【正文】 需要較高的集成度。而MIPS則采用 MIPS16方法來解決這個問題。傳統(tǒng)的 CISC指令集計算機具有較好的代碼存儲密度。 ? 當(dāng)然，最引人注目的還是 ARM公司的 ARM系列、 MIPS公司的MIPS系列，以及 Hitachi公司的 SuperH系列（其中 ARM和 MIPS都知識產(chǎn)權(quán)公司，把他們的微處理器 IP技術(shù)授權(quán)給半導(dǎo)體廠商，由他們生產(chǎn)形態(tài)各異的微處理器芯片）。目前 32位嵌入式微處理器是市場的主流。 ? 32位嵌入式微處理器市場，我們可以發(fā)現(xiàn)超過 100家的芯片供應(yīng)商和近 30種指令體系結(jié)構(gòu)。 4 嵌入式處理器評價指標(biāo)（ 1） ? 功耗。而 RISC指令集計算機由于要求指令編碼長度固定，雖然可以簡化和加速指令譯碼過程，但為了實現(xiàn)與 CISC指令集計算機相同的作業(yè)，往往需要更多的指令來完成，從而增加了代碼長度。（影響代碼密度的另外一個主要因素是所采用的 C編譯器。但把所有的外圍設(shè)備都集成到一個芯片上也不是一種好的解決方案。為實現(xiàn)多媒體加速功能，嵌入式微處理器的設(shè)計者在傳統(tǒng)的微處理器指令集的基礎(chǔ)上增加JPEG和 MPEG解壓縮的離散余弦變換指令?？刂茊卧邪▋蓚€重要的寄存器：程序計數(shù)器（ PC）和指令寄存器（ IR）。主要是從存儲器中所得到的數(shù)據(jù)（這些數(shù)據(jù)被送到算術(shù)邏輯單元中進(jìn)行處理）和算術(shù)邏輯單元中處理好的數(shù)據(jù)（再進(jìn)行算術(shù)邏輯運行或存入到存儲器中。 ? Dhrystone。 EEMBC驗證實驗室研究指出，Dhrystone不適于作為嵌入式系統(tǒng)的測試向量。 ? 一次詳盡的分析需要仔細(xì)衡量的因素包括：性能分析、功耗和效率分析、開發(fā)工具支持以及價格 9 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系結(jié)構(gòu)概覽 ARM編程模型 ARM 異常處理 10 ARM簡介 ? ARM——Advanced RISC Machines ? ARM——32位 RISC結(jié)構(gòu) IP核提供商 11 ARM Ltd ? 成立于 1990年 11月 ? 前身為 Acorn計算機公司 ? Advance RISC Machine(ARM) ? 主要設(shè)計 ARM系列 RISC處理器內(nèi)核 ? 授權(quán) ARM內(nèi)核給生產(chǎn)和銷售半導(dǎo)體的合作伙伴 ? ARM 公司不生產(chǎn)芯片 ? IP(Intelligence Property) ? 另外也提供基于 ARM架構(gòu)的開發(fā)設(shè)計技術(shù) ? 軟件工具 , 評估板 , 調(diào)試工具 ,應(yīng)用軟件 , ? 總線架構(gòu) , 外圍設(shè)備單元，等等 12 ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域 ? 工業(yè)控制領(lǐng)域 ? 無線通訊領(lǐng)域 ? 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 ? 消費電子產(chǎn)品 ? 成像和安全產(chǎn)品 13 ARM微處理器系列 ? ARM7系列 ? ARM9系列 ? ARM9E系列 ? ARM10E系列 ? ARM11系列 ? SecurCore系列 ? Cortex系列 ? Inter的 StrongARM和 Xscale系列 14 ? ARM公司成立于 1981年，最初與英國廣播公司合作為英國教育界設(shè)計小型機，當(dāng)時采用的是美國的 6502芯片。 ARM2可能是當(dāng)時最簡化的 32位微處理器，上面僅有30000個晶體管（ 4年前 Motorola公司的 68000則有 68000個晶體管）。 ARM的發(fā)展歷程 1 15 ? ARM7TDMI 是 ARM公司最成功的微處理器 IP之一，至今在蜂窩電話領(lǐng)域已銷售了數(shù)億個微處理器。目前， Motorola、 IBM、 TI、 Philips、VLSI、 Atmel和 Samsung等幾十家大的半導(dǎo)體公司都獲得了 ARM公司的授權(quán)，生產(chǎn)形態(tài)各異的 ARM芯片 ARM的發(fā)展歷程 2 16 ARM處理器的技術(shù)優(yōu)勢 ? 低能耗：當(dāng)初剛剛起步的嵌入式應(yīng)用對運算性能并不苛求，但對芯片的功耗卻相當(dāng)敏感。 ? 得到大量的軟件支持：包括 Windows CE、 Symbian和 Palm OS在內(nèi)的手持設(shè)備三種主要操作系統(tǒng)系統(tǒng)都是基于 ARM架構(gòu)所設(shè)計。 18 ARM的發(fā)展歷程 2 ? 1991 ARM 推出第一款 RISC嵌入式微處理器核 ARM6 ? 1993 ARM 推出 ARM7 核 ? 1995 – ARM的 Thumb擴展指令集結(jié)構(gòu)為 16位系統(tǒng)增加了 32位的性能 ,提供業(yè)界領(lǐng)先的代碼密度 19 ARM的發(fā)展歷程 3 ARM 8,810ARM 7D,7DMARM 2,31985 90 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997ARM 7TDM IARM 6,60,610ARM 7,710M IP S204060801000St ron gARMARM 9,92020 ARM處理器的 3大特點如下： ? 小體積、低功耗、成本低、高性能； ? 16位 /32位雙指令集； ? 全球眾多的合作伙伴。 Multiplyaccumulate ? 支持協(xié)處理器 ? 支持線程同步 ? 26 bit 地址總線 25 ARM體系結(jié)構(gòu)版本 2 ? V3版本推出 32位尋址能力 ,結(jié)構(gòu)擴展變化為 ? T—16位壓縮指令集 ? M—增強型乘法器 ,產(chǎn)生全 64位結(jié)果 (32X32?64or32X32+64 ?64) ? V4版本增加了半字 load和 store指令 ? V5版本改進(jìn)了 ARM和 Thumb之間的交互 ,結(jié)構(gòu)擴展變化為 : ? E增強型 DSP指令集 ,包括全部算法操作和 16位乘法操作 ? J支持新的 JAVA,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能 26 ARM 體系結(jié)構(gòu)更新 27 體系結(jié)構(gòu)變化 – 1* ? THUMB指令集 ( ‘T’) ? THUMB 指令集 : 32位 ARM指令集的子集，按 16位指令重新編碼 ?代碼尺寸小 ( up to 40 % pression) ?簡化設(shè)計 28 體系結(jié)構(gòu)變化 2 ? 長乘法指令 (‘M’) ? 32x32 = 64 bit. 提供全 64位結(jié)果 ? 增強 DSP 指令集 (‘E’) ? 可附加在 ARM中的 DSP指令 ? 64 bit 轉(zhuǎn)換 ? 在 v5版本中第一次推出 ? 處理器內(nèi)核的變化 ? D: 在片調(diào)試 . 處理器可響應(yīng)調(diào)試暫停請求 ? I: Embedded ICE. 支持片上斷點調(diào)試 29 體系結(jié)構(gòu)變化 3 ? ARM DSP 指令集 ? 對于音頻 DSP應(yīng)用提供高達(dá) 70%的處理速度 ? Jazelle ? 提供比基于軟件的 JAVA虛擬機（ JVM）更高的性能 ? 與非 JAVA加速核相比，提供 8倍 JAVA加速性能和降低 80%的功耗 ? 139 字節(jié)碼直接在硬件上執(zhí)行， 88個字節(jié)碼在軟件上執(zhí)行 30 ARM體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 SA110 ARM7TDMI 4T 1 Halfword and signed halfword / byte support System mode Thumb instruction set 2 4 ARM9TDMI SA1110 ARM720T ARM940T Improved ARM/Thumb Interworking CLZ 5TE Saturated maths DSP multiplyaccumulate instructions XScale ARM1020E ARM9ES ARM966ES 3 Early ARM architectures ARM9EJS 5TEJ ARM7EJS ARM926EJS Jazelle Java bytecode execution 6 ARM1136EJS ARM1026EJS SIMD Instructions Multiprocessing V6 Memory architecture (VMSA) Unaligned data support 31 ARM流水線 ADD SUB ADD CMP SUB ADD 取指 譯碼 執(zhí)行 時間 周期 1 周期 2 周期 3 32 ARM流水線的級數(shù) ? ARM9流水線增加到 5級，增加了存儲器訪問段和回寫段，使ARM9處理能力平均可達(dá)到 Dhrystone，指令吞吐量增加了約13%。適用于要求有存儲器保護(hù)但沒有復(fù)雜存儲器系統(tǒng)映射的系統(tǒng)； ? 提供全面保護(hù)的存儲器管理單元（ MMU）： MMU使用一組轉(zhuǎn)化表，以提供精細(xì)的存儲器控制。如協(xié)處理器 15（ CP15），用于控制 Cache、 TCM和存儲器管理； ? 協(xié)處理器也能通過提供一組專門的新指令來擴展指令集，如，處理向量浮點運算的指令集； ? 這些指令在 ARM流水線的譯碼階段被處理，如果在譯碼階段發(fā)現(xiàn)是一條協(xié)處理器指令，則把它送給相應(yīng)的協(xié)處理器。 ? LDR指令沒有引起流水線互鎖 1 2 3 4 5 6 7 8 9 F D E W F D E W F E W F D E W F D W E F D E W F – 取指（ Fetch） D – 解碼（ Decode） E – 執(zhí)行（ Execute） I – 互鎖（ Interlock） M – 存儲器（ Memory ） W –寫回（ Writeback） M D 46 LDM互鎖 (1) ? 本例中，用了 8個時鐘周期執(zhí)行 5條指令， CPI = ? 在 LDM期間，有并行的存儲器訪問和回寫周期 周期 操作 LDMIA R13!, {R0R3} SUB R9, R7, R8 ORR R8, R4, R3 AND R6, R3, R1 1 2 3 4 5 6 7 8 STR R4, [R9] 9 F – 取指（ Fetch） D – 解碼（ Decode） E – 執(zhí)行（ Execute） MW存儲器和回寫同時執(zhí)行 I – 互鎖（ Interlock） M – 存儲器（ Memory ） W –寫回（ Writeback） F D E W F D E W D E F D E W F M D W E I I I I I I M F MW MW MW 47 LDM 互鎖 (2) ? 本例中，用了 9個時鐘周期執(zhí)行 5條指令， CPI = ? 此處 SUB 使用了 R3，增加了一個額外的互鎖周期來完成該寄存器數(shù)據(jù)的獲取 ? 這種情況對任何 LDM 指令，像帶 IA, DB, FD,等，都會發(fā)生 。 ARM9 ARM920T：帶有獨立的 16KB 數(shù)據(jù)和指令 Cache； ARM22T：帶有獨立的 8位 KB 數(shù)據(jù)和指令 Cache； ARM940T–包括更小數(shù)據(jù)和指令Cache和一個 MPU ? 基于 ARM9TDMI ，帶 16位的 Thumb指令集，增強代碼密度最多到 35%； ? 在 300MIPS（Dhrystone ）； ? 集成了數(shù)據(jù)和指令 Chche； ? 32位 AMBA總線接口的 MMU支持； ? 可在 、 上實現(xiàn)。 ARM10E ARM1020E：帶 DSP指令集，在片調(diào)試功能，獨立的 32KB數(shù)據(jù)和指令 Cache， MMU支持； ARM1022E：與 ARM1020E相同，只是獨立的數(shù)據(jù)和指令 Cache變?yōu)?16KB； ARM1026EJS：同時具有 MPU和MMU，可綜合版本； ?帶分支預(yù)測的 6級整數(shù)流水線； ?在 430MIPS（Dhrystone ）； ?對于 3D圖形運算和實時控制采用 VFP協(xié)處理器，浮點運算性能最高可達(dá) 650MFLOPS； ?雙 64位 AMBA總線接口和 64位內(nèi)部總路線接口； ?優(yōu)化的緩存結(jié)構(gòu)提高了處理器訪問低速存儲器的性能； ?可在 , , 現(xiàn) 52 ARM處理器結(jié)構(gòu)綜述（三） ARM11 ARM11 MPCore：可綜合的多處理器核， 1至 4個處理器可配置； ARM1136J(F)S：可配置的數(shù)據(jù)和指令 Cache，可提供 MPEG4編碼加速功能； ARM1156T2(F)S：帶集成浮點協(xié)處理器，帶內(nèi)存保護(hù)單元 MPU ； ARM1176JZ(F)S：帶針對 CPU和系統(tǒng)安全架構(gòu)擴展的 TrustZone技術(shù)。 54 PXA架構(gòu)的應(yīng)用 55 ARM微處理器的選型 ? ARM內(nèi)核的選擇 ? 系統(tǒng)的工作頻率 ? 片內(nèi)存儲器的容量 ? 片內(nèi)外圍電路的選擇 56 本節(jié)提要 1 3 2 4 嵌入式微處理器概述 ARM體系