第四章-存儲系統(tǒng)20171020

第四章存儲系統(tǒng)4.0存儲系統(tǒng)概述4.1存儲器分類4.2計(jì)算機(jī)的多級存儲層次4.3嵌入式系統(tǒng)總線4.4S3c2440存儲系統(tǒng)

存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用來存放程序和數(shù)據(jù)的基本單元或設(shè)備。存儲器容量愈大，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，隨著更好的存儲載體材料的發(fā)現(xiàn)及生產(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，爭取更大的存儲容量、獲得更快的存取速度、減小存儲器載體的體積以及降低單位存儲容量性價(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)對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低，但這三者在同一個(gè)存儲器中不可兼得。2.解決：

采用分級存儲器結(jié)構(gòu)，通常將存儲器分為CPU寄存器、高速緩沖存儲器、主存儲器和外存存儲器四級。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲器的配置存儲元(存儲位)存儲單元按字編址與按字節(jié)編址每一個(gè)存儲單元的位數(shù)是不同的；按字編址可以增加存儲空間；按字節(jié)編址便于對字符進(jìn)行處理。存儲器存儲器所包含的存儲單元個(gè)數(shù)稱為存儲器的容量，內(nèi)存的容量與地址線的寬度有關(guān)；內(nèi)存的容量通常是以字節(jié)來度量的(如：KB、MB、GB、TB等)，因此對于相同的地址線寬度，按字編址與按字節(jié)編址其最大存儲空間是不同的。4.1存儲器分類一、存儲器分類1.按所處位置及功能分類內(nèi)存儲器—

半導(dǎo)體存儲器外存儲器—

磁存儲器和光存儲器

總線CPU內(nèi)存外存2.按存儲載體材料分類半導(dǎo)體材料—

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

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

3.按存儲器的功能來分類

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

隨機(jī)存儲器：任何存儲單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間和存儲單元的物理位置無關(guān)。順序存儲器：只能按某種順序來存取，存取時(shí)間和存儲單元的物理位置有關(guān)。半順序存儲器：磁盤、光盤。5.按存儲器的讀寫功能分(存儲內(nèi)容可變性)只讀存儲器(ROM)：存儲的內(nèi)容是固定不變的，只能讀出而不能寫入的半導(dǎo)體存儲器；隨機(jī)讀寫存儲器(RAM)：既能讀出又能寫入的半導(dǎo)體存儲器、磁盤、磁帶。6.按信息的可保存性分(易失性)非永久記憶的存儲器(易失性存儲器)：斷電后信息即消失的存儲器，半導(dǎo)體讀寫存儲器(RAM)；永久記憶性存儲器(非易失性存儲器)：斷電后仍能保存信息的存儲器，半導(dǎo)體只讀存儲器(ROM)、磁盤、磁帶、光盤。存儲器的分類按存儲介質(zhì)分類半導(dǎo)體存儲器磁介質(zhì)存儲器光存儲器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紫外線可擦除EPROM電可擦除E2PROM可編程只讀存儲器FLASH讀寫存儲器RAM只讀存儲器ROM（按讀寫功能分類)（按器件原理分類）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合。速度較快，集成度較低，一般用于對速度要求高、而容量不大的場合。(按存儲原理分類)4.2計(jì)算機(jī)的多級存儲層次4.2.1計(jì)算機(jī)的多級存儲層次4.2.2嵌入式存儲系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)4.2.3計(jì)算機(jī)的相應(yīng)存儲介質(zhì)4.2.1計(jì)算機(jī)的多級存儲層次寄存器高速緩沖存儲器(Cache)主存(大容量半導(dǎo)體存儲器)輔存(磁盤、光盤存儲器)大容量(海量)存儲器(磁帶存儲器)屬CPU主存儲器屬外部設(shè)備容量增大速度降低價(jià)格降低存儲系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)CPU寄存器Cache主存磁盤磁帶磁盤Cache光盤存儲系統(tǒng)的分級結(jié)構(gòu)4.2.2嵌入式存儲系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)1.對于簡單的嵌入式系統(tǒng)來說，沒有必要把存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)為4級，最簡單的嵌入式系統(tǒng)只需要寄存器和主存儲器即可。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，它用來作指令執(zhí)行時(shí)的數(shù)據(jù)存放單元，用來存放操作數(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。

嵌入式存儲系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)

3.主存儲器是程序執(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器是非易失性的存儲器，如NORFlash類型的存儲芯片，存放數(shù)據(jù)的存儲器是易失性的存儲器，如SDRAM類型的存儲芯片。4.2.3寄存器存取速度最快；成本最高；容量最??；通用寄存器常用于存放運(yùn)算的操作數(shù)和運(yùn)算過程中的中間結(jié)果。主存儲器(內(nèi)存)按地址進(jìn)行訪問；訪問任何單元所需的時(shí)間相同；容量、速度和價(jià)格均介于寄存器和外存儲器之間；屬非永久性存儲器，斷開電源后，數(shù)據(jù)會(huì)丟失。磁芯存儲器內(nèi)存條：

所謂內(nèi)存條就是將多片存儲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；它的存儲速度高于主存，成本高于主存，容量小于主存；它主要用來解決CPU與主存之間的速度匹配問題;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Cache進(jìn)行數(shù)據(jù)存取，從而提高速度。輔存儲器(外存)磁盤：軟盤Floppydisk硬盤Harddisk光盤Opticaldisk磁帶Magnetictape磁盤與磁帶被稱為磁表面存儲器輔存儲器(外存)存取時(shí)間與存儲單元的物理位置有關(guān)；存儲容量大，位價(jià)格低；磁表面存儲器的記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；記錄信息可以長期保存而不丟失，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。磁盤由某種基質(zhì)材料制成的薄的、可以旋轉(zhuǎn)的盤片，表面有磁介質(zhì)的涂層以存儲數(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和硬盤；硬盤又可根據(jù)組成系統(tǒng)的方式不同分為盤片、盤組、盤陣列。磁盤存儲系統(tǒng)磁道分為扇區(qū)盤盤旋轉(zhuǎn)臂移動(dòng)存取臂讀/寫頭軟盤僅由一張軟質(zhì)聚酯塑料溥片為基質(zhì)的盤片組成，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：封裝在硬的塑料盒子里，容量1.44MB；Zip盤：幾百M(fèi)B；

軟盤：1.44MB軟驅(qū)3.5寸軟盤硬盤容量大，一般由多個(gè)剛性盤片組成盤組；磁頭不與盤片表面接觸，而是靠氣流“浮”在上面；劃道硬盤：光盤5英寸盤，由反射材料組成，通過在反射層上創(chuàng)建反射偏差的方法在上面記錄信息。這種信息可以通過激光束檢測出來；螺旋形磁道(從內(nèi)向外)、扇區(qū)——2KB：長而連續(xù)的數(shù)據(jù)串；如需要隨機(jī)存取，同心圓磁道的磁盤較好。CD---ROM光盤光驅(qū)光盤背面光盤正面磁帶信息存儲在一條細(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盤存儲器為半導(dǎo)體存儲器，它的存儲介質(zhì)是快閃存儲器(FlashMemory)；可重復(fù)擦寫達(dá)100萬次；防潮，耐高低溫(-40C~+70C)；有寫保護(hù)功能；使用USB2.0接口，無需外接電源，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的15倍，讀寫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盤存儲器4.3

嵌入式系統(tǒng)總線存儲器是嵌入式系統(tǒng)中的主要硬件部件，用于存儲指令碼及相關(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器。但也有需要擴(kuò)展外部存儲器芯片的?？偩€

總線是把微處理器與存儲器、I/O端口及設(shè)備相連接的信息通道，但總線并不僅僅指的是一束信號線，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，按照使用場合的不同，我們可以把總線分成：（1）片上總線（2）板級總線（3）系統(tǒng)級總線AMBA總線片上總線即是微處理器芯片內(nèi)部的總線，典型的如ARM公司提出的AMBA總線。板級總線板級總線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。典型的如PC-104總線、PCI總線等。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)建板級目標(biāo)系統(tǒng)時(shí)，往往并未采用標(biāo)準(zhǔn)化的總線，而是直接完成芯片與芯片引腳間的連接。嵌入式系統(tǒng)的板級目標(biāo)系統(tǒng)硬件平臺設(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。其它板級總線標(biāo)準(zhǔn)（1）PC-104總線

PC-104總線是專門為控制領(lǐng)域的應(yīng)用而定義的嵌入式系統(tǒng)總線，它支持采用堆棧結(jié)構(gòu)的總線形式，通過PC-104總線，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

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

PCI總線是PC機(jī)中被廣泛使用的板級總線標(biāo)準(zhǔn)。在有些嵌入式系統(tǒng)中，也會(huì)采用PCI總線作為其板級總線。4.4S3c2440存儲系統(tǒng)4.4.1S3c2440存儲系統(tǒng)概述4.4.2S3C2440芯片總線—引腳4.4.3S3c2440存儲空間特點(diǎn)4.4.1S3c2440存儲系統(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：外部內(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)總線仲裁器4.4.2S3C2440芯片總線—引腳封裝與引腳信號：S3C2440微控制器是289-FBGA封裝其型號可以分成：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1.S3c2440芯片的289條引腳中，按照功能分類主要是地址類信號引腳、數(shù)據(jù)類信號引腳、控制類信號引腳、以及I/O部件的接口功能引腳等。2.nGCS0—nGCS7信號引腳是芯片選擇信號引腳（俗稱片選信號），S3c2440芯片把外部存儲空間劃分為8個(gè)塊，每個(gè)存儲塊的存儲空間是128MB，區(qū)分8個(gè)存儲塊的地址空間是通過片選信號nGCS0—nGCS7來實(shí)現(xiàn)的。3、控制類信號引腳總線控制信號OM1、OM0：這2根信號線是S3C2440的模式選擇信號引腳，用來確定芯片的模式以及數(shù)據(jù)線的寬度。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、其它功能類引腳其它功能類引腳主要包括：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存儲空間特點(diǎn)S3c2440芯片內(nèi)部是沒有集成主存儲區(qū)的，因此，若以S3c24