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2^19*32bit=224bit
• 每片的大小是16Kx16bit，也即2^18bit
• 因此，需要的片数为：2^24/218=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：

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。