【文章內(nèi)容簡介】 優(yōu)點，實際應用比較有優(yōu)勢3）DRAM的擴展特殊性DRAM地址的特殊性問題：行地址和列地址復用，行地址和列地址的定時和選通之間的問題。需要將CPU全地址分為行地址和列地址，以及產(chǎn)生行選通信號RAS和列選通信號CAS。（四） 只讀存儲器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀／寫的隨機存儲器，當?shù)綦姇r，所存儲的內(nèi)容消失，所以是易失性存儲器。只讀存儲器，即使停電，所存儲的內(nèi)容也不丟失。根據(jù)半導體制造工藝的不同，可分為ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory1. 只讀存儲器（ROM） 掩模式ROM由芯片制造商在制造時寫入內(nèi)容，以后只能讀而不能再寫入。其基本存儲原理是以元件的“有／無”來表示該存儲單元的信息（“1”或“0”），可以用二極管或晶體管作為元件，顯而易見，其存儲內(nèi)容是不會改變的。2. 可編程序的只讀存儲器（PROM） PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來確定ROM中的內(nèi)容，常見的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”。剛出廠的產(chǎn)品，其熔絲是全部接通的。根據(jù)需要斷開某些單元的熔絲（寫入）。顯而易見，斷開后的熔絲是不能再接通了，因而一次性寫入的存儲器。掉電后不會影響其所存儲的內(nèi)容。3. 可擦可編程序的只讀存儲器（EPROM）為了能修改ROM中的內(nèi)容，出現(xiàn)了EPROM。利用浮動柵MOS電路保存信息，信息的改寫用紫外線照射即可擦除。4. 可電擦可編程序只讀存儲器（E2PROM） E2PROM的編程序原理與EPROM相同，但擦除原理完全不同，重復改寫的次數(shù)有限制（因氧化層被磨損），一般為10萬次。 其讀寫操作可按每個位或每個字節(jié)進行，類似SRAM，但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒，比SRAM長得多。E2PROM每個存儲單元采則2個晶體管。其柵極氧化層比EPROM薄，因此具有電擦除功能。 5. 快除讀寫存儲器（Flash Memory） F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其讀寫過程和E2PROM不同，F(xiàn)1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位。（五） 主存儲器與CPU的連接1個存儲器的芯片的容量是有限的，它在字數(shù)或字長方面與實際存儲器的要求都有很大差距，所以需要在字向和位向進行擴充才能滿足需要。根據(jù)存儲器所需的存儲容量和所提供的芯片的實際容量，可以計算出總的芯片數(shù)。一個存儲器的容量為MN位，若使用LK位存儲器芯片，那么，這個存儲器共需要M/LN/K存儲器芯片。1．位擴展 位擴展指的是用多個存儲器器件對字長進行擴充。位擴展的連接方式是將多片存儲器的地址、片選己、讀寫控制端R/W可相應并聯(lián)，數(shù)據(jù)端分別引出。1K4的SRAM存儲芯片構(gòu)造1K8的存儲器（位擴展）1K8 S RAM存儲芯片構(gòu)成4K8的存儲器（字擴展）2．字擴展 字擴展指的是增加存儲器中字的數(shù)量。靜態(tài)存儲器進行字擴展時，將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線相應并聯(lián)，而由片選信號來區(qū)分各芯片的地址范圍。 下圖是1 K 8 S RAM存儲芯片構(gòu)成4K 8的存儲。3．字位擴展 實際存儲器往往需要字向和位向同時擴充。基本思路可參照位擴展和字擴展。1K4SRAM存儲芯片構(gòu)成16K8的存儲器（六） 雙口RAM和多模塊存儲器雙端口存儲器是一種具有兩個單獨的讀/寫端口及控制電路的存儲器，通過增加一個讀/寫端口，雙端口存儲器擴展了存儲器的的信息交換能力。雙端口存儲器存在沖突的讀寫控制問題，當兩端口同時訪問存儲器統(tǒng)一單元時，便發(fā)生讀寫沖突。為解決此問題，設(shè)置標志。讀寫某個單元之前，檢查標記，訪問單元時，標記置低；讀寫完畢，恢復標記高。（1）存儲器的模塊化組織一個由若干個模塊組成的主存儲器是線性編址的。這些地址在各模塊中有兩種安排方式，分別是：順序方式和交叉方式，如表所示。地址高位地址低位工作方式優(yōu)點缺點順序方式選擇模塊選擇字模塊單獨工作，串行存儲器結(jié)構(gòu)，連續(xù)地址位于同一模塊中擴容方便，模塊間故障隔離帶寬受限交叉方式選擇字選擇模塊模塊同時并行工作，并行存儲器結(jié)構(gòu)；連續(xù)地址分配在不同的模塊中提高了帶寬，提高了機器運行速度故障不能隔離，一個模塊出錯，程序就出錯（七） 高速緩沖存儲器（Cache）1. 程序訪問的局部性從大量的統(tǒng)計中得到的一個規(guī)律是，程序中對于存儲空間90%的訪問局限于存儲空間的10%的區(qū)域中，而另外10%的訪問則分布在存儲空間的其余90%的區(qū)域中。這就是通常說的局部性原理。訪存的局部性規(guī)律包括兩個方面：時間局部性：如果一個存儲項被訪問，則可能該項會很快被再次訪問。 空間局部性：如果一個存儲項被訪問，則該項及其鄰近的項也可能很快被訪問。2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成，塊表和快速存儲器。其工作原理是：處理機按主存地址訪問存儲器，存儲器地址的高段通過主存Cache地址映象機構(gòu)借助查表判定該地址的存儲單元是否在Cache中，如果在，則Cache命中，按Cache地址訪問Cache。否則，Cache不命中，則需要訪問主存，并從主存中調(diào)入相應數(shù)據(jù)塊到Cache中，若Cache中已寫滿，則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去，并修改有關(guān)的地址映象關(guān)系。從這個工作原理我們可以看出，它已經(jīng)涉及到了兩個問題。首先是定位、然后是替換的問題。Cache的存在對程序員是透明的。其地址變換和數(shù)據(jù)塊的替換算法均由硬件實現(xiàn)。通常Cache被集成到CPU內(nèi)以提高訪問速度。下圖是Cache的基本結(jié)構(gòu)。3. Cache和主存之間的映射方式因為處理機訪問都是按主存地址訪問的，而Cache的空間遠小于主存，如何知道這一次的訪問內(nèi)容是不是在Cache中，在Cache中的哪一個位置呢? 這就需要地址映象，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。讓Cache中一個存儲塊(空間)與主存中若干塊相對應，如此，訪問一個主存地址時，就可以對應地知道在cache中哪一個地址了。地址映象的方法有三種：直接映象、全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象。 （1）直接映像直接映象就是將主存地址映象到Cache中的一個指定地址。任何時候，主存中存儲單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個位置，這是固定的，若這個位置已有數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生沖突，原來的塊將無條件地被替換出去。每個主存塊只與一個Cache塊對應，映射關(guān)系：i = j mod C 或者 i = j mod 2c其中，i為cache塊號，j為主存塊號。主存標記字段為t=mc直接映射直接映像的缺點是不夠靈活，每個主存塊只能固定映射到Cache的某個塊上，即使存在空閑的塊，也不能使用，Cache空間得不到充分利用。（2）全相聯(lián)映象全相聯(lián)映象就是任何主存塊可映象到任何Cache塊的方式。在這種方式下，主存中存儲單元的數(shù)據(jù)可調(diào)入到Cache中的任意位置。只有在Cache中的塊全部裝滿后才會出現(xiàn)塊沖突。和直接映像方式相比，主存的塊標記從t增加到t+c位，使得Cache標記的位數(shù)增多，而且訪問Cache時主存塊標記需要和Cache的全部標記位進行比較，才能判斷出所訪問主存地址的內(nèi)容是否已在Cache內(nèi)。這種比較通常采用“按內(nèi)容尋址”的相聯(lián)存儲器來完成。全相連映射（3）組相聯(lián)映象組相聯(lián)映象是直接映射和全相連映射的折中。把Cache分為Q組，每組R塊，并有以下關(guān)系： i=j mod Q其中，i為Cache的組號，j為主存的塊號。是將存儲空間的頁面分成若干組，各組之間的直接映象，而組內(nèi)各塊之間則是全相聯(lián)映象。下圖中，Cache分成2q個組，q=cr，每組包含2c個塊。主存標記字段為s=t+r位。組相聯(lián)映射4. Cache中主存塊的替換算法在直接映象方式下，不存在塊替換的算法，因為每一塊的位置映象是固定的，需要哪一塊數(shù)據(jù)就可直接確定地將該塊數(shù)據(jù)調(diào)入上層確定位置。而其他兩種映象就存在替換策略的問題，就是要選擇替換到哪一個Cache塊。即替換算法。思想 優(yōu)點 缺點 隨機算法RAND 用軟的或硬的隨機數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生上層中要被替換的頁號 簡單、易于實現(xiàn) 沒有利用上層存儲器使用的歷史信息，沒有反映等程序局部性，命中率低。 先進先出FIFO 選擇最早裝入上層的頁作為被替換的頁 實現(xiàn)方便，利用了主存歷史的信息 不能正確反映程序局部性原理，命中率不高，可能出現(xiàn)一種異?，F(xiàn)象。 近期最少使用法LRU 選擇近期最少訪問的頁作為被替換的頁 比較正確反映程序局部性，利用訪存的歷史信息，命中率較高 實現(xiàn)較復雜 優(yōu)化替換算法OPT 將未來近期不用的頁換出去 命中率最高，可作為衡量其他替換算法的標準 不現(xiàn)實，只是一種理想算法 5. Cache寫策略對Cache的寫操作，情況比讀操作要復雜一些。由于寫入Cache時，并沒有寫入主存，因此就出現(xiàn)Cache和主存數(shù)據(jù)不一致的情況。 如何處理Cache和主存不一致的方法就稱為更新策略。更新策略 思想優(yōu)點缺點寫回法 是指在CPU執(zhí)行寫操作時，信息只寫入Cache中，僅當需要替換時，才將改寫過的Cache塊先送回主存(寫回)，然后再調(diào)塊（設(shè)置dirty位） 有利于省去許多將中間結(jié)果寫入主存的無謂開銷。 需設(shè)修改位增加Cache的復雜性 全寫法(寫直達法) 在寫操作時，將數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存 實現(xiàn)開銷小、簡單 為了寫中間結(jié)果浪費了不少時間 另外，當寫不命中時(也就是寫Cache塊時，這塊早被人替換出去而在Cache中找不到時)是不是要把這塊再取回Cache中，有兩個解決方法：u 不按寫分配法，就是直接寫到主存里，不再把該地址對應的塊調(diào)回Cache中。u 按寫分配法，就是寫到主存，而且把這一塊從主存中調(diào)入到Cache。一般寫回法用按寫分配法，全寫法則采用不按寫分配。（八） 虛擬存儲器1. 虛擬存儲器的基本概念虛擬存儲器是主存的擴展，虛擬存儲器的空間大小取決于計算機的訪存能力而不是實際外存的大小，實際存儲空間可以小于虛擬地址空間。從程序員的角度看，外存被看作邏輯存儲空間，訪問的地址是一個邏輯地址(虛地址)，虛擬存儲器使存儲系統(tǒng)既具有相當于外存的容量又有接近于主存的訪問速度。虛擬存儲器的訪問也涉及到虛地址與實地址的映象、替換算法等，這與Cache中的類似，前面我們講的地址映象以塊為單位，而在虛擬存儲器中，地址映象以頁為單位。設(shè)計虛擬存儲系統(tǒng)需考慮的指標是主存空間利用率和主存的命中率。虛擬存儲器與Cache存儲器的管理方法有許多相同之處，它們都需要地址映象表和地址變換機構(gòu)。但是二者也是不同的。虛擬存儲器的三種不同管理方式：按存儲映象算法，分為段式、頁式和段頁式等，這些管理方式的基本原理是類似的。2. 頁式虛擬存儲器頁式管理是把虛擬存儲空間和實際空間等分成固定大小的頁，各虛擬頁可裝入主存中的不同實際頁面位置。頁式存儲中，處理機邏輯地址由虛頁號和頁內(nèi)地址兩部分組成，實際地址也分為頁號和頁內(nèi)地址兩部分，由地址映象機構(gòu)將虛頁號轉(zhuǎn)換成主存的實際頁號。頁式管理用一個頁表，包括頁號、每頁在主存中起始位置、裝入位等。頁表是虛擬頁號與物理頁號的映射表。頁式管理由操作系統(tǒng)進行，對應用程序員的透明的。頁式地址變換3. 段式虛擬存儲器段式管理把主存按段分配的存儲管理方式。它是一種模塊化的存儲管理方式，每個用戶程序模塊可分到一個段，該程序模塊只能訪問分配給該模塊的段所對應的主存空間。段長可以任意設(shè)定，并可放大和縮小。系統(tǒng)中通過一個段表指明各段在主存中的位置。段表中包括段名(段號)、段起點、裝入位和段長等。段表本身也是一個段。段一般是按程序模塊分的。段式虛存地址到實存地址的變換4. 段頁式虛擬存儲器段頁式管理:是上述兩種方法的結(jié)合，首先，把程序按邏輯單位分段以后，再把每段分成固定大小的頁。訪存通過一個段表和若干個頁表進行。段的長度必須是頁長的整數(shù)倍，段的起點必須是某一頁的起點。程序?qū)χ鞔娴恼{(diào)入／調(diào)出是按頁面進行的，但它又按段實現(xiàn)共享和保護，兼?zhèn)漤撌胶投问降膬?yōu)點。缺點是在映像過程中需要多次查表。在段頁式虛擬存儲系統(tǒng)中，每道程序是通過一個段表和一組頁表來進行定位的。段表中的每個表目對應一個段，每個表目有一個指向該段的頁表起始地址及該段的控制保護信息。由頁表指明該段各頁在主存中的位置以及是否已裝入、己修改等狀態(tài)信息。如果有多個用戶在機器上運行，多道程序的每一道需要一個基號，由它指明該道程序的段表起始地址。虛擬地址格式如下：基號段號頁號頁內(nèi)地址5. TLB（快表）在虛擬存儲器中進行地址變換時，需要虛頁號變換成主存中實頁號的內(nèi)部地址變換，這一般通過查內(nèi)頁表實現(xiàn)。當表中該頁對應的裝入位為真時，表示該頁在主存中，可按主存地址問主存；如果裝入位為假時，表示該頁不在存儲器中，就產(chǎn)生頁失效中斷，需從外存調(diào)入頁。中斷處理時先通過外部地址變換，一般通過查外頁表，將虛地址變換為外存中的實際地址，到外存中去選頁，然后通過I/0通道調(diào)入內(nèi)存。當外存頁面調(diào)入主存中時還存在一個頁面替換略的問題。提高頁表的訪問速度是提高地址變換速度的關(guān)鍵。因為，每次訪存都要讀頁表，如果頁存放在主存中，就意味著訪存時間至少是兩次訪問主存的時間，這樣查表的代價大大。只有內(nèi)部地址變換速度提高到使訪問主存的速度接近于不采用虛擬存儲器時的訪主存速度時，虛擬存儲器才能實用?？毂砼c慢表實現(xiàn)內(nèi)部地址變換四、 指令系統(tǒng)（一） 指令格式1. 指令的基本格式計算機是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息： （1）操作碼，具體說明了操作的性質(zhì)及功能。 （2）操作數(shù)的地址。 （3）操作結(jié)果的存儲地址。 （4）下一條指令的地址。 從上述分析可知，一條指令實際上包