《存儲器與PL》課件

存儲器與PL本課程將深入探討計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)和可編程邏輯器件(PL)的核心概念及其應(yīng)用。從基本存儲原理到先進(jìn)存儲技術(shù)，從簡單PL器件到復(fù)雜FPGA設(shè)計(jì)，全面掌握這些關(guān)鍵技術(shù)。存儲器概述1存儲數(shù)據(jù)存儲器是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分,用于存儲指令和數(shù)據(jù),滿足信息存儲的需求。2提供訪問存儲器提供對數(shù)據(jù)和指令的快速讀寫訪問,確保中央處理器能夠高效地執(zhí)行程序。3分類豐富存儲器按性能、內(nèi)存順序等特征可劃分為多種類型,各具不同的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場景。數(shù)據(jù)存儲基礎(chǔ)存儲單元在計(jì)算機(jī)中,數(shù)據(jù)通過存儲單元來進(jìn)行保存和記錄?；镜拇鎯卧潜忍?bit),一個(gè)比特可以表示0或1兩種狀態(tài)。多個(gè)比特集合成為字節(jié)(byte),是數(shù)據(jù)存儲的基本單位。存儲容量存儲容量是衡量存儲器大小的指標(biāo),常用單位有位(bit)、字節(jié)(byte)、千字節(jié)(KB)、兆字節(jié)(MB)和吉字節(jié)(GB)等。隨著技術(shù)進(jìn)步,存儲容量不斷提高。存取時(shí)間存取時(shí)間是指從存儲器接收到讀取或?qū)懭朊畹綄?shí)際完成數(shù)據(jù)傳輸所需的時(shí)間,是衡量存儲器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一?？焖俚拇嫒r(shí)間有利于提高系統(tǒng)整體性能。存儲層次存儲器根據(jù)訪問速度和容量大小可分為多個(gè)層次,從快速但容量小的寄存器到容量大但訪問較慢的磁盤存儲器,形成存儲器層次結(jié)構(gòu)。存儲器分類存儲介質(zhì)存儲器根據(jù)儲存介質(zhì)可分為磁性存儲器、光學(xué)存儲器和半導(dǎo)體存儲器等。每種介質(zhì)都有其獨(dú)特的特性和應(yīng)用場景。存取方式存儲器可按照數(shù)據(jù)存取方式分為隨機(jī)存取存儲器(RAM)和只讀存儲器(ROM)。兩者具有不同的特點(diǎn)和用途。數(shù)據(jù)永久性存儲器還可分為易失性存儲器和非易失性存儲器。前者斷電后數(shù)據(jù)丟失,后者即使斷電數(shù)據(jù)也能保留。半導(dǎo)體存儲器基于半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體存儲器利用半導(dǎo)體材料的電子特性來存儲和讀取數(shù)據(jù)。這種存儲技術(shù)具有高集成度、訪問速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。集成電路制造半導(dǎo)體存儲器通常采用集成電路芯片制造技術(shù),能夠集成數(shù)百萬乃至數(shù)十億個(gè)存儲單元。生產(chǎn)工藝和集成度水平?jīng)Q定了存儲器的容量和性能。電子特性存儲數(shù)據(jù)是通過半導(dǎo)體材料的電子狀態(tài)(如電壓或電流)來存儲和讀取的。這種直接利用電子特性進(jìn)行存儲的方式提供了快速訪問和低功耗的優(yōu)勢。ROM只讀存儲器ROM(Read-OnlyMemory)是一種預(yù)先寫好程序或數(shù)據(jù)的存儲器,內(nèi)容不可在正常使用過程中修改。它通常用于存儲操作系統(tǒng)、固件和基本輸入輸出程序等關(guān)鍵信息。多種類型ROM有PROM、EPROM、EEPROM等不同類型,采用不同的編程方式。其中EEPROM可電子擦除和編程,更加靈活。廣泛應(yīng)用ROM廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、手機(jī)、電子設(shè)備等,存儲基本軟件和數(shù)據(jù),確保設(shè)備可靠運(yùn)行。它發(fā)揮著不可或缺的作用。RAM隨機(jī)訪問內(nèi)存RAM（RandomAccessMemory）是一種內(nèi)存類型,可快速讀寫數(shù)據(jù),被用作計(jì)算機(jī)的主內(nèi)存。它可以隨機(jī)訪問任意存儲單元,無需按順序訪問。分類與特點(diǎn)RAM分為SRAM和DRAM兩大類。SRAM具有讀寫速度快、低功耗等優(yōu)點(diǎn),而DRAM價(jià)格便宜、容量大,廣泛應(yīng)用于主存儲器。易失性RAM屬易失性存儲器,斷電后存儲的數(shù)據(jù)會丟失,需要持續(xù)供電。這與ROM等非易失性存儲器不同。應(yīng)用領(lǐng)域RAM廣泛應(yīng)用于個(gè)人電腦、服務(wù)器、移動設(shè)備等,作為主存儲器為CPU提供高速緩存,滿足程序運(yùn)行所需。動態(tài)RAM高密度集成動態(tài)RAM采用集成電路制造技術(shù)，可集成大量的存儲單元，容量可達(dá)數(shù)百兆比特。需要刷新動態(tài)RAM中的存儲單元需要定期刷新以保持?jǐn)?shù)據(jù)，否則存儲的數(shù)據(jù)會丟失。低功耗相比靜態(tài)RAM，動態(tài)RAM具有更低的功耗，適合于移動設(shè)備等低功耗應(yīng)用場景。靜態(tài)RAM穩(wěn)定存儲數(shù)據(jù)靜態(tài)RAM使用觸發(fā)器電路作為存儲單元,能夠持續(xù)保存數(shù)據(jù),無需周期性刷新。這種設(shè)計(jì)使得靜態(tài)RAM具有快速讀寫和低功耗的特點(diǎn)。簡單電路結(jié)構(gòu)靜態(tài)RAM的內(nèi)部電路相對簡單,只需一個(gè)觸發(fā)器存儲單元和地址譯碼電路。這種設(shè)計(jì)使其制造成本較低,適合用于嵌入式系統(tǒng)。性能對比動態(tài)RAM相比動態(tài)RAM,靜態(tài)RAM具有更快的訪問速度和更低的功耗,但存儲密度較低,單位成本較高。因此靜態(tài)RAM通常用于關(guān)鍵應(yīng)用程序中的高速緩存。非易失性RAM1持久數(shù)據(jù)存儲非易失性RAM能在斷電后仍保留數(shù)據(jù)信息,適用于需要長期存儲的場景,如智能設(shè)備和工業(yè)控制系統(tǒng)。2快速讀寫與傳統(tǒng)磁盤存儲相比,非易失性RAM具有更高的讀寫速度,提高了系統(tǒng)性能。3耐用性強(qiáng)非易失性RAM無需機(jī)械運(yùn)動部件,抗震性和壽命更好,適用于惡劣環(huán)境下的應(yīng)用。4結(jié)構(gòu)靈活非易失性RAM可集成到系統(tǒng)芯片中,實(shí)現(xiàn)更緊湊的設(shè)計(jì),降低成本。存儲器控制原理1地址譯碼存儲器地址譯碼是確定存儲器中目標(biāo)單元位置的關(guān)鍵步驟。利用地址總線上的地址信號進(jìn)行譯碼可以準(zhǔn)確定位存儲單元。2讀寫控制通過讀寫控制信號可以有選擇性地對存儲單元進(jìn)行讀取或?qū)懭氩僮?。這確保了數(shù)據(jù)的正確傳輸和存儲。3時(shí)序控制存儲器的讀寫操作需要嚴(yán)格的時(shí)序控制,保證數(shù)據(jù)在正確的時(shí)刻被讀取或?qū)懭氪鎯卧?。這需要合理設(shè)計(jì)存儲時(shí)序。存儲器地址譯碼確定存儲空間根據(jù)存儲器容量確定存儲空間范圍，合理劃分地址空間。設(shè)計(jì)地址線使用足夠數(shù)量的地址線來覆蓋整個(gè)地址空間。地址譯碼器利用邏輯門電路實(shí)現(xiàn)對地址空間的高效劃分和尋址。存儲器讀寫控制1地址譯碼通過地址總線選擇特定存儲單元2讀取數(shù)據(jù)從存儲單元中提取數(shù)據(jù)3寫入數(shù)據(jù)將新數(shù)據(jù)寫入存儲單元存儲器的讀寫控制是通過地址總線確定讀寫位置,數(shù)據(jù)總線傳輸數(shù)據(jù),控制總線提供讀寫控制信號來實(shí)現(xiàn)的。這些步驟保證了存儲器可以可靠地存儲和提取所需的數(shù)據(jù)。存儲器管理1內(nèi)存管理動態(tài)分配和回收內(nèi)存資源2虛擬存儲管理建立虛擬地址到物理地址的映射3設(shè)備管理控制I/O設(shè)備的訪問和數(shù)據(jù)傳輸存儲器管理是操作系統(tǒng)的核心功能之一。它通過動態(tài)管理內(nèi)存資源、建立虛擬地址到物理地址的映射以及控制I/O設(shè)備的訪問,確保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠高效、安全地執(zhí)行各種應(yīng)用程序。這些管理機(jī)制是操作系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。高級存儲器技術(shù)固態(tài)驅(qū)動器(SSD)SSD利用閃存技術(shù)提供更快的訪問速度,更高的可靠性和更低的功耗,適用于性能敏感型的應(yīng)用場景。非易失性存儲器(NVRAM)NVRAM可在斷電時(shí)保持?jǐn)?shù)據(jù),如相變存儲器(PRAM)和磁阻存儲器(MRAM),為新型存儲設(shè)備帶來創(chuàng)新可能。3D存儲器技術(shù)3DNAND閃存利用垂直堆疊的技術(shù),提高了存儲密度,有效降低了成本,成為目前主流的固態(tài)存儲技術(shù)。Cache存儲器1提高性能Cache通過緩存常用數(shù)據(jù)和指令,可以大幅降低訪問內(nèi)存的時(shí)間,顯著提升系統(tǒng)性能。2分層設(shè)計(jì)通常采用多級Cache設(shè)計(jì),包括L1、L2、L3等,采用不同的容量和速度來平衡性能和成本。3類型豐富Cache按工作方式不同可分為直接映射、組相聯(lián)和全相聯(lián)等多種類型,滿足不同應(yīng)用需求。4高速緩存策略Cache管理策略包括寫回、寫直達(dá)、預(yù)取等,通過優(yōu)化替換算法提高命中率和系統(tǒng)吞吐量。虛擬存儲器按需調(diào)入虛擬存儲器通過將程序代碼與數(shù)據(jù)根據(jù)需求動態(tài)加載到物理內(nèi)存中,可以高效利用有限的物理內(nèi)存資源。地址轉(zhuǎn)換虛擬存儲器系統(tǒng)通過地址轉(zhuǎn)換機(jī)制,將程序使用的虛擬地址映射到物理內(nèi)存地址,隱藏了物理內(nèi)存細(xì)節(jié)。頁式管理虛擬存儲器常采用頁式管理,將內(nèi)存分為固定大小的頁,根據(jù)需求動態(tài)調(diào)入頁面以提高空間利用率。磁盤交換當(dāng)物理內(nèi)存不足時(shí),虛擬存儲器會將暫時(shí)不用的頁面交換到磁盤上,以騰出空間供其他程序使用。RAID技術(shù)數(shù)據(jù)冗余存儲RAID技術(shù)通過將數(shù)據(jù)分散存儲在多個(gè)硬盤上來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余,提高數(shù)據(jù)的可靠性和容錯(cuò)性,避免單點(diǎn)故障。性能優(yōu)化RAID技術(shù)可以將多個(gè)硬盤并行工作,提高數(shù)據(jù)讀寫的性能和吞吐量,滿足高性能的存儲需求。數(shù)據(jù)恢復(fù)能力RAID技術(shù)可以在硬盤發(fā)生故障時(shí)自動進(jìn)行數(shù)據(jù)重建,確保數(shù)據(jù)的完整性和可用性。程序設(shè)計(jì)語言介紹程序設(shè)計(jì)語言是人類與計(jì)算機(jī)溝通的橋梁。它們定義了編程語法和邏輯,讓我們能夠用統(tǒng)一的方式描述算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),完成各種復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。本節(jié)將對主要的程序設(shè)計(jì)語言做簡要概括。編程語言發(fā)展歷程11940年代在計(jì)算機(jī)誕生的初期,只有機(jī)器語言和匯編語言可用。這些語言直接操作硬件,不便于人類編程。21950年代FORTRAN和COBOL等高級語言的出現(xiàn)使編程變得更簡單。這些語言能夠被編譯成機(jī)器指令。31960年代PL/I、Pascal和C等編程語言應(yīng)運(yùn)而生,為不同應(yīng)用領(lǐng)域提供了更豐富的選擇。面向過程編程逐漸流行。41970年代Smalltalk開創(chuàng)了面向?qū)ο缶幊痰男录o(jì)元。同時(shí),Unix操作系統(tǒng)的普及帶動了C語言的廣泛使用。51980年代C++、Ada和Perl等語言相繼出現(xiàn),體現(xiàn)了面向?qū)ο蠛秃瘮?shù)式編程的融合發(fā)展。圖形用戶界面也悄然興起。61990年代Java、Python和Ruby等語言的涌現(xiàn),滿足了web開發(fā)、人工智能等新興領(lǐng)域的需求。面向?qū)ο缶幊踢M(jìn)一步發(fā)展。72000年代C#、Scala和Go語言應(yīng)運(yùn)而生,配合云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的興起,滿足了當(dāng)代軟件開發(fā)的新需求。編程語言分類面向過程編程以過程為中心的編程范式,通過一系列有序的步驟來實(shí)現(xiàn)程序功能。面向?qū)ο缶幊桃詫ο鬄橹行牡木幊谭妒?通過創(chuàng)建類和對象來實(shí)現(xiàn)程序邏輯。腳本語言用于編寫簡單的自動化任務(wù)和系統(tǒng)管理腳本的高級語言。函數(shù)式編程以函數(shù)為中心的編程范式,強(qiáng)調(diào)使用純函數(shù)和避免狀態(tài)變化。面向過程編程語言順序執(zhí)行面向過程的編程語言按照代碼的書寫順序逐條執(zhí)行,強(qiáng)調(diào)過程的完整性和邏輯性。程序員需要管理好變量、控制流和函數(shù)調(diào)用。效率優(yōu)先這類語言更注重運(yùn)行效率,適合開發(fā)系統(tǒng)級軟件、嵌入式系統(tǒng)等對性能要求較高的應(yīng)用程序。廣泛應(yīng)用C、Fortran、Pascal等經(jīng)典的面向過程語言廣泛應(yīng)用于操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫等各類軟件開發(fā)。程序結(jié)構(gòu)簡單面向過程語言的代碼結(jié)構(gòu)相對簡單,更容易學(xué)習(xí)和掌握。但對大型復(fù)雜項(xiàng)目的開發(fā)支持較弱。面向?qū)ο缶幊陶Z言封裝面向?qū)ο缶幊陶Z言通過封裝數(shù)據(jù)和行為來實(shí)現(xiàn)信息隱藏和抽象，提高代碼的可維護(hù)性和可重用性。繼承繼承允許新的類別繼承現(xiàn)有類別的屬性和方法，從而實(shí)現(xiàn)代碼的重用和層次結(jié)構(gòu)。多態(tài)多態(tài)允許對象以多種形式表示和使用，使代碼更加靈活和可擴(kuò)展。腳本語言快速開發(fā)腳本語言通常使用高級語法,不需要復(fù)雜的編譯過程,開發(fā)效率高。適合快速原型設(shè)計(jì)和自動化任務(wù)。靈活性腳本語言可嵌入其他程序,提供豐富的擴(kuò)展性。允許開發(fā)者根據(jù)需求定制特定功能。跨平臺許多流行的腳本語言如Python、Perl和Bash在不同操作系統(tǒng)上都有很好的兼容性。易讀易寫相比低級語言,腳本語言的語法更接近于自然語言,易于學(xué)習(xí)和維護(hù)。函數(shù)式編程語言聲明式編程函數(shù)式編程語言專注于使用純粹的數(shù)學(xué)函數(shù)來描述問題,而不是命令性的指令。這種聲明式編程方式使代碼更加簡潔和可讀。高階函數(shù)函數(shù)式語言支持將函數(shù)作為參數(shù)傳遞給其他函數(shù),使代碼更加靈活和可組合。這種模塊化設(shè)計(jì)提高了代碼的可重用性。不可變數(shù)據(jù)函數(shù)式編程倡導(dǎo)使用不可變數(shù)據(jù),這樣可以避免一些副作用,提高代碼的可預(yù)測性和并發(fā)性。邏輯式編程語言基于邏輯關(guān)系邏輯式編程語言通過定義變量和邏輯表達(dá)式來描述問題的解決方案。數(shù)學(xué)邏輯基礎(chǔ)