第4章 嵌入式系统的存储器系统PPT课件

整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
4.1 存储器系统概述
❖ 4.1.1 存储器系统的层次结构
❖ 计算机系统的存储器被组织成一个6个层次的金字塔形的层次结构，如 图4.1.1所示，位于整个层次结构的最顶部S0层为CPU内部寄存器
❖ 嵌入式系统中虚拟存储空间到物理存储空间的映射以内存块为单位来进 行。即虚拟存储空间中一块连续的存储空间被映射到物理存储空间中同 样大小的一块连续存储空间。在页表和TLB中，每一个地址变换条目实 际上记录了一个虚拟存储空间的内存块的基地址与物理存储空间相应的 一个内存块的基地址的对应关系。根据内存块大小，可以有多种地址变 换。
❖ （2）存储器访问权限的控制。 ❖ （3）设置虚拟存储空间的缓冲的特性。 ❖ 嵌入式系统中常常采用页式存储管理。页表是存储在内存中的一个表，
页表用来管理这些页。页表的每一行对应于虚拟存储空间的一个页，该 行包含了该虚拟内存页对应的物理内存页的地址、该页的方位权限和该 页的缓冲特性等。从虚拟地址到物理地址的变换过程就是查询页表的过 程。例如在ARM嵌入式系统中，使用系统控制协处理器CP15的寄存器 C2来保存页表的基地址。
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图4.1.1 存储器系统层次结构
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❖ 在这种存储器分层结构中，上面一层的存储器作为下一层பைடு நூலகம்储器的高速
缓存。CPU寄存器就是cache的高速缓存，寄存器保存来自cache的字； cache又是内存层的高速缓存，从内存中提取数据送给CPU进行处理， 并将CPU的处理结果返回到内存中；内存又是主存储器的高速缓存，它 将经常用到的数据从Flash等主存储器中提取出来，放到内存中，从而加 快了CPU的运行效率。嵌入式系统的主存储器容量是有限的，磁盘、光 盘或CF、SD卡等外部存储器用来保存大信息量的数据。在某些带有分 布式文件系统的嵌入式网络系统中，外部存储器就作为其他系统中被存
储数据的高速缓存。
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❖ 4.1.2 高速缓冲存储器
❖ 在主存储器和CPU之间采用高速缓冲存储器（cache）被广泛用来提高 提高存储器系统的性能，许多微处理器体系结构都把它作为其定义的一 部分。cache能够减少内存平均访问时间。
❖ Cache可以分为统一cache和独立的数据／程序cache。在一个存储系统 中，指令预取时和数据读写时使用同一个cache，这时称系统使用统一 的cache。如果在一个存储系统中，指令预取时使用的一个cache，数据 读写时使用的另一个cache，各自是独立的，这时称系统使用了独立的 cache，用于指令预取的cache称为指令cache，用于数据读写的cache 称为数据cache。
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❖ 4.1.3 存储管理单元
❖ MMU（Memory Manage Unit, 存储管理单元）在CPU和物理内存之间 进行地址转换，将地址从逻辑空间映射到物理空间，这个转换过程一般 称为内存映射。MMU主要完成以下工作：
❖ （1）虚拟存储空间到物理存储空间的映射。采用了页式虚拟存储管理， 它把虚拟地址空间分成一个个固定大小的块，每一块称为一页，把物理 内存的地址空间也分成同样大小的页。MMU实现的就是从虚拟地址到物 理地址的转换。
❖ 当CPU更新了cache的内容时，要将结果写回到主存中，可以采用写通 法（write-through）和写回法（write-back）。写通法是指CPU在执行写 操作时，必须把数据同时写入cache和主存。采用写通法进行数据更新 的cache称为写通cache。写回法是指CPU在执行写操作时，被写的数据 只写入cache不写入主存。仅当需要替换时，才把已经修改的cache块写 回到主存中。采用写回法进行数据更新的cache称为写回cache。
❖ S1层为芯片内部的高速缓存（cache） ❖ 内存S2层为芯片外的高速缓存（SRAM、DRAM、DDRAM） ❖ S3层为主存储器（Flash、PROM、EPROM、EEPROM） ❖ S4层为外部存储器（磁盘、光盘、CF、SD卡） ❖ S5层为远程二级存储（分布式文件系统、Web服务器）
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❖ 当进行数据写操作时，可以将cache分为读操作分配cache和写操作分配 cache两类。对于读操作分配cache，当进行数据写操作时，如果cache 未命中，只是简单地将数据写入主存中。主要在数据读取时，才进行
cache内容预取。对于写操作分配cache，当进行数据写操作时，如果 cache未命中，cache系统将会进行cache内容预取，从主存中将相应的 块读取到cache中相应的位置，并执行写操作，把数据写入到cache中。 对于写通类型的cache，数据将会同时被写入到主存中，对于写回类型 的cache数据将在合适的时候写回到主存中。
第4章 嵌入式系统的存储器系统
4.1 存储器系统概述 4.2 嵌入式系统存储设备分类 4.3 NOR Flash接口电路 4.4 NAND Flash接口电路 4.5 SDRAM接口电路 4.6 CF卡接口电路 4.7 SD卡接口电路 4.8 IDE接口电路
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第一部分
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❖ 基于程序在执行过程中具有局部性的原理，在一段时间内，对页表的访 问只是局限在少数几个单元。根据这一特点，增加了一个小容量（通常 为8～16字）、高速度（访问速度和CPU中通用寄存器相当）的存储部 件来存放当前访问需要的地址变换条目，这个存储部件称为地址转换后 备缓冲器（Translation Look aside Buffer，TLB）。当CPU访问内存时， 首先在TLB中查找需要的地址变换条目，如果该条目不存在，CPU在从 位于内存中的页表中查询，并把相应的结果添加到TLB中，更新它的内 容。当ARM处理器请求存储访问时，首先在TLB中查找虚拟地址。如果 系统中数据TLB和指令TLB是分开的，在取指令时，从指令TLB查找相应 的虚拟地址，对于内存访问操作，从数据TLB中查找相应的虚拟地址。