第4章 嵌入式系统的存储器系统PPT课件
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嵌入式系统总结PPT课件
LDR R1,[R2]
;将R2指向的存储单元的数据读出
;保存在R1中
SWP R1,R1,[R2] ;将寄存器R1的值和R2指定的存储
;单元的内容交换
3.1 ARM处理器寻址方式
• 寻址方式分类——基址寻址
基址寻址就是将基址寄存器的内容与指令中给 出的偏移量相加，形成操作数的有效地址。基址寻 址用于访问基址附近的存储单元，常用于查表、数 组操作、功能部件寄存器访问等。基址寻址指令举 例如下：
MOV R1,R2
;将R2的值存入R1
SUB R0,R1,R2 ;将R1的值减去R2的值，结果保存到R0
3.1 ARM处理器寻址方式
• 寻址方式分类——立即寻址
立即寻址指令中的操作码字段后面的地址码部 分即是操作数本身，也就是说，数据就包含在指令 当中，取出指令也就取出了可以立即使用的操作数 (这样的数称为立即数)。立即寻址指令举例如下：
fOSC
1
晶体 振荡器
产生稳定的 时钟信号
FOSC
ON/OFF
3
PLL
外接晶体或 外接时钟源
2
唤醒
定时器
将Fosc提升到 合适的频率
FCCLK
CPU内核
4
VPB FPCLK 分频器
芯片外设
2.在复位或处理器从掉电模式被唤醒时，为输入的时钟信 号做计数延时，使芯片内部部件有时间进行初始化。
3.把Fosc信号提高到一个符合用户需要的频率(Fcclk) 其中 Fcclk用于CPU内核。
3.2 指令集介绍
• 算术逻辑运算指令
算术逻辑运算指令包括“加/减”以及“与/ 或/异或”等指令，它们的格式如下：
OpCode 结果寄存器，运算寄存器，第二操作数
嵌入式系统PPT优秀课件
四层，各有其特点。下图显示了嵌入式系统的软件体系。
设备驱动层是嵌入式系统中必不可少的重要部分；使 用任何外部设备都需要有相应的驱动程序的支持，它 为上层软件提供了设备的操作接口。上层软件不用理 会设备的具体内部操作，只须调用驱动层程序提供的 接口即可。驱动层一般包括：
硬件抽象层(HAL)
板级支持包(BSP)
相关统计表明，2012 年我国电子制造规模达 5.45 万 亿元，位居世界第二；电视、程控交换机、笔记本电 脑、显示器和智能手机等主要电子信息产品的产量居 全球首位。
我国嵌入式系统的应用主要分布在电信、医疗、汽车、 安全和消费类等行业。来自 2010-2011 年度的行业调 查数据显示，目前嵌入式产品应用最多的三大领域：
硬件层，是整个嵌入式系统的根本，如果现在单片机 及接口这块很熟悉，并且能用C和汇编语言来编程的 话，从嵌入式系统的硬件层走起来相对容易，硬件层
也是驱动层的基础，一个优秀的驱动工程师是要能够 看懂硬件的电路图和自行完成CPLD的逻辑设计的， 同时还要对操作系统内核及其调度性相当的熟悉的。
嵌入式系统的软件体系是面向嵌入式系统特定的硬件体系和用 户要求而设计的，是嵌入式系统的重要组成部分，是实现嵌入 式系统功能的关键。嵌入式系统软件系统和通用计算机软件体 系类似，分成驱动层、操作系统层、中间件层和应用软件层等
中间件是用于帮助和支持应用软件开发的软件，通常 包括数据库、网络协议、图形支持及相应开发工具等。 例如，MySQL、TCP/IP、GUI等都属于这一类软件。
MySQL[1] 是一个关系型数据库管理系统， 是一个数 据库
TPC/IP 是通信协议 GUI： （Graphical User Interface）图形用户界面
三大领域所占比例之和接近60%
设备驱动层是嵌入式系统中必不可少的重要部分；使 用任何外部设备都需要有相应的驱动程序的支持，它 为上层软件提供了设备的操作接口。上层软件不用理 会设备的具体内部操作，只须调用驱动层程序提供的 接口即可。驱动层一般包括：
硬件抽象层(HAL)
板级支持包(BSP)
相关统计表明，2012 年我国电子制造规模达 5.45 万 亿元，位居世界第二；电视、程控交换机、笔记本电 脑、显示器和智能手机等主要电子信息产品的产量居 全球首位。
我国嵌入式系统的应用主要分布在电信、医疗、汽车、 安全和消费类等行业。来自 2010-2011 年度的行业调 查数据显示，目前嵌入式产品应用最多的三大领域：
硬件层，是整个嵌入式系统的根本，如果现在单片机 及接口这块很熟悉，并且能用C和汇编语言来编程的 话，从嵌入式系统的硬件层走起来相对容易，硬件层
也是驱动层的基础，一个优秀的驱动工程师是要能够 看懂硬件的电路图和自行完成CPLD的逻辑设计的， 同时还要对操作系统内核及其调度性相当的熟悉的。
嵌入式系统的软件体系是面向嵌入式系统特定的硬件体系和用 户要求而设计的，是嵌入式系统的重要组成部分，是实现嵌入 式系统功能的关键。嵌入式系统软件系统和通用计算机软件体 系类似，分成驱动层、操作系统层、中间件层和应用软件层等
中间件是用于帮助和支持应用软件开发的软件，通常 包括数据库、网络协议、图形支持及相应开发工具等。 例如，MySQL、TCP/IP、GUI等都属于这一类软件。
MySQL[1] 是一个关系型数据库管理系统， 是一个数 据库
TPC/IP 是通信协议 GUI： （Graphical User Interface）图形用户界面
三大领域所占比例之和接近60%
嵌入式系统的应用及基本概念PPT课件
医疗设备
医疗设备是嵌入式系统的又一重要应用领域， 通过嵌入式系统技术，可以实现医疗设备的智 能化和便携化，提高医疗服务的效率和精度。
嵌入式系统在医疗设备中广泛应用于各种便携 式医疗设备，如智能血压计、智能血糖仪、智 能心电图仪等。
嵌入式系统通过与各种传感器和执行器的连接 和控制，实现了医疗设备的自动化和智能化， 提高了医疗服务的效率和精度。
05
嵌入式系统的发展趋势 与挑战
发展趋势
智能化
微型化
随着人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现自主决策、学 习和适应环境变化。
随着微电子技术的进步，嵌入式系统的体 积将越来越小，性能更高，功耗更低。Fra bibliotek网络化
安全性增强
物联网的普及将推动嵌入式系统网络化的 发展，实现设备间的互联互通和远程控制 。
常见的输入设备包括按钮、开 关、传感器等，输出设备包括 显示器、打印机、LED显示屏 等。
输入输出设备的选择取决于嵌 入式系统的应用场景和功能需 求。
电源
电源为嵌入式系统提供电能。
根据系统需求，可以选择不同的电源方案，如电池、直流电源和交流电源。
电源的稳定性和效率对嵌入式系统的性能和可靠性具有重要影响。
嵌入式系统的应用及 基本概念ppt课件
目录
• 嵌入式系统简介 • 嵌入式系统的基本组成 • 嵌入式系统的软件 • 嵌入式系统的应用实例 • 嵌入式系统的发展趋势与挑战
01
嵌入式系统简介
定义与特点
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机 系统，主要用于控制、监视或帮 助操作机器和设备。
特点
实时性、专用性、可靠性和低功 耗。
供应链管理
随着嵌入式系统复杂性的增加， 企业需要更加精细的供应链管理 以确保产品的质量和交付。
最新嵌入式系统简介嵌入式系统的组成嵌入式系统开发流程ppt课件PPT课件
• ROM仿真器 • JTAG仿真器 • 逻辑分析器
• 需求管理工具
• 示波器
• DSP开发工具
• 器件驱动器开发工具
• 软硬件协同验证工具
9.3 嵌入式系统开发流程
1 嵌入式软件开发的特点
▪ 嵌入式系统与通用计算机系统的差别：
– 人机交互界面 – 有限的功能
– 时间关键性和稳定性
▪ 嵌入式软件开发的特点：
嵌入式微控制器EMCU
• 嵌入式微控制器又称为单片机，它将CPU、存 储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其 它外设接口封装在同一片集成电路里。
• 嵌入式微控制器制造商：摩托罗拉、英特尔、 英飞凌科技、 Atmel、日立、NEC、三菱、 东芝、松下、Microchip、富士、飞利浦、德 州仪器、三星、三洋、索尼、Oki、凌阳科技 等。
9.1 嵌入式系统简介
• 广义上讲，凡是带有微处理器的专用软硬 件系统都可称为嵌入式系统。如各类单片
机和DSP系统。这些系统在完成较为单一 的专业功能时具有简洁高效的特点。但由 于他们没有操作系统，管理系统硬件和软 件的能力有限，在实现复杂多任务功能时， 往往困难重重，甚至无法实现 • 从狭义上讲，那些使用嵌入式微处理器构 成独立系统，具有自己操作系统，具有特 定功能，用于特定场合的专用软硬件系统 称为嵌入式系统。
▪ 嵌入式软件开发的特点：
–引入任务设计方法 –需要固化程序 –软件开发难度大
➢ 嵌入式应用软件对实时性、稳定性、可靠性、 抗干扰性等性能的要求都比通用软件的要求 更为严格和苛刻。
2.2 嵌入式系统开发的流程
嵌入式软件的开发流程与通用软件的开发流程 大同小异，但开发所使用的设计方法具有嵌入式 开发的特点。整个开发流程可分为：
《嵌入式系统介绍》PPT课件
Microsoft Windows CE是针对有限资源的平台而设计的多 线程、完整优先权、多任务的操作系统，但它不是一个硬 实时操作系统。
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
34
图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
13
计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
ppt课件
8
高度模块化是WinCE的一个鲜为人知的特性，这一特性有 利与它对从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备 进行定制。
WinCE操作系统的基本内核需要至少200K的ROM，它支 持 Win32 API子集、多种用户界面硬件、多种的串行和网 络通讯技术、COM/OLE和其他的进程间通讯的先进方法。 Microsoft 公 司 为 Windows CE 提 供 了 Platform Builder 和 Embedded Visual Studio开发工具。
进程调度
网络模块 图形驱动 调度 数据库
模块
驱动程序、硬件抽象层、板级支持包
硬件 （Hardware）
ppt课件
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图1- 4 RTOS体系结构图
典型嵌入式操作系统介绍
嵌入式操作系统的种类繁多，但大体上可 分为两种——商用型和免费型。
目 前 商 用 型 的 操 作 系 统 主 要 有 VxWorks 、 Windows CE 、 Psos 、 Palm OS 、 OS-9 、 LynxOS、QNX、LYNX等;
电话 无晶体管
BT DECT
1千万个晶体管
3个处理器
诺基亚手机 超过7亿个晶体管
(多数用于存储器) 5-6个处理器
1940
2pp0t课01件
2002
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计算机的发展
Apple Macintosh
黑白显示器 1 MIP 处理器
Acorn Archimedes 彩色显示器
10 MIP 处理器 … RISC集
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4第4章嵌入式系统的存储器系统new
2019/10/17
华中科技大学计算机学院
5
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。 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。
2019/10/17
华中科技大学计算机学院
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在嵌入式系统中，I/O操作通常被映射成存储器操作， 即输入／输出是通过存储器映射的可寻址外围寄存器 和中断输入的组合来实现的。I/O的输出操作可通过存 储器写入操作实现；I/O的输入操作可通过存储器读取 操作实现。这些存储器映射的I/O空间不满足cache所 要求的特性，不能使用cache技术，一些嵌入式系统使 用存储器直接访问（DMA）实现快速存储。
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式硬件系统-嵌入式存储技幻灯片PPT
嵌入式硬件系统-嵌入式存 储技幻灯片PPT
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接下来介绍本章第三节内容
❖嵌入式硬件架构 ❖嵌入式处理器 ❖嵌入式存储技术
❖RAM存储器分为两种: ▪ 静态RAM（SRAM） ▪ 动态RAM（DRAM）
RAM
❖SRAM与DRAM间的主要区别是存储于其 中的数据的寿命
❖SRAM是只要芯片有电就会保留其中的内 容。然而，如果电源切断了或者是暂时断 电了，其中的内容就会永久的丢失
❖DRAM只有极短的数据寿命，通常不超过 0.25s，即使是在连续供电的情况下也是如 此。因此使用DRAM时，需要配合DRAM 控制器
❖存储器系统的层次结构从上而下，依次： ▪ 速度更慢 ▪ 容量更大 ▪ 访问频率更小 ▪ 造价更便宜
ROM
❖只读存储器（ROM）家族中的存储器 是按照向其中写入新数据的方法（通 常叫作编程）及其可以重写的次数来 划分的
ROM
❖主要包括: ▪ 掩膜只读存储器ROM ▪ 可编程只读存储器PROM ▪ 可擦除只读存储器EPROM ▪ 电擦除的只读存储器EEPROM ▪ Flash
❖它们能够永久保存数据和程序，即使在断 电之后，也能保存如初
存储器的特点
❖RAM：随机存取存储器， SRAM：静态 随机存储器， DRAM：动态随机存储器 ▪ 1）SRAM比DRAM快 ▪ 2）SRAM比DRAM耗电多 ▪ 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 ▪ 4）DRAM需要周期性刷新
❖ROM：只读存储器 ❖FLASH：闪存
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❖嵌入式硬件架构 ❖嵌入式处理器 ❖嵌入式存储技术
❖RAM存储器分为两种: ▪ 静态RAM（SRAM） ▪ 动态RAM（DRAM）
RAM
❖SRAM与DRAM间的主要区别是存储于其 中的数据的寿命
❖SRAM是只要芯片有电就会保留其中的内 容。然而，如果电源切断了或者是暂时断 电了，其中的内容就会永久的丢失
❖DRAM只有极短的数据寿命，通常不超过 0.25s，即使是在连续供电的情况下也是如 此。因此使用DRAM时，需要配合DRAM 控制器
❖存储器系统的层次结构从上而下，依次： ▪ 速度更慢 ▪ 容量更大 ▪ 访问频率更小 ▪ 造价更便宜
ROM
❖只读存储器（ROM）家族中的存储器 是按照向其中写入新数据的方法（通 常叫作编程）及其可以重写的次数来 划分的
ROM
❖主要包括: ▪ 掩膜只读存储器ROM ▪ 可编程只读存储器PROM ▪ 可擦除只读存储器EPROM ▪ 电擦除的只读存储器EEPROM ▪ Flash
❖它们能够永久保存数据和程序，即使在断 电之后，也能保存如初
存储器的特点
❖RAM：随机存取存储器， SRAM：静态 随机存储器， DRAM：动态随机存储器 ▪ 1）SRAM比DRAM快 ▪ 2）SRAM比DRAM耗电多 ▪ 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 ▪ 4）DRAM需要周期性刷新
❖ROM：只读存储器 ❖FLASH：闪存
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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。
嵌入式系统概论
3
图4.1.1 存储器系统层次结构
18.08.2020
嵌入式系统概论
4
❖ 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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嵌入式系统概论
5
❖ 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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嵌入式系统概论
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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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嵌入式系统概论
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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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嵌入式系统概论
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第一部分
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嵌入式系统概论
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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。
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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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嵌入式系统概论
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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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嵌入式系统概论
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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
18.08.2020
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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。