嵌入式基础知识——存储器

1. 计算机存储结构

存储器是用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础，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（内存） 与 ROM（硬盘）

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。速度、价格、容量介于 Cache 与辅存之间、断电数据丢失、CPU 可直接访问 存储当前正在执行的程序和数据。
• ROM：只读存储器（Read-Only Memory）,存储的内容掉电后不会丢失。速度最慢、价格最低、容量最大、断电数据不丢失、CPU 不可直接访问存储暂时不运行的程序和数据，需要时再传送到主存。

2.1.1 主存储器 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 辅助存储器 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 其他

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 题目一

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 2^19^ × 32bit = 2^24^ bit
• 每片的大小是 16K x 16bit，也即 2^18^ bit（2^14^ × 2^4^）
• 因此，需要的片数为：2^24^ / 2^18^ = 2^6^ = 64片

5.2 题目二

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：

• 位：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)。
• 字：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，寻址范围为 256K / 4 = 64K

（个人理解：因为计算机存储传送或操作时是按字作为单位的，那么寻址也是按字进行寻址，这里一个字就是32位也就是 4Byte，所以寻址范围就是存储容量 / 一次寻址单位 = 256K / 4 = 64K 或者 65536字）

5.3 题目三

一个 32K x 32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，即数据线的位数是32
• 32K，即 2^15^，所以地址线需要15位

5.4 题目四

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 2K x 8位 的 ROM 和 4K x 4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 2K x 8bit，需要2片，即可满足大小为 4KB 的 ROM
• 一片 RAM 是 4K x 4bit，需要30片（60K / 4K = 15，1Byte = 8位，8bit / 4 bit = 2，所以需要 15 × 2 = 30片 ）

5.5 题目五

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 128 Byte
• 主存容量为 4096块，即 4K 块，结合块的大小，主存容量为 4K × 128 Byte = 512KB = 2^19^ KB，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. 其他计算机基础知识

6.1 冯诺依曼计算机组成结构图

• 输入设备：把其他信号转换成计算机能识别和处理的信号并送入计算机中。如键盘、鼠标、摄像头等

• 输出设备：把运算结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机0外。如显示器、音响、打印机等

• 存储器：用来存储程序和数据的部件,是实现"存储程序控制"的基础。如内存、硬盘等

• 运算器：CPU 中负责进行算数运算和逻辑运算的部件，其核心是算术逻辑单元 ALU

• 控制器：是CPU的指挥中心,其控制着整个 CPU 执行程序的逻辑过程

6.2 总线

• 总线 ：总线是计算机中各个部件之间 传送信息的公共通信干线, 在物理上就是一束导线按照其传递信息的类型可以分为 数据总线、地址总线、控制总线。
• DMA总线 ：DMA(Direct Memory Access)即 直接存储器访问，使用 DMA 总线可以不通过 CPU 直接在存储器之间进行数据传递。

6.3 地址空间

一个 处理器 能够访问（读写）的 存储空间 是有限的,我们称这个空间为它的 地址空间（寻址空间），一般来说 N位 地址总线的处理器的地址空间是 2的 N 次方。

例如：2位总线能访问 00、01、10、11 即 2^2^。

6.4 CPU 工作原理简述

CPU执行指令的过程 :

• CPU先通过 指令计数器PC 向内存写入要读取数据的地址，
• 内存根据地址找到数据并返回给CPU，
• CPU通过 指令寄存器IR 接收到数据，将数据通过 指令译码器 翻译成 可执行指令 发送给运算器执行，运算结果储存在 寄存器 中，
• CPU指令计数器 自增 重复执行步骤。

==一条指令的执行分为三个阶段：==

1. 取址 ：CPU 将 PC 寄存器中的地址发送给内存，内存将其地址中对应的指令返回到 CPU 中的指令寄存器（IR）
2. 译码 ：译码器对 IR 中的指令进行识别，将指令（机器码）解析成具体的运算
3. 执行 ：控制器控制运算器中对应的运算单元进行运算，运算结果写入寄存器

每执行一条指令后 PC 的值会自动增加指向下一条指令。