程只读存储器可擦除可编程只读存储器EPROM电可擦除可编程只读存储器E2PROM闪存，闪存特征：非易失性可靠性，高速，大容量，擦除和写入的灵活性，闪存的分类：根据擦除和使用方法，闪存有三种类型：整体式：擦除和重写操作实现为一个整体。块结构类型：内存被分成大小相等的内存块，每个块都可以被独立地擦除和重写。自举块类型：在块结构的基础上，自举块还可以增加自举功能。当引导块打开时，

4、它可以被擦除和重写，当引导块被锁定时，它只能被读取，但不能被擦除或重写。闪存命令：读取命令读取识别码命令准备擦除和擦除命令验证擦除命令准备程序，程序和程序验证命令复位命令，4.2存储器连接，1 .存储器和中央处理器连接考虑高速中央处理器和低速存储器之间的速度匹配。由中央处理器插入等待状态TW解决。CPU总线的负载能力：增加总线驱动，增加CPU总线的驱动和负载能力。芯片选择信号、行地址和列地址的产生机制：存储器的地址解码分为芯片选择解码和片上解码。芯片选择信号通常是通过芯片选择电路解码高阶地址而产生的。芯片与下地址线连接，为芯片提供内部寻址。2.存储芯片芯片选择信号的产生方法：全解码法适用于组合

5、容量大的存储结构的复杂部分解码方法。行解码方法适用于容量小的简单存储结构。解码电路将一组输入二进制码转换成特定的控制信号，即转换一组输入高阶地址信号以产生用于选择某个存储芯片的有效控制信号，从而确定存储器中存储芯片的地址范围。例如，74LS138解码器构成解码电路，y0 # G1 y1 # g2ay 2 # g2by 3 # y4 # ay5 # buy 6 # cy7 #，芯片选择信号输出，解码许可信号，地址信号，(连接到不同的存储体。74LS138真值表：(注意：输出在低电平有效)可以看出，当解码使能信号有效时，Yi是输入A、B和C的函数，即Y=F (A、B、C)、1、1、1、1、1、x

6、x x和其它值0。1 0 0，1，1，0，1，1，1，1，1 0 1，1 0 0，1，1，1，0，1，1，1，1 0 0，1 0 0，1 0 0，1，1，1，1，0，1，1，0 1 1，1 0 0，1，1，1，1，1，1，0，1，1，0 1，0 1 0，1 0，1，1，1，1，1，1，1，1，0，1，1，1，0，1，1，0，1，0 1，0 1，0 1，1使用全解码方法，每个存储单元的地址是唯一的并且没有地址重叠，但是解码电路是复杂的并且有许多连接。完全解码方法可以为所有存储空间提供寻址能力。当存储器容量小于可寻址存储器空间时，可以从解码器输出线中选择几个连续的作为芯片选择控制，并且冗余的可以在

7、必要时闲置以进行扩展。全地址解码，使用所有高阶地址信号作为解码信号，使得存储器芯片的每个单元占据唯一的存储器地址。存储器芯片，解码器，低位地址，高位地址，所有地址，芯片选择信号，全地址解码示例，6264芯片地址范围：F0000h F1fffh11110000.00 111100011.11.# CS1、A12 A0、D7 D0、所有高阶地址线参与解码、6264、A12-A0、D7-D0、#OE #WE、部分解码方法是解码一部分高阶地址线(当不需要所有地址空间的寻址能力时，通常使用此方法，但当使用线选择时，地址线是不够的。当使用部分解码时，存在地址重叠问题，因为不参与解码的高阶地址与存储器地址无

8、关。当选择不同的高阶地址线进行部分解码时，相应的地址空间是不同的。在示例2中，当2，中央处理器地址总线是16位并且存储器由4个容量为8KB的芯片组成时，使用部分解码方法来寻址32KB。部分地址解码，使用部分高阶地址信号(但不是全部)作为解码信号，使得所选择的存储器芯片占据几组不同的地址范围。以下示例使用高5位地址作为解码信号，因此所选芯片的每个单元都有两个地址，即两个地址都指向同一个单元。例如，部分地址解码，同一物理存储器占用两组地址：F0000HF1FFFH B0000HB1FFFH A18不参与解码、A19、A17、A16、A15、A14、A13、1、至6264 CS1、We、OE、CS1

9、、CS2、A0 A12、memw、memr、d0 D7、G1、g2a、g2b、c、b、a、a行选择方法意味着上部地址行被直接用作存储器芯片的芯片选择信号，而无需解码。每条上地址线连接到一个芯片，下地址线用于实现片上寻址。线选择方法的优点是结构简单，但缺点是地址空间被浪费，整个存储器地址空间是不连续的，并且因为一些地址线不参与解码，所以会有地址重叠。在示例3中，假设微型计算机系统的存储容量是8KB，中央处理器寻址空间是64KB(即，地址总线是16位)，并且所使用的芯片容量是2KB(即，片上地址是11位)。在微型计算机中，不管字长是多少，每个存储模块(8位机器是单个存储模块，16位机器是双模块，3

10、2位机器是4个模块)都被分成以一个字节为基本单位的存储单元，即每8位是对应于一个存储地址的存储单元。当这些具有不同于8位的存储字长的芯片用于构造存储器时，必须将多个芯片组合在一起以并行构造具有8位的存储单元。当存储单元由多个芯片组成时，它们的地址线和控制线完全并联，并且数据线连接到数据总线的不同位线。当存储器系统具有大量存储器芯片时，基于对总线负载容量的考虑，应该在数据总线和存储器数据线之间使用双向驱动器。4.内存的数据宽度扩展和字节数扩展。(1)内存容量扩展体现在两个方面：数据宽度扩展和字节数扩展。(2)数据宽度扩展和字节数扩展方法，扩展内存数据宽度，27c256，62256，(SRAM)

11、32k8，(EPROM 32k8)，扩展内存字节容量。4.3.1分层内存架构，分层整体结构，图4.7分层内存整体结构(片外到二级缓存，片内到一级缓存)，从上到下，价格不断下降，容量依次增加，速度依次降低，CPU访问频率依次降低。其中的内容通过缓存技术和虚拟存储技术自动转换和调度。内存分区结构，图4.8电脑内存组织，基本内存区：主要由DOS操作系统使用。高内存区：预留给系统只读存储器和外设适配卡缓冲区。扩展内存区：通过将内存扩展卡插入总线插槽来扩展内存空间，最大扩展容量为32MB。扩展存储区：仅32位微型计算机可用的存储区是指1MB以上的存储空间，但不是通过映射内存扩展卡获得的。1)基本存储区，

12、图4.9基本存储区的组织，2)高存储区，图4.10高存储区的组织，3)扩展存储区，图4.11一页组扩展存储器与高存储区64KB映射，高级微机系统的存储驱动软件模拟和扩展部分扩展存储空间的使用。下面的语句被添加到CONFIG中。SYS文件：device=c : dos himem . sysdevice=c : dos EMM386.EXE ram 32000 dos=umb，16位微机系统的内存组织，16位中央处理器使用20位地址总线寻址1MB内存空间，第一个地址为00000H，最后一个地址为FFFFFH。整个存储器由两个512千字节的存储体组成，一个是奇数地址存储体，其数据线与数据总线的高8

13、位相连，也称为高字节存储体。另一个是偶数地址库，其数据线与数据总线的低8位相连，也称为低字节库。两个存储体都连接到地址线a19-a1。16位CPU以两种方式访问内存：字节访问和字访问。当按字节访问时，您只能访问奇数地址组或偶数地址组。#BHE用作奇数地址存储体的存储体选择信号，A0用作偶数地址存储体的存储体选择信号。8086数据总线的传输特性：读/写偶数地址字A0=0，#BHE=0读/写偶数地址字节A0=0，#BHE=1读/写奇数地址字节A0=1，#BHE=0读/写奇数地址字，16位微机系统的存储组织，16位中央处理器在字存取时有对齐状态和未对齐状态。字的对齐状态要求起始地址是偶数，并且16位

14、字的传输可以在一个总线周期内完成。在未对齐状态下，字的低8位在奇数地址体，高8位在偶数地址体。此时，中央处理器需要在两个总线周期内完成16位字的传输，一个总线周期访问奇数地址体并传输低8位数据，第二个总线周期访问偶数地址体并传输高8位数据。编程时，程序员应该尝试使用偶数地址进行字访问。32位微机系统的存储结构。在32位系统中访问存储体时，有字对齐状态和双字对齐状态。双字对齐状态要求起始地址是4的倍数。4.4.1虚拟存储技术和三种类型的地址。虚拟存储技术是指程序使用的逻辑存储空间，它可以比物理存储大得多，其对应的地址称为虚拟地址，也称为逻辑地址。虚拟内存机制由主内存、辅助内存和存储管理组件组成。

15、通过管理软件，实现了主存储器和辅助存储器的紧密配合，使得整个存储系统的速度接近主存储器，容量接近辅助存储器，解决了大容量和低成本的矛盾、4.4奔腾的虚拟存储机制和片上两级存储管理、4.4.1虚拟存储技术和三种类型的地址。根据主存的划分，虚拟内存有两种类型：分段虚拟内存和页面虚拟内存。分段特征：每个分段的长度不是固定的，每个分段都是受保护的和独立的。优点：程序段对应程序模块，易于管理和维护。分段的缺点：每段的长度不同，给主存的分配空间带来不便，并且很容易在段之间留下零碎的存储空间，造成内存浪费和效率降低。4.4奔腾的虚拟存储机制和片上两级存储管理、4.4.1虚拟存储技术和三种类型的地址、分页特性

16、：系统中的所有页面都有固定的大小。例如，4KB或4GB页面的起点和终点也是固定的。只有分页机制支持虚拟存储，即虚拟大存储空间和小主存。分页机制将虚拟内存和主内存一起分页。主存中的页面称为真实页面，虚拟内存中的页面也称为虚拟页面。真实页面和虚拟页面大小相同，但虚拟页面的数量要大得多。当中央处理器访问主存时，它使用一个逻辑地址，即虚拟地址。在访问过程中，它首先判断与该地址对应的内容是否在主存储器中。如果是，它需要找到相应的实际页码；否则，它需要将页面从辅助存储器转移到主存储器。页面虚拟存储机制的优点是可以充分利用内存，但不方便与模块化程序连接。奔腾系统采用分段页面虚拟存储机制，采用两级存储管理，结合了两者的优点。逻辑地址、