第四章-存儲(chǔ)系統(tǒng)20171020

第四章存儲(chǔ)系統(tǒng)4.0存儲(chǔ)系統(tǒng)概述4.1存儲(chǔ)器分類(lèi)4.2計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次4.3嵌入式系統(tǒng)總線(xiàn)4.4S3c2440存儲(chǔ)系統(tǒng)

存儲(chǔ)器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來(lái)存放程序和數(shù)據(jù)的基本單元或設(shè)備。存儲(chǔ)器容量愈大，能存放的信息就愈多，計(jì)算機(jī)的能力就愈強(qiáng)。

存儲(chǔ)器作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分，隨著更好的存儲(chǔ)載體材料的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，爭(zhēng)取更大的存儲(chǔ)容量、獲得更快的存取速度、減小存儲(chǔ)器載體的體積以及降低單位存儲(chǔ)容量性?xún)r(jià)比等方面都獲得快速的發(fā)展。

1.要求：

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)器的要求是容量大、速度快、成本低，但這三者在同一個(gè)存儲(chǔ)器中不可兼得。2.解決：

采用分級(jí)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，通常將存儲(chǔ)器分為CPU寄存器、高速緩沖存儲(chǔ)器、主存儲(chǔ)器和外存存儲(chǔ)器四級(jí)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)器的配置存儲(chǔ)元(存儲(chǔ)位)存儲(chǔ)單元按字編址與按字節(jié)編址每一個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)是不同的；按字編址可以增加存儲(chǔ)空間；按字節(jié)編址便于對(duì)字符進(jìn)行處理。存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器所包含的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)稱(chēng)為存儲(chǔ)器的容量，內(nèi)存的容量與地址線(xiàn)的寬度有關(guān)；內(nèi)存的容量通常是以字節(jié)來(lái)度量的(如：KB、MB、GB、TB等)，因此對(duì)于相同的地址線(xiàn)寬度，按字編址與按字節(jié)編址其最大存儲(chǔ)空間是不同的。4.1存儲(chǔ)器分類(lèi)一、存儲(chǔ)器分類(lèi)1.按所處位置及功能分類(lèi)內(nèi)存儲(chǔ)器—

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器—

磁存儲(chǔ)器和光存儲(chǔ)器

總線(xiàn)CPU內(nèi)存外存2.按存儲(chǔ)載體材料分類(lèi)半導(dǎo)體材料—

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器：TTL型、MOS型、ECL型、I2L型等；磁性材料—

磁帶存儲(chǔ)器、軟磁盤(pán)存儲(chǔ)器和硬磁盤(pán)存儲(chǔ)器等；光介質(zhì)材料—CD-ROM、DVD等。

3.按存儲(chǔ)器的功能來(lái)分類(lèi)

按存儲(chǔ)器與CPU的關(guān)系分類(lèi)控制存儲(chǔ)器CM、主存儲(chǔ)器MM、高速緩沖存儲(chǔ)器Cache、外存儲(chǔ)器EM；4.按存儲(chǔ)方式分

隨機(jī)存儲(chǔ)器：任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置無(wú)關(guān)。順序存儲(chǔ)器：只能按某種順序來(lái)存取，存取時(shí)間和存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)。半順序存儲(chǔ)器：磁盤(pán)、光盤(pán)。5.按存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)功能分(存儲(chǔ)內(nèi)容可變性)只讀存儲(chǔ)器(ROM)：存儲(chǔ)的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫(xiě)入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)：既能讀出又能寫(xiě)入的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、磁盤(pán)、磁帶。6.按信息的可保存性分(易失性)非永久記憶的存儲(chǔ)器(易失性存儲(chǔ)器)：斷電后信息即消失的存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體讀寫(xiě)存儲(chǔ)器(RAM)；永久記憶性存儲(chǔ)器(非易失性存儲(chǔ)器)：斷電后仍能保存信息的存儲(chǔ)器，半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器(ROM)、磁盤(pán)、磁帶、光盤(pán)。存儲(chǔ)器的分類(lèi)按存儲(chǔ)介質(zhì)分類(lèi)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器磁介質(zhì)存儲(chǔ)器光存儲(chǔ)器Multi-SRAMNV-SRAMFIFOCache雙極型：存取速度快，但集成度低，一般用于大 型計(jì)算機(jī)或高速微機(jī)中；MOS型掩膜ROM一次性可編程PROM紫外線(xiàn)可擦除EPROM電可擦除E2PROM可編程只讀存儲(chǔ)器FLASH讀寫(xiě)存儲(chǔ)器RAM只讀存儲(chǔ)器ROM（按讀寫(xiě)功能分類(lèi))（按器件原理分類(lèi)）靜態(tài)SRAM動(dòng)態(tài)DRAM：

集成度高但存取速度較低

一般用于需要較大容量的場(chǎng)合。速度較快，集成度較低，一般用于對(duì)速度要求高、而容量不大的場(chǎng)合。(按存儲(chǔ)原理分類(lèi))4.2計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次4.2.1計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次4.2.2嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)4.2.3計(jì)算機(jī)的相應(yīng)存儲(chǔ)介質(zhì)4.2.1計(jì)算機(jī)的多級(jí)存儲(chǔ)層次寄存器高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)主存(大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)輔存(磁盤(pán)、光盤(pán)存儲(chǔ)器)大容量(海量)存儲(chǔ)器(磁帶存儲(chǔ)器)屬CPU主存儲(chǔ)器屬外部設(shè)備容量增大速度降低價(jià)格降低存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)CPU寄存器Cache主存磁盤(pán)磁帶磁盤(pán)Cache光盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的分級(jí)結(jié)構(gòu)4.2.2嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)1.對(duì)于簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要把存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4級(jí)，最簡(jiǎn)單的嵌入式系統(tǒng)只需要寄存器和主存儲(chǔ)器即可。2.寄存器是包含在微處理器內(nèi)部的，是微處理器核的重要組成部分，它用來(lái)作指令執(zhí)行時(shí)的數(shù)據(jù)存放單元，用來(lái)存放操作數(shù)或者指令執(zhí)行后的結(jié)果。如ARM9微處理器核中的R0~R15寄存器等。

嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

3.主存儲(chǔ)器是程序執(zhí)行代碼及數(shù)據(jù)的存放區(qū)，通常存放指令代碼的存儲(chǔ)器是非易失性的存儲(chǔ)器，如NORFlash類(lèi)型的存儲(chǔ)芯片，存放數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器是易失性的存儲(chǔ)器，如SDRAM類(lèi)型的存儲(chǔ)芯片。4.2.3寄存器存取速度最快；成本最高；容量最?。煌ㄓ眉拇嫫鞒Ｓ糜诖娣胚\(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算過(guò)程中的中間結(jié)果。主存儲(chǔ)器(內(nèi)存)按地址進(jìn)行訪問(wèn)；訪問(wèn)任何單元所需的時(shí)間相同；容量、速度和價(jià)格均介于寄存器和外存儲(chǔ)器之間；屬非永久性存儲(chǔ)器，斷開(kāi)電源后，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。磁芯存儲(chǔ)器內(nèi)存條：

所謂內(nèi)存條就是將多片存儲(chǔ)器芯片焊在一小條印制電路板上做成的部件，將內(nèi)存條按規(guī)定的接口插槽，插入計(jì)算機(jī)主板上構(gòu)成內(nèi)存儲(chǔ)器系統(tǒng)。

SIP（SingleIn-linePackage，單排直插式）內(nèi)存條SIMM（SingleIn-lineMemoryModules，單排直插式內(nèi)存模塊）內(nèi)存條DIMM（DoubleIn-lineMemoryModules，雙列直插式內(nèi)存模塊）內(nèi)存條

高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)被集成在CPU內(nèi)，也可在CPU與主存之間設(shè)置；Cache及Cache與主存之間的信息交換對(duì)于程序設(shè)計(jì)者(包括系統(tǒng)程序員)都是透明的；它的存儲(chǔ)速度高于主存，成本高于主存，容量小于主存；它主要用來(lái)解決CPU與主存之間的速度匹配問(wèn)題;在系統(tǒng)需要時(shí)，將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)整批調(diào)入Cache，其調(diào)度的算法由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者完成，CPU直接對(duì)Cache進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，從而提高速度。輔存儲(chǔ)器(外存)磁盤(pán)：軟盤(pán)Floppydisk硬盤(pán)Harddisk光盤(pán)Opticaldisk磁帶Magnetictape磁盤(pán)與磁帶被稱(chēng)為磁表面存儲(chǔ)器輔存儲(chǔ)器(外存)存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)；存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；磁表面存儲(chǔ)器的記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，并可以脫機(jī)存檔；采用非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息。磁盤(pán)由某種基質(zhì)材料制成的薄的、可以旋轉(zhuǎn)的盤(pán)片，表面有磁介質(zhì)的涂層以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。存放程序和數(shù)據(jù)；根據(jù)基質(zhì)材料的不同可分為軟盤(pán)和硬盤(pán)；硬盤(pán)又可根據(jù)組成系統(tǒng)的方式不同分為盤(pán)片、盤(pán)組、盤(pán)陣列。磁盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤(pán)盤(pán)旋轉(zhuǎn)臂移動(dòng)存取臂讀/寫(xiě)頭軟盤(pán)僅由一張軟質(zhì)聚酯塑料溥片為基質(zhì)的盤(pán)片組成，雙面記錄數(shù)據(jù)；8英寸，5.25英寸，3.5英寸，2.5英寸；3.5英寸軟盤(pán)：封裝在硬的塑料盒子里，容量1.44MB；Zip盤(pán)：幾百M(fèi)B；

軟盤(pán)：1.44MB軟驅(qū)3.5寸軟盤(pán)硬盤(pán)容量大，一般由多個(gè)剛性盤(pán)片組成盤(pán)組；磁頭不與盤(pán)片表面接觸，而是靠氣流“浮”在上面；劃道硬盤(pán)：光盤(pán)5英寸盤(pán)，由反射材料組成，通過(guò)在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方法在上面記錄信息。這種信息可以通過(guò)激光束檢測(cè)出來(lái)；螺旋形磁道(從內(nèi)向外)、扇區(qū)——2KB：長(zhǎng)而連續(xù)的數(shù)據(jù)串；如需要隨機(jī)存取，同心圓磁道的磁盤(pán)較好。CD---ROM光盤(pán)光驅(qū)光盤(pán)背面光盤(pán)正面磁帶信息存儲(chǔ)在一條細(xì)薄的塑料帶的磁介質(zhì)涂層上；通常有9條磁道。磁帶磁帶U盤(pán)存儲(chǔ)器為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，它的存儲(chǔ)介質(zhì)是快閃存儲(chǔ)器(FlashMemory)；可重復(fù)擦寫(xiě)達(dá)100萬(wàn)次；防潮，耐高低溫(-40C~+70C)；有寫(xiě)保護(hù)功能；使用USB2.0接口，無(wú)需外接電源，不使用驅(qū)動(dòng)器；支持即插即用和熱插拔；存取速度大約是軟盤(pán)的15倍，讀寫(xiě)大文件要比小文件快；體積小，重量輕，便于攜帶；防震性能好，因?yàn)樗捎脽o(wú)機(jī)械裝置、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固；多種規(guī)格：32MB、64MB、128MB、256MB、512MB、1GB、2GB、4GB、8GB、16GB等。U盤(pán)存儲(chǔ)器4.3

嵌入式系統(tǒng)總線(xiàn)存儲(chǔ)器是嵌入式系統(tǒng)中的主要硬件部件，用于存儲(chǔ)指令碼及相關(guān)的數(shù)據(jù)。目前有許多嵌入式CPU芯片內(nèi)部集成有一定容量的易失性及非易失性的存儲(chǔ)器。但也有需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器芯片的?？偩€(xiàn)

總線(xiàn)是把微處理器與存儲(chǔ)器、I/O端口及設(shè)備相連接的信息通道，但總線(xiàn)并不僅僅指的是一束信號(hào)線(xiàn)，而應(yīng)包含相應(yīng)的通信協(xié)議和規(guī)則。在嵌入式系統(tǒng)中，按照使用場(chǎng)合的不同，我們可以把總線(xiàn)分成：（1）片上總線(xiàn)（2）板級(jí)總線(xiàn)（3）系統(tǒng)級(jí)總線(xiàn)AMBA總線(xiàn)片上總線(xiàn)即是微處理器芯片內(nèi)部的總線(xiàn)，典型的如ARM公司提出的AMBA總線(xiàn)。板級(jí)總線(xiàn)板級(jí)總線(xiàn)是指板卡中芯片與芯片之間、或者板卡與板卡之間的連接總線(xiàn)。典型的如PC-104總線(xiàn)、PCI總線(xiàn)等。但是，嵌入式系統(tǒng)由于受到應(yīng)用條件的約束，特別是體積方面的約束，因此，在構(gòu)建板級(jí)目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，往往并未采用標(biāo)準(zhǔn)化的總線(xiàn)，而是直接完成芯片與芯片引腳間的連接。嵌入式系統(tǒng)的板級(jí)目標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，主要完成的任務(wù)是把微處理器芯片與其它芯片進(jìn)行有機(jī)的連接。其它板級(jí)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)（1）PC-104總線(xiàn)

PC-104總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)為控制領(lǐng)域的應(yīng)用而定義的嵌入式系統(tǒng)總線(xiàn)，它支持采用堆棧結(jié)構(gòu)的總線(xiàn)形式，通過(guò)PC-104總線(xiàn)，可以把各板卡疊加在一起，從而構(gòu)建小型的、高可靠性的嵌入式系統(tǒng)。（2）STD總線(xiàn)

STD總線(xiàn)也是在工業(yè)控制領(lǐng)域被使用的一種嵌入式系統(tǒng)板級(jí)總線(xiàn)（3）PCI總線(xiàn)

PCI總線(xiàn)是PC機(jī)中被廣泛使用的板級(jí)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。在有些嵌入式系統(tǒng)中，也會(huì)采用PCI總線(xiàn)作為其板級(jí)總線(xiàn)。4.4S3c2440存儲(chǔ)系統(tǒng)4.4.1S3c2440存儲(chǔ)系統(tǒng)概述4.4.2S3C2440芯片總線(xiàn)—引腳4.4.3S3c2440存儲(chǔ)空間特點(diǎn)4.4.1S3c2440存儲(chǔ)系統(tǒng)概述

S3C2440是Samsung公司的一款高性能16/32位RISC微控制器內(nèi)含一個(gè)16/32位ARM920TRISC處理器核該芯片功耗低，性能高，周邊接口豐富。S3C2440比較重要的片內(nèi)外圍功能模塊包括：外部?jī)?nèi)存控制器LCD接口3個(gè)UART通道/2個(gè)SPI通道4個(gè)DMA通道1個(gè)I2C通道/1個(gè)I2S通道1個(gè)SD卡/MMC卡接口2個(gè)USB主機(jī)接口/1個(gè)USB設(shè)備接口4個(gè)PWM定時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器117個(gè)可編程的I/O口/24個(gè)外部中斷源電源控制器，支持Normal、Slow、Idle及Power-off等4種模式。8通道10bitADC和觸摸屏接口帶日歷功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘帶PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器。系統(tǒng)總線(xiàn)仲裁器4.4.2S3C2440芯片總線(xiàn)—引腳封裝與引腳信號(hào)：S3C2440微控制器是289-FBGA封裝其型號(hào)可以分成：addr0---addr26、Data0---data31、GPA0---GPA22GPB10、GPC15、GPD15、GPE15、GPF7、GPG15、GPH10、EINT23、nGCS0—nGCS7、AIN7、IIC、SPI、OM0---OM3等，大部分都是復(fù)用的S3C2440芯片總線(xiàn)1.S3c2440芯片的289條引腳中，按照功能分類(lèi)主要是地址類(lèi)信號(hào)引腳、數(shù)據(jù)類(lèi)信號(hào)引腳、控制類(lèi)信號(hào)引腳、以及I/O部件的接口功能引腳等。2.nGCS0—nGCS7信號(hào)引腳是芯片選擇信號(hào)引腳（俗稱(chēng)片選信號(hào)），S3c2440芯片把外部存儲(chǔ)空間劃分為8個(gè)塊，每個(gè)存儲(chǔ)塊的存儲(chǔ)空間是128MB，區(qū)分8個(gè)存儲(chǔ)塊的地址空間是通過(guò)片選信號(hào)nGCS0—nGCS7來(lái)實(shí)現(xiàn)的。3、控制類(lèi)信號(hào)引腳總線(xiàn)控制信號(hào)OM1、OM0：這2根信號(hào)線(xiàn)是S3C2440的模式選擇信號(hào)引腳，用來(lái)確定芯片的模式以及數(shù)據(jù)線(xiàn)的寬度。OM[1：0]=00時(shí)，處理器從NANDFlash啟動(dòng)OM[1：0]=01時(shí)，處理器從16位寬度的ROM啟動(dòng)OM[1：0]=10時(shí)，處理器從32位寬度的ROM啟動(dòng)。OM[1：0]=11時(shí)，處理器從TestMode啟動(dòng)。4、I/O部件接口引腳這類(lèi)功能的引腳有許多，主要是完成相應(yīng)的接口部件功能，例如：UART的串口通信引腳、LCD顯示器接口引腳、攝像頭接口引腳等。5、其它功能類(lèi)引腳其它功能類(lèi)引腳主要包括：JTAG調(diào)試接口引腳、復(fù)位引腳、時(shí)鐘電路引腳、以及電源引腳等。

4.4.3S3c2440存儲(chǔ)空間特點(diǎn)S3c2440芯片內(nèi)部是沒(méi)有集成主存儲(chǔ)區(qū)的，因此，若以S3c24