存储器系统

3.1存储器概述3.1.1存储器的分类1．按存储介质分类（1）半导体存储器（2）磁表面存储器（3）光存储器2．按存取方式分类（1）随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）①静态随机存取存储器SRAM②动态随机存取存储器DRAM（2）只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)3.1存储器概述3．按存储器在计算机系统中的作用分类（1）主存储器（2）外存储器（3）高速缓冲存储器（4）CMOS存储器4．内存条（DRAM）（1）内存条的分类①SIMM(单列直插内存模块)：分30线和72线两种。②DIMM(双列直插内存模块)：分72线和168线。③RIMM(高速率直插内存模块)：采用184线结构。3.1存储器概述（2）主流内存条的类型①SDRAM内存条②DDRSDRAM内存条③RDRAM内存条3.1.2存储器的主要性能指标存储器的主要性能指标包括：存储容量、存取速度、可靠性及性能价格比。3.1存储器概述3.1.3存储系统的层次结构为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾，通常把各种不同存储容量、不同存取速度的存储器，按一定的体系结构组织起来，形成一个统一整体的存储系统。由高速缓冲存储器、内存储器、外存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓冲存储器和内存间称为Cache-内存层次，内存和外存间称为内存-外存层次。三级存储系统总的效果是：存取速度接近于Cache水平，存储容量非常之大，整个价格也比较合理。其中快存主要为获取速度，使存取速度能和中央处理器的速度相匹配；辅存追求大容量，以满足对计算机的容量要求；内存则介于两者之间，要求其具有适当的容量，能容纳较多的核心软件和用户程序，还要满足系统对速度的要求。3.28086存储器结构3.2.1存储器的组织8086/8088系统的存储器空间以字节为单位储存信息。每个存储单元地址由20位二进制数组成，地址从0开始编号，依次增1，为了书写方便，用5位十六进制数表示，其物理地址范围是00000H～FFFFFH，且地址码为无符号数。存储器的容量是指存储器所具有的字节数，通常以210=1024B为基本单位，称为1KB。为了表示更大的容量，也使用MB(兆字节)，GB(吉字节)等为单位，其中：1KB=210B=1024B1MB=220B=1024KB1GB=230B=1024MB存储器的内容物理地址：取指令：物理地址=CS*24+IP取OP数：物理地址=DS（ES）*24+偏移量堆栈OP：物理地址=SS*24+SP逻辑地址与物理地址逻辑地址：段地址：偏移地址如：DS：DAT1返回本章首页计算机中信息的单位二进制位Bit：存储一位二进制数：0或1字节Byte：8个二进制位，D7～D0字Word：16位，2个字节，D15～D0双字DWord：32位，4个字节，D31～D0最低有效位LSB：数据的最低位，D0位最高有效位MSB：数据的最高位，对应字节、字、双字分别指D7、D15、D31位数据的存储格式D7D000000H78H00001H56H00002H12H00003H34H00004H00005H00006H低地址D7D0字节D15D0字D31D0双字每个存储单元都有一个编号；被称为存储器地址每个存储单元存放一个字节的内容0002H单元存放有一个数据34H表达为[0002H]＝34H多字节数据存放方式多字节数据在存储器中占连续的多个存储单元：存放时，低字节存入低地址，高字节存入高地址；表达时，用它的低地址表示多字节数据占据的地址空间。图2.3中2号“字”单元的内容为：[0002H]=1234H2号“双字”单元的内容为：[0002H]=78561234H80x86处理器采用“低对低、高对高”的存储形式，被称为“小端方式LittleEndian”。相对应还存在“大端方式BigEndian”。3.28086存储器结构计算机通过存储单元的地址来访问其内容的。8086／8088CPU是16位的微处理器，访问时既可以按字节来操作，也可以按字来处理。一个字（即16位）占据连续的两个存储单元。若将一个字存入存储器，需要遵循“小端方式”的规则，即：①一个字占据两个相邻的存储单元。②低位字节存入低地址，高位字节存入高地址。③字的地址由低字节地址来表示，如字3456H的地址号为20000H。同样，将一个双字存入存储器时，也需要遵循“小端方式”的规则3.28086存储器结构3.2.2存储器分段和物理地址的形成1．分段方法存储器是计算机的重要组成部分，当要访问某个存储单元时，首先必须获得该单元的物理地址。于8086地址总线为20条，可寻址的最大内存空间为220（1M）字节，其物理地址范围是00000H～FFFFFH。在8086中，CPU内部寄存器都是16位，直接寻址能力为216（64KB），地址范围是0000H～FFFFH。8086／8088又把1MB的存储空间划分成若干个逻辑段，逻辑地址由段基址和偏移地址两部分组成。段的起始单元地址叫做段基地址(简称段基址)，它为16的整数倍。段基址存放于段寄存器CS，DS，SS，ES中。每个逻辑段有相应的逻辑地址LA(LogicalAddress)，表示为：逻辑地址（LA）=段地址：偏移地址（EA）。存储器的分段管理8086CPU有20条地址线最大可寻址空间为220＝1MB物理地址范围从00000H～FFFFFH8086CPU将1MB空间分成许多逻辑段（Segment）每个段最大限制为64KB段地址的低4位为0000B这样，一个存储单元除具有一个唯一的物理地址外，还具有多个逻辑地址物理地址和逻辑地址对应每个物理存储单元都有一个唯一的20位编号，就是物理地址，从00000H～FFFFFH。分段后在用户编程时，采用逻辑地址，形式为段基地址:段内偏移地址逻辑地址段地址说明逻辑段在主存中的起始位置8086规定段地址必须是模16地址：xxxx0H省略低4位0000B，段地址就可以用16位数据表示，就能用16位段寄存器表达段地址偏移地址说明主存单元距离段起始位置的偏移量每段不超过64KB，偏移地址也可用16位数据表示物理地址和逻辑地址的转换将逻辑地址中的段地址左移4位，加上偏移地址就得到20位物理地址一个物理地址可以有多个逻辑地址逻辑地址1460:100、1380:F00物理地址14700H14700H14600H＋100H14700H13800H＋F00H14700H段地址左移4位加上偏移地址得到物理地址段寄存器和逻辑段8086有4个16位段寄存器CS（代码段）指明代码段的起始地址SS（堆栈段）指明堆栈段的起始地址DS（数据段）指明数据段的起始地址ES（附加段）指明附加段的起始地址每个段寄存器用来确定一个逻辑段的起始地址，每种逻辑段均有各自的用途3.28086存储器结构2．物理地址的计算8086／8088CPU中有一个地址加法器，它将段寄存器提供的段地址自动乘以10H（即左移4位），然后与16位的偏移地址相加，并锁存在物理地址锁存器中，如图3.3所示。如逻辑地址0001H：0010H生成物理地址时，将段地址0001H左移4位为00010H，再与偏移地址0010H相加即可得到物理地址00020H。20位的物理地址由16位段地址和16位偏移地址合成。3.28086存储器结构物理地址的计算方法如下：物理地址（PA）=段地址×10H＋偏移地址（EA）也就是说，将段地址左移4位再加上偏移地址就形成物理地址。说明：图3.3①存储器中的存储单元地址可以使用20位的物理地址表示，也可以使用逻辑地址表示，即使用“段地址：偏移地址”的方式表示。逻辑地址是在程序中使用的，物理地址是由系统转换自动生成的。②每个内存单元具有惟一的物理地址，但可以使用不同的逻辑地址来描述，例如0001H：0010H对应唯一的物理地址00020H，但该物理地址又可以由逻辑地址0002：0000H，等来描述。③除非专门指定，一般情况下，各段在存储器中的分配由操作系统负责。④段的大小由程序决定，因为使用16位偏移地址，所以每个段不能超过64KB，当然也不一定必须等于64KB。16位段地址存放在某个段寄存器中。3.28086存储器结构[例3.2.3]：计算下列逻辑地址对应的物理地址。①2017：000AH②2010：007AH③2410：0031H分析：逻辑地址是以“段地址：偏移地址”的形式表达存储器地址的，而物理地址由如下公式计算得出：物理地址（PA）=段地址×16＋偏移地址（EA）解：①物理地址（PA）=2017H×10H+000AH=2017AH②物理地址（PA）=2010H×10H+007AH=2017AH③物理地址（PA）=2410H×10H+0021H=24121H．3.28086存储器结构3．段的种类8086/088采用分段内存管理机制，允许程序员将程序划分为相对独立的多个段，这些段各有各的用途。8086／8088主要包括下列4种类型的段：①代码段用来存放正在运行的程序的指令序列。②数据段用来存放当前运行程序所用到的数据。③堆栈段定义作为堆栈使用的内存区域。堆栈是一种数据结构，它开辟了一个以‘后进先出’方式访问的存储区。④附加段是附加的数据段，它是一个辅助的数据区。例如：取指令时(CS)=2000H，(IP)=3500H，则被取指令的物理地址=(CS)×10H+(IP)=20000H+3500H=23500H。又如：取数时(DS)=1000H，段内偏移地址=1000H，则被取数据的物理地址=(DS)×10H+1000H=10000H+1000H=11000H。3.28086存储器结构3.2.3堆栈和堆栈操作1．堆栈的概念堆栈是在存储器中开辟的一个特殊的存储区域，该区域的一端固定(称为固定端)，另一端活动(称为活动端)，且只允许数据从活动端进出。堆栈中数据的存取也遵循“先进后出”的原则。我们把堆栈的活动端称为栈顶，固定端称为栈底。堆栈是按‘先进后出’的原则在内存中组织的。8086／8088的堆栈的伸展方向是从高地址向低地址。8086／8088的堆栈操作都是字操作。将一个数据压入堆栈称为进栈，进栈时SP自动减2，进栈的字就存放在新增加的两个单元内。把一个数从栈顶弹出称为出栈，出栈时SP自动加2，弹出的字是SP让出的两个单元的内容.3.28086存储器结构2．堆栈操作它可分为两类操作，分别为进栈和出栈。进栈时是从高地址到低地址，出栈时是从低地址到高地址。进栈操作指令为PUSH，出栈操作为POP，后面章节会详细介绍。（1）进栈把一个数据压入堆栈，称为进栈。将一个数据压入堆栈的过程是：SP先自动减2，指出新的栈顶，然后再将数据入栈。[例3.2.5]：设AX=1234H，SS=1000H，SP=0040H，将寄存器AX的内容压入堆栈。首先SP-1，将高字节数据12H压入1000FH单元，然后SP再减1，将低字节数据34H压入1000EH单元，操作后SP=100EH。3.28086存储器结构（2）出栈将一个数据从栈中弹出，称为出栈。弹出的过程是：将数据从栈顶弹出送相应的寄存器单元，再将SP加2，指示新的栈顶。[例3.2.6]：将堆栈中字单元数据从堆栈中弹出送寄存器AX中。首先从1000EH单元弹出低字节数据34H到AL，把SP加1指向当前栈顶；然后从1000FH单元弹出高字节数据12H到AH中，再把SP加1指向新的栈顶，操作后SP=10040H。栈的位置由堆栈段寄存器SS和堆栈指示器SP规定。SS负责给出当前堆栈段的基址，SP指示当前堆栈段的栈顶的偏移地址。注意这里的基址，是指SS的内容，而非堆栈的栈底。8086规定：堆栈的操作数字长是16位.3.28086存储器结构3.2.4特殊的内存区域8088/8086系统中，有些内存区域的作用是固定的，用户不能随便使用，如：中断矢量区：0