《存储器与PL》课件

存储器与PL本课程将深入探讨计算机存储系统和可编程逻辑器件的核心概念PL及其应用从基本存储原理到先进存储技术，从简单器件到复杂PL设计，全面掌握这些关键技术FPGA存储器概述存储数据提供访问12存储器是计算机系统的重存储器提供对数据和指令要组成部分用于存储指令的快速读写访问确保中央,,和数据满足信息存储的需处理器能够高效地执行程,求序分类丰富3存储器按性能、内存顺序等特征可划分为多种类型各具不同的,优缺点和应用场景数据存储基础存储单元存储容量存取时间存储层次在计算机中数据通过存储存储容量是衡量存储器大存取时间是指从存储器接存储器根据访问速度和容,单元来进行保存和记录小的指标常用单位有位收到读取或写入命令到实量大小可分为多个层次从,,基本的存储单元是比特、字节、千字节际完成数据传输所需的时快速但容量小的寄存器到bit byte一个比特可以表示、兆字节和吉字间是衡量存储器性能的关容量大但访问较慢的磁盘bit,0KB MB,或两种状态多个比特节等随着技术进步键指标之一快速的存取存储器形成存储器层次结1GB,,集合成为字节是数存储容量不断提高时间有利于提高系统整体构byte,据存储的基本单位性能存储器分类存储介质存取方式数据永久性存储器根据储存介质可分为磁性存储存储器可按照数据存取方式分为随机存储器还可分为易失性存储器和非易器、光学存储器和半导体存储器等存取存储器和只读存储器失性存储器前者断电后数据丢失后RAM,每种介质都有其独特的特性和应用场两者具有不同的特点和用途者即使断电数据也能保留ROM景半导体存储器基于半导体技术集成电路制造电子特性存储半导体存储器利用半导体材料的电子半导体存储器通常采用集成电路芯片数据是通过半导体材料的电子状态如特性来存储和读取数据这种存储技制造技术能够集成数百万乃至数十亿电压或电流来存储和读取的这种直,术具有高集成度、访问速度快、功耗个存储单元生产工艺和集成度水平接利用电子特性进行存储的方式提供低等优点决定了存储器的容量和性能了快速访问和低功耗的优势ROM只读存储器多种类型广泛应用是一种预有、、广泛应用于计算机、手机、电ROM Read-Only MemoryROM PROMEPROM ROM先写好程序或数据的存储器内容不等不同类型采用不同的编子设备等存储基本软件和数据确保,EEPROM,,,可在正常使用过程中修改它通常用程方式其中可电子擦除设备可靠运行它发挥着不可或缺的EEPROM于存储操作系统、固件和基本输入输和编程更加灵活作用,出程序等关键信息RAM随机访问内存分类与特点易失性应用领域（分为和属易失性存储器断广泛应用于个人电脑RAM RandomAccess RAMSRAM DRAM RAM,RAM）是一种内存类两大类具有读写电后存储的数据会丢失需、服务器、移动设备等作Memory SRAM,,型可快速读写数据被用速度快、低功耗等优点而要持续供电这与等为主存储器为提供高,,,ROM CPU作计算机的主内存它可价格便宜、容量大非易失性存储器不同速缓存满足程序运行所需DRAM,,以随机访问任意存储单元广泛应用于主存储器,无需按顺序访问动态RAM高密度集成动态RAM采用集成电路制造技术，可集成大量的存储单元，容量可达数百兆比特需要刷新动态RAM中的存储单元需要定期刷新以保持数据，否则存储的数据会丢失低功耗相比静态RAM，动态RAM具有更低的功耗，适合于移动设备等低功耗应用场景静态RAM稳定存储数据简单电路结构性能对比动态RAM静态使用触发器电路作为存储单静态的内部电路相对简单只需一相比动态静态具有更快的访RAM RAM,RAM,RAM元能够持续保存数据无需周期性刷新个触发器存储单元和地址译码电路问速度和更低的功耗但存储密度较低,,,,这种设计使得静态具有快速读这种设计使其制造成本较低适合用于单位成本较高因此静态通常用RAM,RAM写和低功耗的特点嵌入式系统于关键应用程序中的高速缓存非易失性RAM持久数据存储快速读写12非易失性能在断电后与传统磁盘存储相比非易RAM,仍保留数据信息适用于需失性具有更高的读写,RAM要长期存储的场景如智能速度提高了系统性能,,设备和工业控制系统耐用性强结构灵活34非易失性无需机械运非易失性可集成到系RAMRAM动部件抗震性和寿命更好统芯片中实现更紧凑的设,,适用于恶劣环境下的应用计降低成本,,存储器控制原理地址译码1存储器地址译码是确定存储器中目标单元位置的关键步骤利用地址总线上的地址信号进行译码可以准确定位存储单元读写控制2通过读写控制信号可以有选择性地对存储单元进行读取或写入操作这确保了数据的正确传输和存储时序控制3存储器的读写操作需要严格的时序控制保证数据在正确的,时刻被读取或写入存储单元这需要合理设计存储时序存储器地址译码确定存储空间设计地址线地址译码器根据存储器容量确定存储空间范围使用足够数量的地址线来覆盖整个利用逻辑门电路实现对地址空间的，合理划分地址空间地址空间高效划分和寻址存储器读写控制地址译码1通过地址总线选择特定存储单元读取数据2从存储单元中提取数据写入数据3将新数据写入存储单元存储器的读写控制是通过地址总线确定读写位置数据总线传输数据控制总线提供读写控制信号来实现的这些步骤保证,,了存储器可以可靠地存储和提取所需的数据存储器管理内存管理1动态分配和回收内存资源虚拟存储管理2建立虚拟地址到物理地址的映射设备管理3控制设备的访问和数据传输I/O存储器管理是操作系统的核心功能之一它通过动态管理内存资源、建立虚拟地址到物理地址的映射以及控制设备的访I/O问确保计算机系统能够高效、安全地执行各种应用程序这些管理机制是操作系统正常运行的基础,高级存储器技术固态驱动器非易失性存储器SSDNVRAM利用闪存技术提供更快SSD的访问速度,更高的可靠性和NVRAM可在断电时保持数据更低的功耗,适用于性能敏感,如相变存储器PRAM和磁型的应用场景阻存储器MRAM,为新型存储设备带来创新可能存储器技术3D闪存利用垂直堆叠的技术提高了存储密度有效降低了3D NAND,,成本成为目前主流的固态存储技术,存储器Cache提高性能分层设计12通过缓存常用数据和指令可以大幅降低访问内存通常采用多级设计包括、、等采用不Cache,Cache,L1L2L3,的时间显著提升系统性能同的容量和速度来平衡性能和成本,类型丰富高速缓存策略34按工作方式不同可分为直接映射、组相联和全相管理策略包括写回、写直达、预取等通过优化替Cache Cache,联等多种类型满足不同应用需求换算法提高命中率和系统吞吐量,虚拟存储器按需调入地址转换虚拟存储器通过将程序代码虚拟存储器系统通过地址转与数据根据需求动态加载到换机制将程序使用的虚拟地,物理内存中可以高效利用有址映射到物理内存地址隐藏,,限的物理内存资源了物理内存细节页式管理磁盘交换虚拟存储器常采用页式管理当物理内存不足时虚拟存储,,将内存分为固定大小的页根器会将暂时不用的页面交换,据需求动态调入页面以提高到磁盘上以腾出空间供其他,空间利用率程序使用技术RAID数据冗余存储性能优化数据恢复能力技术通过将数据分散存储在多个技术可以将多个硬盘并行工作提技术可以在硬盘发生故障时自动RAID RAID,RAID硬盘上来实现数据冗余提高数据的可高数据读写的性能和吞吐量满足高性进行数据重建确保数据的完整性和可,,,靠性和容错性避免单点故障能的存储需求用性,程序设计语言介绍程序设计语言是人类与计算机沟通的桥梁它们定义了编程语法和逻辑让我们能够用统一的方式描述算法和数据结构完成各种复杂的计算,,任务本节将对主要的程序设计语言做简要概括编程语言发展历程年代19401在计算机诞生的初期,只有机器语言和汇编语言可用这些语言直接操作硬件,不便于人类编程年代19502FORTRAN和COBOL等高级语言的出现使编程变得更简单这些语言能够被编译成机器指令年代19603PL/I、Pascal和C等编程语言应运而生,为不同应用领域提供了更丰富的选择面向过程编程逐渐流行年代19704Smalltalk开创了面向对象编程的新纪元同时,Unix操作系统的普及带动了C语言的广泛使用年代19805C++、Ada和Perl等语言相继出现,体现了面向对象和函数式编程的融合发展图形用户界面也悄然兴起年代19906Java、Python和Ruby等语言的涌现,满足了web开发、人工智能等新兴领域的需求面向对象编程进一步发展年代20007C#、Scala和Go语言应运而生,配合云计算和大数据的兴起,满足了当代软件开发的新需求编程语言分类面向过程编程面向对象编程以过程为中心的编程范式通过一以对象为中心的编程范式通过创,,系列有序的步骤来实现程序功能建类和对象来实现程序逻辑脚本语言函数式编程用于编写简单的自动化任务和系以函数为中心的编程范式强调使,统管理脚本的高级语言用纯函数和避免状态变化面向过程编程语言顺序执行效率优先广泛应用程序结构简单面向过程的编程语言按照这类语言更注重运行效率、、等经面向过程语言的代码结构,C FortranPascal代码的书写顺序逐条执行适合开发系统级软件、嵌典的面向过程语言广泛应相对简单更容易学习和掌,,强调过程的完整性和逻辑入式系统等对性能要求较用于操作系统、编译器、握但对大型复杂项目的性程序员需要管理好变高的应用程序数据库等各类软件开发开发支持较弱量、控制流和函数调用面向对象编程语言封装继承多态面向对象编程语言通过封装数据和行继承允许新的类别继承现有类别的属多态允许对象以多种形式表示和使用为来实现信息隐藏和抽象，提高代码性和方法，从而实现代码的重用和层，使代码更加灵活和可扩展的可维护性和可重用性次结构脚本语言快速开发灵活性跨平台易读易写脚本语言通常使用高级语脚本语言可嵌入其他程序许多流行的脚本语言如相比低级语言脚本语言的,,法不需要复杂的编译过程提供丰富的扩展性允许、和在不语法更接近于自然语言易,Python PerlBash,开发效率高适合快速原开发者根据需求定制特定同操作系统上都有很好的于学习和维护,型设计和自动化任务功能兼容性函数式编程语言声明式编程高阶函数不可变数据函数式编程语言专注于使用纯粹的函数式语言支持将函数作为参数传函数式编程倡导使用不可变数据,数学函数来描述问题而不是命令递给其他函数使代码更加灵活和这样可以避免一些副作用提高代,,,性的指令这种声明式编程方式使可组合这种模块化设计提高了代码的可预测性和并发性代码更加简洁和可读码的可重用性逻辑式编程语言基于逻辑关系逻辑式编程语言通过定义变量和逻辑表达式来描述问题的解决方案数学逻辑基础这些语言利用数学逻辑来完成推理和证明过程典型代表Prolog是最著名的逻辑式编程语言之一，擅长于人工智能领域Prolog编程语言的选择与应用确定项目需求考虑开发团队技能12根据具体项目的复杂度、选择团队成员熟悉并擅长性能要求和开发周期等因使用的编程语言以提高开,素来选择适合的编程语言发效率评估语言特性优化应用场景34分析各种编程语言的语法将编程语言与具体的应用、库函数、安全性、可移场景相结合如开发、,Web植性等特点以匹配项目需数据分析、人工智能等,求。