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1、2018/9/15,1,ARM9嵌入式系统设计基础教程,江苏大学计算机科学与通信工程学院 通 信 工 程 系 陈祖爵 E-mail: TEL: 13775360008,2018/9/15,2,课程理论教学内容安排,第1章 嵌入式系统基础知识 第2章 ARM体系结构 第3章 32 Bit RISC微处理器S3C2410A 第4章 嵌入式系统的存储器系统 第5章 嵌入式系统输入/输出设备接口 第6章 嵌入式系统总线接口 第7章 嵌入式系统网络接口 第8章 嵌入式系统软件及操作系统基础 第9章 ARM汇编语言程序设计基础 第10章 Bootloader设计基础 第11章 Linux操作系统基础 第
2、12章 嵌入式Linux软件设计 第13章 图形用户接口（GUI）,2018/9/15,3,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,2018/9/15,4,4.1 存储器系统概述,4.1.1 存储器系统的层次结构 4.1.2 高速缓冲存储器 4.1.3 存储管理单元,2018/9/15,5,4.1.1 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
3、次结构,如图4.1.1所示,层次结构的最顶部是S0层,最底部是S5：S0层为CPU内部寄存器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）,2018/9/15,6,存储器系统层次结构,2018/9/15,7,存储器系统层次结构,在这种存储器分层结构中，上面一层的存储器作为下一层存储器的高速缓存。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
4、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。,2018/9/15,8,4.1.2 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)被广泛用来提高存储器系统的性能,cache能够减少内存平均访问时间。Cache可分为统一cache和
5、独立的数据/程序cache。存储系统中，指令预取和数据读写使用同一cache时称统一cache。如存储系统中，指令预取和数据读写使用不同的cache，各自是独立的，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。CPU更新cache内容时，要将结果写回到主存中，可采用写通法（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。
6、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。,2018/9/15,9,高速缓冲存储器,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cach
7、e，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。,2018/9/15,10,4.1.3 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；（2）存储器访问权限的控制；（3）设置虚拟存储空间缓冲的特性。,201
8、8/9/15,11,存储管理单元,嵌入式系统中常用页式存储管理。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。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816字)、高速度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(TLB)。
9、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。,2018/9/15,12,存储管理单元,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。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
10、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。,2018/9/15,13,存储管理单元,嵌入式系统支持的内存块大小有以下几种：段（section）大小为1MB的内存块;大页(Large Pages)大小为64KB的内存块；小页(Small Pages)大小为4KB的内存块；极小页（Tiny Pages）大小为1KB的内存块。极小页只能以1KB大小为单位不能再细分，而大页和小页有些情况下可以在进一步的划分，大页可以分成大小为16KB的子页，小页可以分成大小为1KB的子页。MMU中的域指的是一些段、大页或者小页的集合。每个域的访问控制特
11、性都是由芯片内部的寄存器中的相应控制位来控制的。例如在ARM嵌入式系统中，每个域的访问控制特性都是由CP15中的寄存器C3中的两位来控制的。,2018/9/15,14,存储管理单元,MMU中的快速上下文切换技术(Fast Context Switch Extension,FCSE)通过修改系统中不同进程的虚拟地址，避免在进行进程间切换时造成的虚拟地址到物理地址的重映射，从而提高系统的性能。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
12、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。,2018/9/15,15,4.2 嵌入式系统存储设备分类,4.2.1 存储器部件的分类 4.2.2 存储器的组织和结构 4.2.3 常见的嵌入式系统存储器,2018/9/15,16,4.2.1 存储器部件的分类,1.按在系统中的地位分类在微机系统中，存储器可分为主存储器（内存或主存）和辅助存储器（简称辅存或外存）。内存是计算机主机的组成部分，用快速存储器件来构成，内存空间的大小受到地址总线位数的限制。内存通常用来容纳常使用的程序和数据，CPU可直接对内存访问。
13、系统软件中如引导程序、监控程序或者操作系统中的基本输入/输出部分BIOS都是必须常驻内存。系统软件和应用软件用到时由外存传到内存。外存存放的是不经常使用的程序和数据，特点是容量大。常见的外存有软盘、硬盘、U盘、光盘等。CPU要使用外存的这些信息时，必须通过专门的设备将信息先传送到内存中。,2018/9/15,17,存储器部件的分类,2.按存储介质分类根据存储介质的材料及器件的不同，分磁存储器、半导体存储器、光存储器及激光光盘存储器。 3.按信息存取方式分类存储器按存储信息的功能，分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。随机存取存储器在机器运行期间可读、写的存储器。随机存储器按信息存
14、储的方式，分为静态RAM、动态RAM及准静态RAM（PSRAM）。在机器运行期间只能读出信息，不能随时写入信息的存储器称为只读存储器。只读存储器按功能可分为掩模式（ROM）、可编程只读存储器（PROM）和可改写的只读存储器（EPROM）。,2018/9/15,18,4.2.2 存储器的组织和结构,存储器的容量是描述存储器的最基本参数，如1MB。存储器的表示并不唯一，有不同表示方法，每种有不同的数据宽度。在存储器内部，数据是存放在二维阵列存储单元中。阵列以二维的形式存储，给出的n位地址被分成行地址和列地址（nr+c）。r是行地址数，c是列地址数。行列选定一个特定存储单元。如果存储器外部宽度为1位
15、，那么列地址仅一位；对更宽的数据，列地址可选择所有列的一个子集。嵌入式系统的存储器与通用系统的存储器有所不同，通常由ROM、RAM、EPROM等组成。嵌入式存储器一般采用存储密度较大的存储器芯片，存储容量与应用的软件大小相匹配。,2018/9/15,19,4.2.3 常见的嵌入式系统存储器,1.RAM（随机存储器）RAM可以被读和写，地址可以以任意次序被读。常见RAM的种类有SRAM（静态随机存储器）、DRAM（动态随机存储器）、DDRAM（双倍速率随机存储器）。其中，SRAM比DRAM运行速度快，SRAM比DRAM耗电多，DRAM需要周期性刷新。而DDRAM是RAM的下一代产品。在133MH
16、z时钟频率，DDRAM内存带宽可以达到13364b/822.1GB/s，在200MHz时钟频率，其带宽可达到20064b/823.2GB/s。,2018/9/15,20,2.ROM（只读存储器）,ROM在烧入数据后，无需外加电源来保存数据，断电后数据不丢失，但速度较慢，适合存储需长期保留的不变数据。在嵌入式系统中，ROM用于固定数据和程序。常见ROM有Mask ROM(掩模ROM)、PROM(可编程ROM)、EPROM(可擦写ROM)、EEPROM(电可擦除可编程ROM,也可表示为E2PROM）、Flash ROM(闪速存储器)。Mask ROM一次性由厂家写入数据的ROM,用户无法修改。PROM出厂时厂家并没有写入数据,而是保留里面的内容为全0或全1,由用户来编程一次性写入数据。EPROM可以通过紫外光的照射,擦掉原先的程序,芯片可重复擦除和写入。E2PROM是通过加电擦除原编程数据,通过高压脉冲可以写入数据,写入时间较长。Flash断电不会丢失数据(NVRAM),可快速读取,电可擦写可编程.,2018/9/15,
