8088_8086存储器系统

# 1. 介绍8088/8086存储器系统 ## 1.1 8088/8086处理器的背景信息 8088和8086处理器是英特尔公司在上个世纪70年代推出的x86系列处理器的早期产品。8088是8位微处理器，而8086是16位微处理器。它们被广泛应用于个人计算机的早期发展阶段，对个人计算机的普及和发展起到了重要作用。 ## 1.2 存储器系统的基本概念和作用存储器系统是指计算机内部用来存储程序和数据的硬件系统，它对计算机的运行性能和数据处理能力起着至关重要的作用。存储器系统主要包括主存储器（内存）和辅助存储器（硬盘、固态硬盘等）。 ## 1.3 8088/8086存储器系统的组成部分 8088/8086存储器系统的主要组成部分包括： - 主存储器（RAM）：用于存储程序和数据，供处理器读写。 - 辅助存储器（ROM、硬盘等）：用于长期存储程序、数据和系统信息。 - 存储器控制器（Memory Controller）：负责处理存储器的读写请求和管理存储器系统的工作。 - 存储器总线（Memory Bus）：连接处理器和各种存储器设备，传输读写数据和地址信息。 # 2. 第二章内存管理单元(MMU) ### 2.1 MMU的基本功能和作用内存管理单元（Memory Management Unit，简称MMU）是计算机系统中的一个重要组成部分，用于管理和控制存储器的访问。它的基本功能包括地址转换、存储保护和虚拟内存等功能。 - **地址转换**：MMU负责将逻辑地址转换为物理地址。在多道程序设计的环境下，每个程序都有自己独立的逻辑地址空间，通过MMU的地址转换功能，可以实现程序之间对存储器的隔离和保护，确保每个程序只能访问属于自己的地址空间。 - **存储保护**：MMU可以设置存储保护机制，防止程序非法访问或修改其它程序的数据。通过设置权限位或访问控制表，MMU可以对存储区域进行读写保护和访问权限限制。 - **虚拟内存**：MMU支持虚拟内存技术，可以将逻辑地址空间和物理地址空间进行映射，从而实现主存储器的动态管理和扩展。通过将部分逻辑地址空间映射到磁盘上的虚拟地址空间，MMU可以将主存储器的容量扩展到磁盘的大小，大大提高了系统资源的利用率。 ### 2.2 8088/8086中的MMU特性与工作原理 8088/8086处理器中的MMU是基于段式存储器管理机制。其工作原理如下： - **段基址**：8088/8086中的逻辑地址由段号（Segment Number）和偏移量（Offset）组成。MMU通过访问段描述符表（Segment Descriptor Table）获取段基址，将偏移量与段基址相加得到物理地址。 - **段选择子**：8088/8086提供了一个专门的寄存器，称为段选择子（Segment Selector），用于存储段描述符表的索引。每个段选择子包含段描述符表的索引和访问权限信息。 - **段描述符表**：8088/8086中的段描述符表是一张存储在内存中的表格，用于存储各个段的基址、限长（Segment Limit）和访问权限等信息。MMU可以通过段选择子中的索引值获取对应段描述符表中的具体信息。 - **存储保护**：8088/8086的段式存储器管理机制通过段描述符表中的访问权限字段来实现存储保护。可以设置只读、读写、只执行等权限，确保程序只能访问合法的存储区域。 ### 2.3 MMU对存储器系统性能的影响 MMU对存储器系统的性能影响主要体现在以下几个方面： - **地址转换开销**：由于需要进行逻辑地址到物理地址的转换，MMU会引入额外的开销。每次内存访问都需要进行地址转换，而地址转换的过程中可能涉及到表的查找和计算等操作，这些操作都会耗费一定的时间。 - **存储保护开销**：MMU在进行存储保护时需检查访问权限，如果访问权限不符合要求，则需要进行异常处理或中断，并进行相应的错误处理。这些额外的开销会降低存储器访问效率。 - **虚拟内存开销**：虚拟内存技术可以大大提高主存储器的利用率，但也带来了额外的开销。当逻辑地址映射到磁盘上时，需要进行磁盘读写操作，而访问磁盘的速度远低于访问主存储器的速度，因此会增加访问延迟。鉴于MMU对存储器系统性能的影响，需要在设计和应用中进行合理的优化和权衡，以提高系统整体的性能和效率。 # 3. 存储器类型与特性存储器是计算机中的重要组成部分，用于存储和检索数据。在8088/8086存储器系统中，主要涉及的存储器类型包括RAM（Random Access Memory，随机访问存储器）和ROM（Read-Only Memory，只读存储器）。本章将介绍RAM和ROM的基本概念和区别，以及主存储器和辅助存储器的特点与应用。 ### 3.1 RAM与ROM的基本概念和区别 RAM是一种易失性存储器，它的数据可以被任意读写和修改。RAM用于存储临时数据和程序运行时需要的数据，例如操作系统、应用程序以及用户数据等。RAM具有快速的读写速度，但断电后数据会丢失。 ROM是一种非易失性存储器，它的数据只能被读取，无法进行修改和写入。ROM中存储的数据通常是固化的程序代码和只读数据，例如系统引导程序、固件以及常量表等。ROM具有较慢的读取速度，但断电后数据仍然可以保持不变。 RAM和ROM的主要区别在于数据的读写能力和存储内容的可变性。RAM是可读写的存储器，用于存储运行时数据；而ROM是只读的存储器，用于存储固定数据。 ### 3.2 主存储器和辅助存储器的特点与应用主存储器是计算机中用于存储程序和数据的主要存储器。主存储器以字节为最小寻址单位，具有随机访问和读写的能力。主存储器的访问速度较快，但容量一般较小。辅助存储器是主存储器的扩展，用于存储大容量的数据和程序。辅助存储器以块（通常以扇区为单位）为最小寻址单位，具有顺序读写的能力。辅助存储器的访问速度较慢，但容量较大。主存储器和辅助存储器在计算机系统中协同工作，形成层次化的存储器结构。主存储器用于存储当前需要处理的数据和程序，而辅助存储器则用于存储长期保存的数据和程序。 ### 3.3 存储器容量的扩展技术与挑战存储器容量是计算机系统设计中的重要考虑因素。随着计算机应用的不断发展，对存储器容量的需求也越来越大。为了满足这种需求，人们开发了多种存储器容量扩展技术。其中一种常见的扩展技术是通过增加存储器芯片的数量来增加存储器容量。通过增加存储芯片数量，可以提高存储器系统的容量，但也带来了电路复杂性、功耗和散热等问题。另一种常见的扩展技术是通过增加存储器芯片的位宽来增加存储器容量。通过增加存储芯片的位宽，可以一次读取或写入更多的数据，提高存储器系统的效率。然而，增加位宽也会增加成本和复杂性。存储器容量扩展技术的发展面临着挑战，如如何在尽可能小的芯片面积上存储更多的数据，如何提高存储器系统的访问效率等。未来，随着技术的不断进步，相信存储器容量的扩展技术会取得更大的突破。接下来的章节将继续介绍存储器的访问时间与周期、存储器的地址映射和寻址方式，以及存储器系统的优化与问题解决。 # 4. 存储器的访问时间与周期存储器的访问时间和访问周期是评估存储器性能的重要指标。本节将介绍存储器的访问时间和周期的定义、计算方法，以及8088/8086存储器系统的访问时间与周期设计。 #### 4.1 存储器访问时间的定义和计算方法存储器的访问时间指的是从发起访问请求到获取到所需数据的时间间隔。它受到存储器内部电路的延迟、存储器芯片的设计以及外部系统的影响。计算存储器访问时间的一种常用方法是通过存储器芯片的速度和存储器的读写周期来确定：访问时间 = 存储器读写周期 + 存储器芯片的延迟存储器读写周期是指存储器芯片内部执行读写操作所需的时间，通常以纳秒（ns）为单位表示。存储器芯片的延迟是指存储器芯片作出响应所需的额外时间，也以纳秒为单位。 #### 4.2 存储器访问周期的概念和计算方法存储器访问周期是指存储器完成一次访问所需的总时间，包括访问时间和存储器的预充电时间。预充电时间是为了确保存储器在下一次访问前能够恢复到初始状态所需的时间。计算存储器访问周期的方法是将访问时间和预充电时间相加：访问周期 = 访问时间 + 预充电时间预充电时间通常是存储器技术和设计决策的结果，它决定存储器的性能和能否满足CPU对存储器的需求。 #### 4.3 8088/8086存储器系统的访问时间与周期设计 8088/8086存储器系统采用的是非多发存储器架构，即每次只能进行单次读写操作。因此，存储器访问时间和周期对系统性能有着重要影响。为了提高8088/8086存储器系统的性能，可以采取以下策略： - 选择具有较快访问时间的存储器芯片：通过选择访问时间更短的存储器芯片，可以减少存储器访问时间和周期。 - 优化存储器读写操作的顺序：合理安排存储器的读取和写入顺序，可以减少存储器访问时间和周期的等待时间。 - 使用高速缓存存储器（Cache）：引入高速缓存存储器可以加快CPU对存储器的访问速度，减少存储器访问时间和周期。总结：本章主要介绍了存储器的访问时间和访问周期的定义和计算方法，以及8088/8086存储器系统的访问时间与周期设计。存储器的访问时间和周期是评估存储器性能的重要指标，通过优化存储器的读写操作顺序、选择高速存储器芯片以及引入高速缓存存储器等策略，可以提高存储器系统的性能。 # 5. 存储器的地址映射和寻址方式存储器的地址映射和寻址方式是计算机系统中重要的概念，它决定了程序如何访问存储器中的数据。本章将介绍存储器的地址映射方式和不同模式下的寻址方式。 ## 5.1 存储器的地址映射方式存储器的地址映射方式决定了程序中使用的逻辑地址如何映射到物理地址。常见的地址映射方式有以下几种： - 直接映射：逻辑地址直接映射到物理地址，每个逻辑地址对应一个固定的物理地址，适用于小型系统。 - 块映射：将逻辑地址划分为多个固定大小的块，每个块对应一个物理地址。块映射可以有效克服直接映射带来的地址空间浪费问题。 - 多级映射：将逻辑地址划分为多个级别，每个级别进行不同的映射。多级映射可以提高地址映射的效率。 ## 5.2 实模式与保护模式下的存储器寻址方式在8088/8086处理器中，存在两种不同的工作模式：实模式和保护模式。不同模式下的存储器寻址方式有所不同。在实模式下，8088/8086处理器使用20位地址总线，可以寻址的物理地址空间为1MB。存储器寻址方式主要分为两种： - 真实地址寻址：逻辑地址直接映射到物理地址，逻辑地址等于物理地址。程序可以直接使用物理地址来访问存储器。 ```python # 示例代码（Python） MOV AX, 0F000H MOV DS, AX MOV AL, [0FFF0H] ``` - 段地址寻址：逻辑地址由段号（Segment）和偏移量（Offset）组成，通过段号和偏移量的组合计算得出物理地址。 ```java // 示例代码（Java） MOV AX, SEGMENT MOV DS, AX MOV BX, OFFSET MOV AL, [BX] ``` 在保护模式下，8088/8086处理器支持更大的物理地址空间和更多的特性，如虚拟内存和内存保护机制。存储器寻址方式也发生了变化： - 分段寻址：逻辑地址由段选择子（Segment Selector）、段内偏移量（Offset）和特权级（Privilege Level）组成，通过分段机制可以实现虚拟内存和内存保护。 ```go // 示例代码（Go） MOV AX, Selector MOV DS, AX MOV BX, Offset MOV AL, [BX] ``` ## 5.3 存储器寻址方式的优化与改进方法存储器寻址方式的优化可以提高程序的执行效率和存储器的利用率。以下是一些常见的存储器寻址方式的优化与改进方法： - 缓存：通过在高速缓存中存储最常访问的数据，减少对主存储器的访问时间。 - 预取：提前将可能会用到的数据预先加载到高速缓存中，加速程序的执行。 - 数据对齐：将数据按照对齐要求存放在存储器中，利用CPU的并行处理能力提高访问速度。 - 指令重排：通过改变指令的执行顺序，减少内存访问的等待时间。优化存储器寻址方式可以提高程序的执行效率和系统的整体性能。然而，优化过程需综合考虑成本和效益，并根据具体的场景进行调整。 # 总结存储器的地址映射方式和寻址方式是计算机系统中重要的概念。了解不同的地址映射方式和寻址方式可以帮助我们优化存储器系统的性能，提高程序的执行效率。在8088/8086处理器中，实模式和保护模式下的存储器寻址方式有所不同，我们需要根据具体的应用场景选择合适的寻址方式来提升系统性能。同时，了解存储器寻址方式的优化与改进方法也是非常重要的，可以帮助我们进一步优化存储器系统，提高计算机系统的整体性能。 # 6. 存储器系统的优化与问题解决在8088/8086存储器系统中，我们常常需要进行性能调优和解决一些常见问题。本章将介绍存储器系统性能调优的常用手段、常见问题与解决方法，并展望未来的发展方向和趋势。 ### 6.1 存储器系统性能调优的常用手段在优化存储器系统的性能时，我们可以采取以下几种常用手段： 1. 优化存储器访问模式：通过调整存储器的访问模式，如顺序访问、随机访问、局部性访问等，可以提高存储器的访问效率。 2. 使用缓存：在存储器系统中引入缓存可以大大提高数据的访问速度，常用的缓存策略包括直接映射缓存、全相联缓存和组相联缓存等。 3. 内存对齐优化：保持存储器操作量的对齐可以提高存储器的访问效率，尤其是针对大量连续读写操作的场景。 4. 采用更高速的存储器器件：选择更高速的存储器器件，如高速RAM或闪存，可以显著提升存储器系统的性能。 ### 6.2 存储器系统中的常见问题与解决方法在实际使用中，存储器系统可能会遇到一些常见问题，下面介绍几种常见问题及其解决方法： 1. 存储器冲突：当多个设备同时访问存储器时可能会引发存储器冲突，导致读写操作失败。常见的解决方法包括使用互斥锁、引入缓冲区以及调整存储器访问顺序等。 2. 存储器泄漏：存储器泄漏指的是程序在使用存储器后未能及时释放，导致内存占用不断增加的情况。解决方法包括合理管理内存资源、垃圾回收以及使用内存泄漏检测工具等。 3. 存储器故障：存储器可能会出现硬件故障或软件错误，导致数据读写异常或存储器失效。针对故障，可以采取备份数据、修复或更换故障设备等措施来解决问题。 ### 6.3 未来发展方向和趋势随着技术的发展，存储器系统也在不断演进。以下是一些未来的发展方向和趋势： 1. 非易失性存储器(NVM)：NVM是一种可以保存数据并在断电后依然保持的存储器，它具有高速读写、低功耗和可持久性等特点，未来有望广泛应用于存储器系统中。 2. 分布式存储系统：随着云计算和大数据技术的兴起，分布式存储系统将成为存储器系统的一个重要组成部分，具有高可靠性、高性能和可扩展性等优势。 3. 存储器虚拟化：存储器虚拟化技术可以将多个物理存储器虚拟化为一个逻辑存储器，使得系统可以更高效地管理和利用存储资源，提高整体性能和可用性。综上所述，存储器系统的优化和问题解决是一个持续不断的工作，而未来的发展方向将更加注重于新型存储器技术、分布式存储和存储器虚拟化等方面的研究和应用。通过不断优化和创新，我们可以进一步提高存储器系统的性能和可靠性，满足不断增长的计算需求。