存储器结构.
8051单片机的存储器结构
8051单片机的存储器结构8051 单片机是一种常见的微控制器，它具有一个复杂的存储器结构。
8051 单片机的存储器结构包括以下几个部分：程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、特殊功能寄存器（SFR）和扩展存储器（EEROM）。
1. 程序存储器（ROM）程序存储器是存储 8051 单片机程序的地方，通常被称为EPROM或flash。
程序存储器的地址空间为0x0000到0xFFFF，共64K字节。
程序存储器用于存储程序代码、常量数据、用户函数和中断向量表。
由于程序存储器是只读存储器，因此它的内容只能在编程时被修改。
在8051单片机启动时，程序计数器（PC）从0x0000初始化，并指向程序存储器的第一个地址。
当任何指令被执行时，PC递增，指向下一个指令。
数据存储器是存储程序数据的地方，也称为随机存取存储器（RAM）。
数据存储器的地址空间为0x0000到0xFFFF，但是只有128个字节可以快速访问。
数据存储器中的地址在逻辑和物理上是一样的。
数据存储器通常用于存储变量、数组、堆栈等运行时数据，这些数据是程序运行时动态分配的。
数据存储器也可以被用作缓存或寄存器文件。
访问数据存储器时，通常需要将地址存储在一个或多个寄存器中，然后通过所选指令操作该地址。
3. 特殊功能寄存器（SFR）特殊功能寄存器是一组8位或16位的寄存器，用于存储控制器状态和控制器中的各种特殊功能。
特殊功能寄存器的地址范围为0x80到0xFF，共有128个字节。
特殊功能寄存器的内容可以被用于控制 CPU 的各种特殊功能，如控制定时器/计数器、外设 I/O 端口和串行通信接口等等。
特殊功能寄存器中的某些位用于确定控制器中的功能开关。
因此，通过对特殊功能寄存器的读写来控制和管理 8051 单片机的各种功能。
扩展存储器通常被称为 EEROM(Electrically Erasable Read Only Memory)，它是非易失性存储器的一种。
存储器层次结构课件
优化成本：通过降低存储器的成 本来提高系统的性价比。例如， 使用更便宜的存储元件、优化设
计和批量生产等。
04 存储器层次结构性能评估 与优化方法
存储器层次结构性能评估指标
01
02
03
04
读取命中率
评估层次结构在读取操作中的 性能，衡量从存储器中获取所
需数据的速度和效率。
带宽
评估层次结构在数据传输方面 的性能，包括每秒传输的字节 数和每秒进行的操作次数。
存储器层次结构特点：存储器层次结构具有以下特点：1）访问速度逐层递减， 价格逐层递增；2）离CPU越近的存储器访问速度越快，价格也越高；3）离CPU 越远的存储器访问速度越慢，价格也越低。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构应用场景- 嵌入式系统
服务器和数据中心：在服务器和数据中心中，由于需要处理大量的数据 和要求，通常采用较大的存储器层次结构，如主存储器、辅助存储器和
磁盘优化
采用更高效的磁盘技术 ，如SSD、HDD等，提 高磁盘I/O性能和存储容
量。
系统优化
通过优化操作系统、文 件系统和网络协议等，
提高整体系统性能。
存储器层次结构性能提升策略
负载均衡
通过公道分配负载，避免系统 过载或空载，提高整体性能。
缓存预热
在程序运行前，将热点数据提 前加载到缓存中，提高读取命 中率。
散布式文件系统等。
个人计算机：在个人计算机中，由于需要处理多种任务和应用程序，通 常采用适中的存储器层次结构，如高速缓存、主存储器和硬盘驱动器等 。
存储器层次结构原理及应用
存储器层次结构优化策略- 优化 访问速度
优化容量：通过增加存储容量来 满足不断增长的数据需求。例如 ，使用更大容量的硬盘驱动器、 内存模块和散布式文件系统等。
说明嵌入式分级存储器系统的结构
说明嵌入式分级存储器系统的结构1.引言1.1 概述嵌入式分级存储器系统是一种用于提高计算机性能的重要技术。
随着计算机技术的发展和应用领域的拓展，对计算机存储器的要求越来越高。
嵌入式分级存储器系统通过将存储器分为多个层次，每个层次的存储介质和访问速度不同，从而在满足存储需求的同时提高了系统的性能。
嵌入式分级存储器系统的结构是由多个层次的存储介质组成的。
通常分为高速缓存、主存和辅助存储器三个层次。
高速缓存是距离处理器最近的一层，通过存储最常访问的数据和指令来提高系统性能。
主存是处理器直接访问的存储介质，存储正在运行的程序和数据。
而辅助存储器则是存储大量数据和程序的介质，包括硬盘、光盘等。
嵌入式分级存储器系统的设计原则是根据访问频率和访问速度的关系来确定存储介质的层次划分。
对于访问频率高、访问速度快的数据和指令，会优先存储在高速缓存中，以便快速访问。
访问频率较低的数据和指令则存储在主存或辅助存储器中。
这样的划分可以在一定程度上减少访问存储介质所需的时间，提高系统的响应速度。
嵌入式分级存储器系统的结构对于提高计算机的性能和效率非常重要。
通过合理地划分存储介质的层次，可以有效地减少存储器访问时间，提高系统的运行速度。
同时，嵌入式分级存储器系统也能够更好地满足计算机在不同应用场景下的存储需求，提供更好的用户体验和服务。
综上所述，嵌入式分级存储器系统作为一种提高计算机性能的重要技术，其结构是由多个层次的存储介质组成的。
通过合理划分存储介质的层次，可以提高系统的响应速度和效率，满足不同应用场景下的存储需求。
因此，研究和应用嵌入式分级存储器系统具有重要的意义和广阔的发展前景。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以描述文章的整体框架和各个章节的主要内容，以帮助读者更好地理解和导航整篇文章。
以下是一个可能的参考内容：文章结构部分：本文将围绕嵌入式分级存储器系统展开详细的说明和分析。
为了让读者更好地理解文章的内容和组织，下面将简要介绍本文的结构。
计算机中的存储器层次结构及其特点是什么
计算机中的存储器层次结构及其特点是什么计算机的存储器层次结构是指由多个不同速度和容量的存储器组成的层次化结构，其目的是在满足性能和成本的要求下，提供高效的数据存储和访问。
存储器层次结构包括高速缓存、主存储器和辅助存储器，每个层次的存储器都有其特定的特点和用途。
1. 高速缓存高速缓存是位于计算机中央处理器（CPU）内部的一种特殊存储器，用于存放最常用的数据和指令。
它具有以下特点：- 高速访问：由于其接近CPU，高速缓存能够以更快的速度提供数据，从而减少CPU的等待时间，提高系统性能。
- 小容量：高速缓存的容量相对较小，一般只能存储少量的数据和指令。
- 自动管理：高速缓存采用自动管理机制，通过缓存替换算法和预取策略来提高数据访问效率。
2. 主存储器主存储器属于计算机系统的核心组成部分，用于暂时存储正在执行的程序和数据。
主存储器具有以下特点：- 大容量：相比于高速缓存，主存储器的容量较大，可以存储更多的数据和指令。
- 较低的访问速度：相对于高速缓存，主存储器的访问速度慢一些，但仍然比辅助存储器快得多。
- 动态随机存取：主存储器采用动态随机存取存储器（DRAM）作为存储单元，具有读写功能。
3. 辅助存储器辅助存储器用于长期存储和备份数据和程序，其特点如下：- 大容量：辅助存储器具有非常大的容量，可以存储大量的数据和程序。
- 相对较慢的访问速度：辅助存储器的访问速度相对较慢，但它能够长期保存数据，并且可以进行离线操作。
- 持久性存储：与高速缓存和主存储器不同，辅助存储器是非易失性存储器，即断电后数据仍然会被保留。
通过这三个层次的存储器结构，计算机系统能够根据数据的访问频率和容量需求进行智能管理和分配，从而提高系统性能和运行效率。
高速缓存作为最接近CPU的快速存储器，能够快速提供数据，减少CPU的等待时间。
主存储器作为快速存取存储器，存储正在执行的程序和数据。
而辅助存储器则用于长期保存数据和进行离线操作。
总结起来，计算机中的存储器层次结构通过高速缓存、主存储器和辅助存储器的组合，实现了性能和成本的平衡。
存储器层次结构
存储器层次结构存储器层次结构存储技术计算机技术的成功很⼤程度来源于存储技术的巨⼤进步。
早期的电脑甚⾄没有磁盘。
现在电脑上的磁盘都已经按T算了。
随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)随机访问存储器(Random-Access Memory, RAM)分两类：静态的：SRAM，⾼速缓存存储器，既可以在CPU，也可以在⽚下。
动态的：DRAM，⽤于主存或者图形系统帧缓冲区。
通常情况下，SRAM的容量都不会太⼤，⽽相⽐之下DRAM容量可以⼤得离谱。
静态RAMSRAM将每个位存储在⼀个双稳态存储器单元⾥，每个单元⽤⼀个六晶体管电路实现。
这种电路有⼀个属性，它可以⽆限期地保持两个不同的状态的其中⼀个，其他状态都是不稳定的。
如上图，它能稳定在左态和右态，如果处于不稳定状态，它就像钟摆⼀样⽴刻变成两种稳态的其中⼀种。
也因为它的双稳态特性，即使有⼲扰，等到⼲扰消除，电路就能恢复成稳定值。
动态RAMDRAM的每个存储是⼀个电容和访问晶体管组成，每次存储相当于对电容充电。
该电容很⼩，⼤约只有30毫微微法拉。
因为每个存储单元⽐较简单，DRAM可以造的⾮常密集。
但它对⼲扰⾮常敏感，被⼲扰后不会恢复。
因此它必须周期性地读出重写来刷新内存的每⼀位。
或者使⽤纠错码来纠正任何单个错误。
两者总结传统的DRAMDRAM芯⽚内的每⼀个单元被叫做超单元。
在芯⽚内，总共有d 个超单元，它们被排列成⼀个r×c ⼤⼩的矩阵，也就是说d=r×c，每个超单元都可以⽤类似(i,j) 之类的地址定位⽽每个超单元则是由w 个DRAM单元组成。
因此⼀个DRAM芯⽚可以存储dw 位的信息。
上图是⼀个16×8 的DRAM芯⽚的组织。
⾸先由两个addr引脚依次传⼊⾏地址i 和列地址j 。
每个引脚携带⼀个信号。
由于这是4×4 的矩阵，因此两个就够了。
然后定位到(i,j) ，将该地址的超单元信息传出去。
存储器层次结构
存储器层次结构(memory hierarchy)
存储器层次结构中的缓存
• 高速缓存(cache)
–一个小而快速的存储设备 –作为存储在更大也更慢的设备中
的数据对象的缓冲区域
• 存储器层次结构的中心思想
–位于k层的更快更小的存储设备 作为位于k+1层的更大更慢的存 储设备的缓存
存储器层次结构中的数据传输
–增强时间局部性 –减少容量不命中
分块矩阵乘法
CAB
C11 C21
C C1222A A1211
A12B11 A22B21
B12 B22
提纲
• 导论 • 存储技术 • 局部性原理 • 存储器层次结构 • 高速缓存存储器 • 编写高速缓存友好的代码 • 利用程序中的局部性
在程序中利用局部性-小结
高速缓存性能参数
• 不命中率(miss rate)
–不命中数量/引用数量
• 命中率(hit rate) • 命中时间(hit time)
–L1 : 1~2个时钟周期
• 不命中处罚(miss penalty)
–L2 : 5~10个周期 –主存 : 25~100个周期
高速缓存参数的性能影响
• 高速缓存大小
• 局部性比较好的程序
–更低的不命中率 –运行的更快
• 基本方法
–让最常见的情况运行得更快 –在每个循环内部使缓存不命中数
量最小
• 对局部变量的反复引用 • 步长为1的应用模式
测量读带宽
void test(int elems, int stride) {
int i, result = 0; volatile int sink; for(i=0;i<elems;i+=stride)
第6章 存储器层次结构
n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆n到目前为止的计算机模型中，我们假设计算机的存储器系统是一个线性的字节数组，而CPU能够在一个常数时间内访问每个存储器位置。
但它没有反映现代系统实际的工作方式。
n实际上，存储器系统是一个具有不同容量、成本和访问时间的存储设备的层次结构。
n如果你的程序需要的数据是存储在CPU寄存器中，那在指令的执行期间，在零个周期内就能访问到它们；如果存储在高速缓存中，需要1~30个周期；如存储在主存中，需要50~200个周期；如存储在磁盘上，需要大约几千万个周期n作为一个程序员，需要理解存储器层次结构，它对应用程序的性能有着巨大的影响，这是因为计算机程序的一个称为局部性的基本属性引起的。
•不同矩阵乘法核心程序执行相同数量的算术操作，但有不同程度局部性，它们运行时间可以相差20倍•本章将介绍基本的存储技术、局部性、高速缓冲存储器等内容。
n局部性原理★n存储器层次结构☆n高速缓存存储器☆•RAM(随机访问存储器，Random-Access Memory )–静态RAM (SRAM)•每个cell使用6个晶体管电路存储一个位•只要有电，就会无限期地保存它的值•相对来说，对电子噪声等干扰不敏感•比DRAM更快、更贵–动态RAM (DRAM)•每个cell使用1个电容和1个访问晶体管电路存储一个位•每隔10-100 ms必须刷新值•对干扰敏感•比SRAM慢，便宜ü拍、太、吉、兆、千、毫、微、纳(毫微)、皮(微微)、飞(毫微微)•传统DRAM芯片–所有cell被组织为d个supercell，每个supercell包含了w个cell，一个d×w的DRAM总共存储了dw位信息。
supercell被组织成r行c 列的矩阵，即rc=d。
•步骤1(a): Row access strobe (RAS)选择row 2•步骤1(b): 从DRAM阵列中拷贝Row 2到行缓冲区•步骤2(a): Column access strobe (CAS)选择column 1。
存储器结构和地址空间
MOVC A，@A＋PC；以PC为基址寄存器，A为偏址数据， 相加后的数作为地址，取出该地址单元的内容送累加器A。表 格只能放在0－255字节范围之内。称短查表指令。
1.3 数据存储器
片内外统一编址，最大寻址范围64KB。 （2）程序存储器特定的复位入口地址
MCS-51单片机复位/中断入口地址
入口地址
名称
0000H
程序计数器PC地址
0003H
外部中断INT0入口地址
000BH
定时、器T0溢出中断入口地址
0013H
外部中断INT1入口地址
001BH
定时/计数器T1溢出中断入口地址
0023H
片外用MOVX指令 片内128B/256B， 片外2KB－64KB
DRAM/SRAM/EEPROM(FLASH)
片外RAM并行总线/I2C总线
1.2 程序存储器（Program memory--Read only memory） 一．特点：
（1）ROM类型有：掩膜ROM、EPROM、E2 PROM、 FLASH ROM、OTPROM。分成片内和片外两部分，由EA 引脚接高（内）或接地（外）决定。
MOV SP, #60H；将栈底设在60H单元。 位地址：00H－7FH共128位 软件置位STEB bit，清零CLR bit 例：
SETB 08H；置位21H字节单元的D0位 CLR 22H ；将24H字节单元的D2位清0
随机
直接与A进行传送、运算、转移等操作
片内RAM中可位寻址区的字节地址与位地址对应关系
对于程序存储器查表，用MOVC指令寻址； 对片内RAM传送数据用MOV指令寻址； 对片外RAM读、写用MOVX指令寻址。
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1.2.2 内部数据存储器
7FH 30H 2FH 7F 78 00
数据缓冲区/ 堆栈区
可位寻址区 RS1 RS0
FFH 特殊功能 (高128B) 80H 寄存器 7FH 内部 (低128B) 00H RAM 数据存储器
07 20H 1FH R7 3组 18H R0 17H R7 2组 10H R0 0FH R7 1组 08H R0 07H R7 0组 00H R0
模块一 MCS-51单片机基 本结构与Proteus软件
1.2
存储器结构
自学，回答以下问题：
• 1、MCS-51存储器的ROM和RAM分别存放什么内容，其体系 结构是什么样的结构？有何特点？ • 2、8051单片机的片内ROM的容量有多大？如果要扩展了程 序存储器，单片机的程序存储在片内ROM和片外ROM两个空 间中，必须对单片机的引脚如何处理？片外ROM的地址范围 是怎样的？ • 3、8031没有片内ROM，则对单片机的引脚如何处理？ • 4、51子系列单片机片内RAM容量多大，分为哪几大区域？ • 5、51单片机片机RAM中的工作寄存器区有多少个单元，分 几组，每组多少个单元？这些单元如何命名的？ • 6、ROM、片内RAM、片外RAM分别称为什么区？
D0H P B8H PX0 B0H
P3 IE
B7H
B0H A8H A0H
0
0
0组
0 1 1组 工作寄存器区 1 0 2组 0 1 3组
称为 DATA区
内部RAM存储器
1、可位寻址区
单元地址 2FH 2EH 2DH 2CH 2BH 2AH 29H 28H 27H 26H 25H 24H 23H 22H 21H MSB 7F 77 6F 67 5F 57 4F 47 3F 37 2F 27 1F 17 0F
2764
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
EPROM
2764
256B（字节）
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
64K
EPROM
1.2.1
程序存储器
7A 72 6A 62 5A 52 4A 42 3A 32 2A 22 1A 12 0A
79 71 69 61 59 51 49 41 39 31 29 21 19 11 09
78 70 68 60 58 50 48 40 38 30 28 20 18 10 08
2、特殊功能寄存器（sfr）
定义：单片机内的各种控制寄存器、状态寄存器以及 I/O端口锁存器、定时器、串行端口数据缓冲器是内 部数据存储器的一部分，离散地分布在80H～FFH的 地址空间范围内，这些寄存器统称特殊功能寄存器（ SFR，Special Function Registers ）。
地址
B
F0H E0H D0H B8H
ACC PSW IP
E7H
E6Hቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
E5H
E4H
E3H
E2H
E1H
E0H
D7H Cy BFH -
D6H AC BEH B6H
D5H F0 BDH B5H
D4H RS1 BCH PS B4H
D3H RS0 BBH PT1 B3H
D2H OV BAH PX1 B2H
D1H B9H PT0 B1H
7E 76 6E 66 5E 56 4E 46 3E 36 2E 26 1E 16 0E
7D 75 6D 65 5D 55 4D 45 3D 35 2D 25 1D 15 0D
位地址 7C 74 6C 64 5C 54 4C 44 3C 34 2C 24 1C 14 0C
LSB 7B 73 6B 63 5B 53 4B 43 3B 33 2B 23 1B 13 0B
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
64K
1 2 3 4 5 6 7 RAM 8 6264 9 10 11 12 13 14
28 27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
FFH 特殊功能 (高128B) 80H 寄存器 7FH 内部 (低128B) 00H RAM 数据存储器
（2）说明：
51子系列离散分布有21个特殊功 能寄存器SFR、52子系列为26个。 凡地址能被8整除的寄存器（共 11个）都是可位寻址的寄存器。
SFR助记符
位地址/位定义 F7H F6H F5H F4H F3H F2H F1H F0H
程序存储器的应用形态
8051 中含有 4KB 容量的掩膜 ROM ， 8751 中含 有 4KB 容量的 EPROM ， 89C51 中含有 4KB 容量 的Flash ROM——EA接高电平。 8031/8032 中不设程序存储器，这种单片机在 供应状态上称为 ROM Less 型器件，使用过程 中必须外部扩展ROM——EA接高电平。
0FFFFH
片 内 R O M 1000H
0FFFH
0000H
片内ROM EA = 1
0FFFH
0000H 程序存储器
片外ROM EA = 0
当EA为高电平时，程 序运行先从片内ROM 取指令，当片内ROM 指令取完后（ PC>0FFFH），再从 片外ROM取指令。 当EA为低电平时，只 从片外ROM取指令。
程序存储器（Program memory）主要用于存放经 调试正确的应用程序和常数表格，称为CODE区。 由于MCS-51系列单片机采用16位的程序计数器PC 和16位的地址总线，因而程序存储器可扩展的地址 空间为64KB，并且这64KB地址在空间分布范围上 是连续和统一的。
程序存储器的应用形态
4KB
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
片内 ROM 8751
8031
8051 89C51
片内 RAM
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 24 22 21
1 2 3 4 5 6 7 RAM 8 6264 9 10 11 12 13 14