《存儲器與PL》課件

存儲器與PL本課程將深入探討計算機存儲系統(tǒng)和可編程邏輯器件(PL)的核心概念及其應用。從基本存儲原理到先進存儲技術，從簡單PL器件到復雜FPGA設計，全面掌握這些關鍵技術。存儲器概述1存儲數(shù)據(jù)存儲器是計算機系統(tǒng)的重要組成部分,用于存儲指令和數(shù)據(jù),滿足信息存儲的需求。2提供訪問存儲器提供對數(shù)據(jù)和指令的快速讀寫訪問,確保中央處理器能夠高效地執(zhí)行程序。3分類豐富存儲器按性能、內存順序等特征可劃分為多種類型,各具不同的優(yōu)缺點和應用場景。數(shù)據(jù)存儲基礎存儲單元在計算機中,數(shù)據(jù)通過存儲單元來進行保存和記錄?；镜拇鎯卧潜忍?bit),一個比特可以表示0或1兩種狀態(tài)。多個比特集合成為字節(jié)(byte),是數(shù)據(jù)存儲的基本單位。存儲容量存儲容量是衡量存儲器大小的指標,常用單位有位(bit)、字節(jié)(byte)、千字節(jié)(KB)、兆字節(jié)(MB)和吉字節(jié)(GB)等。隨著技術進步,存儲容量不斷提高。存取時間存取時間是指從存儲器接收到讀取或寫入命令到實際完成數(shù)據(jù)傳輸所需的時間,是衡量存儲器性能的關鍵指標之一。快速的存取時間有利于提高系統(tǒng)整體性能。存儲層次存儲器根據(jù)訪問速度和容量大小可分為多個層次,從快速但容量小的寄存器到容量大但訪問較慢的磁盤存儲器,形成存儲器層次結構。存儲器分類存儲介質存儲器根據(jù)儲存介質可分為磁性存儲器、光學存儲器和半導體存儲器等。每種介質都有其獨特的特性和應用場景。存取方式存儲器可按照數(shù)據(jù)存取方式分為隨機存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。兩者具有不同的特點和用途。數(shù)據(jù)永久性存儲器還可分為易失性存儲器和非易失性存儲器。前者斷電后數(shù)據(jù)丟失,后者即使斷電數(shù)據(jù)也能保留。半導體存儲器基于半導體技術半導體存儲器利用半導體材料的電子特性來存儲和讀取數(shù)據(jù)。這種存儲技術具有高集成度、訪問速度快、功耗低等優(yōu)點。集成電路制造半導體存儲器通常采用集成電路芯片制造技術,能夠集成數(shù)百萬乃至數(shù)十億個存儲單元。生產(chǎn)工藝和集成度水平?jīng)Q定了存儲器的容量和性能。電子特性存儲數(shù)據(jù)是通過半導體材料的電子狀態(tài)(如電壓或電流)來存儲和讀取的。這種直接利用電子特性進行存儲的方式提供了快速訪問和低功耗的優(yōu)勢。ROM只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)是一種預先寫好程序或數(shù)據(jù)的存儲器,內容不可在正常使用過程中修改。它通常用于存儲操作系統(tǒng)、固件和基本輸入輸出程序等關鍵信息。多種類型ROM有PROM、EPROM、EEPROM等不同類型,采用不同的編程方式。其中EEPROM可電子擦除和編程,更加靈活。廣泛應用ROM廣泛應用于計算機、手機、電子設備等,存儲基本軟件和數(shù)據(jù),確保設備可靠運行。它發(fā)揮著不可或缺的作用。RAM隨機訪問內存RAM（RandomAccessMemory）是一種內存類型,可快速讀寫數(shù)據(jù),被用作計算機的主內存。它可以隨機訪問任意存儲單元,無需按順序訪問。分類與特點RAM分為SRAM和DRAM兩大類。SRAM具有讀寫速度快、低功耗等優(yōu)點,而DRAM價格便宜、容量大,廣泛應用于主存儲器。易失性RAM屬易失性存儲器,斷電后存儲的數(shù)據(jù)會丟失,需要持續(xù)供電。這與ROM等非易失性存儲器不同。應用領域RAM廣泛應用于個人電腦、服務器、移動設備等,作為主存儲器為CPU提供高速緩存,滿足程序運行所需。動態(tài)RAM高密度集成動態(tài)RAM采用集成電路制造技術，可集成大量的存儲單元，容量可達數(shù)百兆比特。需要刷新動態(tài)RAM中的存儲單元需要定期刷新以保持數(shù)據(jù)，否則存儲的數(shù)據(jù)會丟失。低功耗相比靜態(tài)RAM，動態(tài)RAM具有更低的功耗，適合于移動設備等低功耗應用場景。靜態(tài)RAM穩(wěn)定存儲數(shù)據(jù)靜態(tài)RAM使用觸發(fā)器電路作為存儲單元,能夠持續(xù)保存數(shù)據(jù),無需周期性刷新。這種設計使得靜態(tài)RAM具有快速讀寫和低功耗的特點。簡單電路結構靜態(tài)RAM的內部電路相對簡單,只需一個觸發(fā)器存儲單元和地址譯碼電路。這種設計使其制造成本較低,適合用于嵌入式系統(tǒng)。性能對比動態(tài)RAM相比動態(tài)RAM,靜態(tài)RAM具有更快的訪問速度和更低的功耗,但存儲密度較低,單位成本較高。因此靜態(tài)RAM通常用于關鍵應用程序中的高速緩存。非易失性RAM1持久數(shù)據(jù)存儲非易失性RAM能在斷電后仍保留數(shù)據(jù)信息,適用于需要長期存儲的場景,如智能設備和工業(yè)控制系統(tǒng)。2快速讀寫與傳統(tǒng)磁盤存儲相比,非易失性RAM具有更高的讀寫速度,提高了系統(tǒng)性能。3耐用性強非易失性RAM無需機械運動部件,抗震性和壽命更好,適用于惡劣環(huán)境下的應用。4結構靈活非易失性RAM可集成到系統(tǒng)芯片中,實現(xiàn)更緊湊的設計,降低成本。存儲器控制原理1地址譯碼存儲器地址譯碼是確定存儲器中目標單元位置的關鍵步驟。利用地址總線上的地址信號進行譯碼可以準確定位存儲單元。2讀寫控制通過讀寫控制信號可以有選擇性地對存儲單元進行讀取或寫入操作。這確保了數(shù)據(jù)的正確傳輸和存儲。3時序控制存儲器的讀寫操作需要嚴格的時序控制,保證數(shù)據(jù)在正確的時刻被讀取或寫入存儲單元。這需要合理設計存儲時序。存儲器地址譯碼確定存儲空間根據(jù)存儲器容量確定存儲空間范圍，合理劃分地址空間。設計地址線使用足夠數(shù)量的地址線來覆蓋整個地址空間。地址譯碼器利用邏輯門電路實現(xiàn)對地址空間的高效劃分和尋址。存儲器讀寫控制1地址譯碼通過地址總線選擇特定存儲單元2讀取數(shù)據(jù)從存儲單元中提取數(shù)據(jù)3寫入數(shù)據(jù)將新數(shù)據(jù)寫入存儲單元存儲器的讀寫控制是通過地址總線確定讀寫位置,數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù),控制總線提供讀寫控制信號來實現(xiàn)的。這些步驟保證了存儲器可以可靠地存儲和提取所需的數(shù)據(jù)。存儲器管理1內存管理動態(tài)分配和回收內存資源2虛擬存儲管理建立虛擬地址到物理地址的映射3設備管理控制I/O設備的訪問和數(shù)據(jù)傳輸存儲器管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它通過動態(tài)管理內存資源、建立虛擬地址到物理地址的映射以及控制I/O設備的訪問,確保計算機系統(tǒng)能夠高效、安全地執(zhí)行各種應用程序。這些管理機制是操作系統(tǒng)正常運行的基礎。高級存儲器技術固態(tài)驅動器(SSD)SSD利用閃存技術提供更快的訪問速度,更高的可靠性和更低的功耗,適用于性能敏感型的應用場景。非易失性存儲器(NVRAM)NVRAM可在斷電時保持數(shù)據(jù),如相變存儲器(PRAM)和磁阻存儲器(MRAM),為新型存儲設備帶來創(chuàng)新可能。3D存儲器技術3DNAND閃存利用垂直堆疊的技術,提高了存儲密度,有效降低了成本,成為目前主流的固態(tài)存儲技術。Cache存儲器1提高性能Cache通過緩存常用數(shù)據(jù)和指令,可以大幅降低訪問內存的時間,顯著提升系統(tǒng)性能。2分層設計通常采用多級Cache設計,包括L1、L2、L3等,采用不同的容量和速度來平衡性能和成本。3類型豐富Cache按工作方式不同可分為直接映射、組相聯(lián)和全相聯(lián)等多種類型,滿足不同應用需求。4高速緩存策略Cache管理策略包括寫回、寫直達、預取等,通過優(yōu)化替換算法提高命中率和系統(tǒng)吞吐量。虛擬存儲器按需調入虛擬存儲器通過將程序代碼與數(shù)據(jù)根據(jù)需求動態(tài)加載到物理內存中,可以高效利用有限的物理內存資源。地址轉換虛擬存儲器系統(tǒng)通過地址轉換機制,將程序使用的虛擬地址映射到物理內存地址,隱藏了物理內存細節(jié)。頁式管理虛擬存儲器常采用頁式管理,將內存分為固定大小的頁,根據(jù)需求動態(tài)調入頁面以提高空間利用率。磁盤交換當物理內存不足時,虛擬存儲器會將暫時不用的頁面交換到磁盤上,以騰出空間供其他程序使用。RAID技術數(shù)據(jù)冗余存儲RAID技術通過將數(shù)據(jù)分散存儲在多個硬盤上來實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯性,避免單點故障。性能優(yōu)化RAID技術可以將多個硬盤并行工作,提高數(shù)據(jù)讀寫的性能和吞吐量,滿足高性能的存儲需求。數(shù)據(jù)恢復能力RAID技術可以在硬盤發(fā)生故障時自動進行數(shù)據(jù)重建,確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。程序設計語言介紹程序設計語言是人類與計算機溝通的橋梁。它們定義了編程語法和邏輯,讓我們能夠用統(tǒng)一的方式描述算法和數(shù)據(jù)結構,完成各種復雜的計算任務。本節(jié)將對主要的程序設計語言做簡要概括。編程語言發(fā)展歷程11940年代在計算機誕生的初期,只有機器語言和匯編語言可用。這些語言直接操作硬件,不便于人類編程。21950年代FORTRAN和COBOL等高級語言的出現(xiàn)使編程變得更簡單。這些語言能夠被編譯成機器指令。31960年代PL/I、Pascal和C等編程語言應運而生,為不同應用領域提供了更豐富的選擇。面向過程編程逐漸流行。41970年代Smalltalk開創(chuàng)了面向對象編程的新紀元。同時,Unix操作系統(tǒng)的普及帶動了C語言的廣泛使用。51980年代C++、Ada和Perl等語言相繼出現(xiàn),體現(xiàn)了面向對象和函數(shù)式編程的融合發(fā)展。圖形用戶界面也悄然興起。61990年代Java、Python和Ruby等語言的涌現(xiàn),滿足了web開發(fā)、人工智能等新興領域的需求。面向對象編程進一步發(fā)展。72000年代C#、Scala和Go語言應運而生,配合云計算和大數(shù)據(jù)的興起,滿足了當代軟件開發(fā)的新需求。編程語言分類面向過程編程以過程為中心的編程范式,通過一系列有序的步驟來實現(xiàn)程序功能。面向對象編程以對象為中心的編程范式,通過創(chuàng)建類和對象來實現(xiàn)程序邏輯。腳本語言用于編寫簡單的自動化任務和系統(tǒng)管理腳本的高級語言。函數(shù)式編程以函數(shù)為中心的編程范式,強調使用純函數(shù)和避免狀態(tài)變化。面向過程編程語言順序執(zhí)行面向過程的編程語言按照代碼的書寫順序逐條執(zhí)行,強調過程的完整性和邏輯性。程序員需要管理好變量、控制流和函數(shù)調用。效率優(yōu)先這類語言更注重運行效率,適合開發(fā)系統(tǒng)級軟件、嵌入式系統(tǒng)等對性能要求較高的應用程序。廣泛應用C、Fortran、Pascal等經(jīng)典的面向過程語言廣泛應用于操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫等各類軟件開發(fā)。程序結構簡單面向過程語言的代碼結構相對簡單,更容易學習和掌握。但對大型復雜項目的開發(fā)支持較弱。面向對象編程語言封裝面向對象編程語言通過封裝數(shù)據(jù)和行為來實現(xiàn)信息隱藏和抽象，提高代碼的可維護性和可重用性。繼承繼承允許新的類別繼承現(xiàn)有類別的屬性和方法，從而實現(xiàn)代碼的重用和層次結構。多態(tài)多態(tài)允許對象以多種形式表示和使用，使代碼更加靈活和可擴展。腳本語言快速開發(fā)腳本語言通常使用高級語法,不需要復雜的編譯過程,開發(fā)效率高。適合快速原型設計和自動化任務。靈活性腳本語言可嵌入其他程序,提供豐富的擴展性。允許開發(fā)者根據(jù)需求定制特定功能?？缙脚_許多流行的腳本語言如Python、Perl和Bash在不同操作系統(tǒng)上都有很好的兼容性。易讀易寫相比低級語言,腳本語言的語法更接近于自然語言,易于學習和維護。函數(shù)式編程語言聲明式編程函數(shù)式編程語言專注于使用純粹的數(shù)學函數(shù)來描述問題,而不是命令性的指令。這種聲明式編程方式使代碼更加簡潔和可讀。高階函數(shù)函數(shù)式語言支持將函數(shù)作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù),使代碼更加靈活和可組合。這種模塊化設計提高了代碼的可重用性。不可變數(shù)據(jù)函數(shù)式編程倡導使用不可變數(shù)據(jù),這樣可以避免一些副作用,提高代碼的可預測性和并發(fā)性。邏輯式編程語言基于邏輯關系邏輯式編程語言通過定義變量和邏輯表達式來描述問題的解決方案。數(shù)學邏輯基礎