嵌入式基础知识-存储器

本篇介绍计算机存储硬件的一些基础知识,在嵌入式开发中,也同样适用。

1 计算机存储结构

存储器是计算机中的重要部件,理想的存储器应该是执行快,容量足,价格便宜等。但实际上,目前无法同时满足这些目标,因此计算机通常采用分级存储的方式。

  • 寄存器:CPU寄存器,保存来自cache的字
  • L1高速缓存:芯片内的高速缓存cache,保存来自芯片外cache的行
  • L2高速缓存:芯片外的高速缓存,如SRAM、DRAM、DDRAM,保存来自主存储器cache的行
  • 主存储器:如Flash、PROM、EPROM、EEPROM,保存来自外部存储器的文件
  • 外部存储器:如磁盘、光盘、CF卡、SD卡等
  • 远程二级存储:如分布式文件系统,Web服务器

2 存储器分类

2.1 RAM与ROM

按照存储器存放信息易失性,可分为RAM和ROM:

  • RAM:随机存储器(Random Access Memory),读写速度快,但掉电时会丢失其存储的内容
  • ROM:只读存储器(Read-Only Memory),存储的内容掉电后不会丢失

2.1.1 RAM

按照RAM存储单元的工作原理,又可分为如下几类:

  • SRAM:静态随机存储器(Static RAM),它是靠触发器的自保护功能存储数据,数据一旦写入,其信息就稳定的保存在电路中等待读出,无论读出多少次,只要不断电,信息会一直保存
  • DRAM:动态随机存储器(Dynamic RAM),它将每个位存储为对一个电容的充电,而它的电容容量小,易漏电,因此需要定时给电容补电,通常称为"刷新"
  • DDR SDRAM:双倍速率同步动态随机存储器(Double Date Rate SDRAM),或称为DDR。DDR内存是在SDRAM内存的基础上发展而来的

2.1.2 ROM

  • PROM:可编程只读存储器(Programmable ROM)
  • EPROM:可抹除可编程只读存储器(Erasable Programmable ROM)
  • EEPROM:电子式可抹除可编程只读存储器(Electrically Erasable Programmable ROM)

2.2 Cache

Cache是一种比常见内存更快的存储器,一般称为高速缓存存储器。

根据Cache的工作机制,可分为:

  • 回写式Cache:当CPU执行写数据时,回写式Cache只把该数据写入其数据地址对应的Cache中,不直接写入内存。仅当该Cache块需要替换时,才把Cache写回写入内存中
  • 写通式Cache:当CPU执行写数据时,写通式Cache必须同时把该数据写入其数据地址对应的Cache块和内存中。

2.3 其它

2.3.1 Flash

Flash称为快闪存储器,简称闪存,因其擦除和写入速度比较快而得名。

Flash是EEPROM的变种,不同的是EEPROM能在字节水平上进行擦除重新,而Flash需要在块的水平上进行擦除。

  • NOR Flash:它带有SRAM接口,有足够的地址引脚来寻址,可以方便地存取其内部的每一个字节,因此可直接连接总线系统,构成内存储器
  • NAND Flash:它使用复杂的I/O口来串行地存取数据,采用串行接口,不能直接构成内存,只能用来构成外部存储器

两者的一些特点对比:

  • NOR的读速度比NAND稍快
  • NAND的写速度比NOR快很多
  • NAND的擦除速度也比NOR快很多
  • NAND的擦除单元更小
  • NOR上可直接运行程序,NAND只能存储信息

2.3.2 磁盘、光盘等

  • 磁盘:利用磁头变化和磁化电流进行读/写的存储器
  • 光盘:用光学方式读/写信息的圆盘
  • CF卡:紧凑式闪存(Compact Flash),由SanDisk公司于1994年生成,并制定相关规范
  • SD卡:安全数字存储卡(Secure Digital Memory Card)

3 三级存储体系

上面介绍过,存储器的3个指标:容量、速度、价格往往无法同时满足,因此计算机采用多级存储器构成存储体系。

典型的三级存储结构,从内到外一般指Cache、主存储器、外部存储器。

Cache设置在CPU和主存之间,可放在CPU的内部或外部,其作用是解决主存和CPU的速度匹配问题。

除了速度匹配问题,存储还受容量制约,因此。还需要外部存储器提供大容量存储空间。

4 高速缓存控制器

高速缓存控制器负责CPU与高速缓存和主存之间的通信控制

5 一些存储相关的计算题

5.1 题目1

某计算机总线是32位,地址空间从0xF000000到0xF007FFFF映射为Flash空间,若实现Flash的最大存储容量,至少需要多少片16Kx16bit的Flash芯片。

主存容量计算,内存地址和芯片计算问题,先要了解:

  • 内存单元个数=内存尾地址-内存首地址+1
  • 内存容量=内存单元个数x每个内存单元容量
  • 将得出的16进制容量简化为2的幂的形式

分析:

  • Flash的存储单元个数为:0xF007FFFF-0xF0000000+1=0x80000=2^19个
  • 总线是32位,也表示内存单元的大小是32bit
  • 因此,Flash总的容量大小为219*32bit=224bit
  • 每片的大小是16Kx16bit,也即2^18bit
  • 因此,需要的片数为:224/218=2^6=64片

5.2 题目2

某计算机字长是32位,存储容量是256KB,求按字编址的寻址范围

一些基础知识:

:二进制的每一个0或1是组成二进制的最小单位,称为位(bit)。

:计算机在存储、传送或操作时,作为一个单元的一组二进制码称为字。

字长:一个字中的二进制位的位数称为字长,常用的字长包括8位、16位、32位、64位。例如,通常把处理字长为8位数据的CPU称为8位CPU。

字节:字长为8位的编码称为字节(Byte),字节是计算机中的基本编码单位

分析:

  • 按字编址,需要知道字长,题目知字长32位,即4Byte
  • 存储容量256KB,即256K Byte
  • 所以,寻址氛围为256K/4=64K

5.3 题目3

一个32Kx32位的静态存储器,求其地址线和数据线的位数

分析:

  • 32位,说明数据宽度是32位,有即数据线的位数是32
  • 32K,即2^15,所以地址线需要15位

5.4 题目4

某计算机主存容量64KB,其中ROM区为4KB,其余是RAM区,按字节编址。若使用2Kx8位的ROM和4Kx4位的RAM设计该存储器,计算两种需用到的数量。

分析:

  • 由题目知,ROM是4KB,RAM是64-4=60KB,
  • 按字节编址,则按8bit位编址
  • 一片ROM是2Kx8bit,需要2片
  • 一片RAM是4Kx2bit,需要30片

5.5 题目5

容量为64块的Cache采用组相连方式映射,块大小为128字节,每4块为一组,若主存容量为4096块,且以字节编址,求主存地址的位数和主存区号的位数。

基础知识:

主存地址=区号+组号+组内块号+块内地址号

分析:

  • 块大小为128字节,即128Byte
  • 主存容量为4096块,即4K块,结合块的大小,主存容量为4K*128Byte=512KB=2^19KB,所以主存地址需要19位
  • 块大小为128字节(2^7),则块内地址需要用7位表示
  • 每4组为一块,则组内块号需要用2位表示
  • Cache容量为64块,则分了16组,则组号需要用4位表示
  • 主存区号位数=19-7-2-4=6

6 总结

本篇介绍了计算机存储硬件的一些基础知识,包括计算机的存储结构,存储器分类,典型的三级缓存体系,高速缓存控制器,以及一些与存储有关的计算题。

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