田泽嵌入式系统开发与应用教程.ppt

* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * 2.5.1 存储数据类型和存储格式 2、存储器组织 2.5.2 ARM的存储器层次简介 寄存器组 片上RAM 片上Cache 主存储器 硬盘 微处理器寄存器组可看作是存储器层次的顶层。典型的RISC微处理器大约有32个32位寄存器，总共128字节，其访问时间为几ns。 RAM和片上的寄存器组具有同级的读写速度。与片外存储器相比，它有较好的功耗效率，并减少了电磁干扰。它简单、便宜、功耗低。但片上RAM又不能太快（消耗太多功率）太大（占用太多芯片面积）。 片上Cache存储器的容量在8到32K字节之间，访问时间大概为10ns。高性能PC机系统可能有第二级片外Cache，其容量为几百KB，访问速度为几十ns。 主存储器可能是几兆字节到1GB的动态存储器，访问时间大概为50ns。 硬盘作为后援存储器，容量可能从几百兆字节到几十个GB，访问时间为几十ms。 2.5.3 ARM存储系统简介 与中低档单片机不同的是，ARM处理器中一般都包含一个存储器管理部件，用于对存储器的管理。同时为了适应不同的嵌入式应用需求，ARM存储系统的体系结构在构成上存在很多差别。简单的可以使用像单片机系统中使用的平板式地址映射机制，而一些复杂的系统中则可能包含多种现代计算机存储技术来构成功能更为强大的存储系统。因为ARM存储系统内部的结构非常复杂，本节只对ARM存储系统基本内容和多种类型存储器件进行简单讲述。 基于ARM核的嵌入式应用系统中可能包含多种类型存储器件，如Flash、ROM、SRAM和SDRAM等，而且不同类型的存储器件具有不同的速度、数据宽度等。 1、Cache及WRITE BUFFER 2.5.3 ARM存储系统简介 指令和数据统一的Cache： 指令Cache和数据Cache分开： 2、MMU完成的工作 2.5.3 ARM存储系统简介 虚拟存储空间到物理存储空间的映射。在ARM中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。页的大小可以分为粗粒度和细粒度两种。MMU就要实现从虚拟地址到物理地址的转换。 存储器访问权限的控制。 设置虚拟存储空间的缓冲特性。 3、用于存储管理的系统控制协处理寄存器CP15 2.5.3 ARM存储系统简介 在基于ARM的嵌入式系统中，存储系统通常使用CP15来完成存储器的大部分管理工作。除了CP15之外，在具体的存储管理机制中可能还会用到其他技术，如页表技术等。 CP15可以包含16个32位的寄存器，编号0－15。实际上对于某些编号的寄存器可能对应有多个物理寄存器，在指令中指定特定的标志位来区分相应的寄存器。 4、存储保护机制 引入一些机制保证将I/O操作映射成内存操作后，各种I/O操作能够得到正确的结果，以增强系统的安全性，这在简单的存储系统中，不存在问题，而当系统引入了Cache及WRITE BUFFER后，就需要一些特别的措施。 2.5.3 ARM存储系统简介 5、快速上下文切换技术 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。 如果两个进程占用的虚拟地址空间有重叠，系统在这两个进程之间进行切换时，必须进行虚拟地址到物理地址的重映射，包括重建TLB、清除Cache，整个工作需要带来巨大的系统开销。而快速上下文切换技术的引入避免了这种开销。 FCSE位于CPU和MMU之间，它的责任就是将不同进程使用的相同的虚拟地址映射为不同的虚拟空间，使得在上下文切换时无需重建TLB等。 如果两个进程使用了同样的虚拟地址空间，则对CPU而言，FCSE机构对各个进程的虚拟地址进行变换，这样系统中除了CPU之外的部分看到的是经过上下文切换机构变换后的虚拟地址。 2.5.3 ARM存储系统简介 6、存储器映射的输入/输出 在ARM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。 在ARM中，I/O的输出操作可以通过存储器写入操作实现；I/O的输入操作可以通过存储器读取操作实现。这样I/O空间就被映射成了存储空间。但这些存储器映射的I/O空间不满足Cach