【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 來(lái)的 T縮短為 T/m。指令流水線(xiàn)處理的時(shí)空?qǐng)D如圖 ,其中的 5表示要處理的 5條指令。從圖可見(jiàn)采用流水方式可同時(shí)執(zhí)行多條指令。 14:32 45 指令流水線(xiàn)處理的時(shí)空?qǐng)D 14:32 46 （ 1）吞吐率 在單位時(shí)間內(nèi)，流水線(xiàn)處理機(jī)流出的結(jié)果數(shù)稱(chēng)為吞吐率。對(duì)指令而言就是單位時(shí)間里執(zhí)行的指令數(shù)。如果流水線(xiàn)的子過(guò)程所用時(shí)間不一樣長(zhǎng)，則吞吐率 P應(yīng)為最長(zhǎng)子過(guò)程的倒數(shù) . （ 2）建立時(shí)間 流水線(xiàn)開(kāi)始工作，須經(jīng)過(guò)一定時(shí)間才能達(dá)到最大吞吐率，這就是建立時(shí)間。若 m個(gè)子過(guò)程所用時(shí)間一樣，均為 t0，則建立時(shí)間 T0＝ mΔ t0。 14:32 47 信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序 大多數(shù)計(jì)算機(jī)使用 8位 (bit)的數(shù)據(jù)塊做為最小的可尋址的存儲(chǔ)器單位，稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)。存儲(chǔ)器的每一個(gè)字節(jié)都用一個(gè)唯一的地址來(lái)標(biāo)識(shí)。 地址 0x6000 0x6001 0x6002 0x6003 數(shù)據(jù) (十六進(jìn)制 ) 0x89 0x67 0x45 0x23 數(shù)據(jù)（二進(jìn)制） 01100111 01000101 00100011 00000001 地址 0x6000 0x6001 0x6002 0x6003 數(shù)據(jù) (十六進(jìn)制 ) 0x23 0x45 0x67 0x89 數(shù)據(jù)（二進(jìn)制） 00000001 00100011 01000101 01100111 （ a）小端存儲(chǔ)法 （ b）大端存儲(chǔ)法 14:32 48 大端和小端存儲(chǔ)法 采用大端存儲(chǔ)法還是小端存儲(chǔ)法，各處理器廠商的立場(chǎng)和習(xí)慣不同，并不存在技術(shù)原因。 Intel公司 X86系列的微處理器都采用小端存儲(chǔ)法，而 IBM、 Motorola和 Sun Microsystems公司的大多數(shù)微處理器采用大端存儲(chǔ)法。此外，還有一些微處理器，如 ARM、 MIPS和 Motorola的 PowerPC等，可以通過(guò)芯片上電啟動(dòng)時(shí)確定的字節(jié)存儲(chǔ)順序規(guī)則，來(lái)選擇存儲(chǔ)模式。 對(duì)于大多數(shù)程序員來(lái)言，機(jī)器的字節(jié)存儲(chǔ)順序是完全不可見(jiàn)的，無(wú)論哪一種存儲(chǔ)模式的微處理器編譯出的程序都會(huì)得到相同的結(jié)果。不過(guò)，當(dāng)不同存儲(chǔ)模式的微處理器之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)時(shí)，在有些情況下，字節(jié)順序會(huì)成為問(wèn)題 . 14:32 49 當(dāng)在不同存儲(chǔ)順序的微處理器間進(jìn)行程序移植時(shí)，要特別注意存儲(chǔ)模式的影響。把從軟件得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)寫(xiě)成一般的數(shù)據(jù)格式往往會(huì)涉及到存儲(chǔ)順序的問(wèn)題。 在多臺(tái)不同存儲(chǔ)順序的主機(jī)之間共享信息可以有兩種方式：一種是以單一存儲(chǔ)方式共享數(shù)據(jù)，一種是允許主機(jī)以不同的存儲(chǔ)方式共享數(shù)據(jù)。使用單一存儲(chǔ)順序只要解釋一種格式，解碼簡(jiǎn)單。使用多種存儲(chǔ)方式不需要對(duì)數(shù)據(jù)的原順序進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使得編碼容易，同時(shí)當(dāng)編碼器和解碼器采用同一種存儲(chǔ)方式時(shí)因?yàn)椴恍枰儞Q字節(jié)順序，也能提高通信效率。 14:32 50 在網(wǎng)絡(luò)通信中， Inter協(xié)議（即 IP協(xié)議）定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。該字節(jié)順序被用于所有設(shè)計(jì)使用在 IP協(xié)議上的數(shù)據(jù)包、高級(jí)協(xié)議和文件格式上。 很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在存儲(chǔ)順序問(wèn)題：即字節(jié)中的位采用大端法（最重要的位優(yōu)先）或小端法（最不重要的位優(yōu)先）發(fā)送。這取決于 OSI模型最底層的數(shù)據(jù)鏈路層。 14:32 51 一個(gè)典型的例子就是日期表示方法，不同的國(guó)家采用不同的表示方法，美國(guó)和其他一些國(guó)家，日期格式順序一般是：月一日一年 (如 :12月 24日 2022年或 12/24/2022),這是中間表示法。 在世界大部分國(guó)家中，包括除瑞典、拉脫維亞和匈牙利之外的歐洲，日期格式為：日一月一年（比如 24日 12月 2022或12/24/2022），這是小端表示法。 中國(guó)、日本和 ISO 8601國(guó)際正式標(biāo)準(zhǔn)順序的日期順序排列順序是；年一月一日（比如 2022年 12月 24日或 20221224），這是大端表示法。在 ISO 8601中年份必須用 4位數(shù)字表示，月份和日數(shù)分別用兩位表示。因此，個(gè)位數(shù)的日和月必須在前面填補(bǔ)一個(gè)零，如 01， 02， … ， 09等。 14:32 52 嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 嵌入式微控制器 嵌入式微處理器 嵌入式 DSP處理器 嵌入式片上系統(tǒng) 多核處理器 14:32 53 嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型 從 1971年 Intel公司推出第一塊微處理器芯片 4004到今天，嵌入式微處理器已有 30多年的發(fā)展歷史。 嵌入式系統(tǒng)硬件一般由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器和輸入 /輸出組成，其中嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心。 嵌入式微處理器的字長(zhǎng)寬度可分為 4位、 8位、 16位、 32位和64位。一般把 16位及以下的稱(chēng)為嵌入式微控制器（ Embedded Micro Controller）， 32位及以上的稱(chēng)為嵌入式微處理器。 微處理器內(nèi)部?jī)H包含處理器稱(chēng)為一般用途微處理器。將 CPU、ROM、 RAM及 I/O等集成到一個(gè)芯片上，稱(chēng)為單芯片微控制器。 根據(jù)用途，可分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式 DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、雙核或多核處理器等類(lèi)型。 14:32 54 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器（ Micro Controller Unit， MCU）又稱(chēng)為單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成 ROM、 EPROM、 RAM、總線(xiàn)、總線(xiàn)邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門(mén)狗、 I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出（ PWM）、 A/D、D/A、 Flash、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。嵌入式微控制器具有單片化、體積小、功耗和成本低，可靠性高等特點(diǎn)，約占嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)份額的 70％。嵌入式微控制器品種和數(shù)量很多，典型產(chǎn)品有 805 MCS25 MCS96/196/29 C166/16 68K系列， TI公司的 MSP430系列和 Motorola公司的 68H12系列，以及MCU8XC930/93 C5 C541，并且有支持 I2C、 CANBUS、 LCD及眾多專(zhuān)用嵌入式微控制器和兼容系列。 14:32 55 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器（ Embedded Micro Processing Unit， EMPU）由通用計(jì)算機(jī)中的 CPU發(fā)展而來(lái)，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。通常嵌入式微處理器把 CPU、 ROM、 RAM及 I/O等做到同一個(gè)芯片上。 32位微處理器采用 32位的地址和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，其地址空間達(dá)到了 232＝ 4GB。目前主流的 32位嵌入式微處理器系列主要有 ARM系列、 MIPS系列、PowerPC系列等。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有千種以上。 14:32 56 ARM（ Advanced RISC Machine）公司的 ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的 32位嵌入式 RISC微處理器結(jié)構(gòu)。 ARM體系結(jié)構(gòu)目前發(fā)展并定義了 7種不同的版本。從版本 1到版本 7， ARM體系的指令集功能不斷擴(kuò)大。 ARM處理器系列中的各種處理器，雖然在實(shí)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用場(chǎng)合和性能方面都不相同，但只要支持相同的 ARM體系版本，基于它們的應(yīng)用軟件是兼容的。表 ARM體系結(jié)構(gòu)各版本的特點(diǎn)。 目前， 70%的移動(dòng)電話(huà)、大量的游戲機(jī)、手持 PC和機(jī)頂盒等都已采用了 ARM處理器，許多一流的芯片廠商都是 ARM的授權(quán)用戶(hù)，如 Intel、 Samsung、 TI、 Freescale、 ST等公司。 14:32 57 ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點(diǎn) 版本 ARM系列 特點(diǎn) ARMv1 ARM1 該版體系結(jié)構(gòu)只在原型機(jī) ARM1出現(xiàn)過(guò)，沒(méi)有用于商業(yè)產(chǎn)品。基本性能： ? 基本的數(shù)據(jù)處理指令（無(wú)乘法） ? 26位尋址 ARMv2 ARM2和 ARM3 該版體系結(jié)構(gòu)對(duì) ARMv1版進(jìn)行了擴(kuò)展，版本ARMv2a是 v2版的變種， ARM3芯片采用了ARMv2a。 ARMv2版增加了以下功能： ? 32位乘法和乘加指令 ? 支持 32位協(xié)處理器操作指令 ? 快速中斷模式 14:32 58 ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點(diǎn) 版本 ARM系列 特點(diǎn) ARMv3 ARMv3M ARM ARM7DI、ARM7M ARMv3版體系結(jié)構(gòu)對(duì) ARMv2體系結(jié)構(gòu)改動(dòng)較大 。 ? 尋址空間增至 32位（ 4GB） ? 獨(dú)立的當(dāng)前程序狀態(tài)寄存器 CPSR和程序狀態(tài)保存寄存器 SPSR，保存程序異常中斷時(shí)的程序狀態(tài)，以便于對(duì)異常的處理 ? 增加異常中斷和未定義兩種處理器模式 ? 增加了 MMU支持 ? ARMv3M增加了有符號(hào)和無(wú)符號(hào)長(zhǎng)乘法指令 ARMv4 ARMv4T StrongARM、 ARM7TDMI、 ARM9T ARMv4版體系結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最廣 ,在 v3版上作了進(jìn)一步擴(kuò)充 ,指令集中增加了以下功能： ? 增加了系統(tǒng)模式 ? 增加了 16位 Thumb指令集 ? 完善了軟件中斷 SWI指令的功能 ? 不再支持 26位尋址模式 14:32 59 ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點(diǎn) 版本 ARM系列 特點(diǎn) ARMv5TE ARMv5TEJ ARM9E、 ARM10E、Xscale、ARM7EJ、 ARM926EJ ARMv5體系結(jié)構(gòu)在 v4基礎(chǔ)上增加了指令 ,包括 : ? 增加 ARM與 Thumb狀態(tài)之間切換的指令 ? 增強(qiáng)乘法指令和快速乘累加指令 ? 增加了數(shù)字信號(hào)處理指令（ ARMv5TE版） ? 增加了 Java加速功能 (ARMv5TEJ版） ARMv6 ARM11 ARMv6體系結(jié)構(gòu)發(fā)布于 2022年 ,先在 ARM11中使用。在 ARMv5版基礎(chǔ)上增加了以下功能： ? Thumb2 增強(qiáng)代碼密度 ? SIMD 增強(qiáng)媒體和數(shù)字處理功能 ? TrustZone 提供增強(qiáng)的安全性能 ? IEM 提供增強(qiáng)的功耗管理功能 14:32 60 ARM體系結(jié)構(gòu)版本及特點(diǎn) 版本 ARM系列 特點(diǎn) ARMv7 Cortex系列 ARMv7版體系結(jié)構(gòu)定義了 3種不同的微處理器系列： ? A系列為面向應(yīng)用的微處理器核，支持復(fù)雜操作系統(tǒng)和用戶(hù)應(yīng)用 ? R系列為深度嵌入的微處理器核 ,針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用 ? M系列為微控制核 ,針對(duì)成本敏感的嵌入式控制應(yīng)用 14:32 61 美國(guó)斯坦福大學(xué) Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制的 MIPS（無(wú)互鎖流水級(jí)的微處理器）是世界上很流行的一種 RISC處理器，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線(xiàn)中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。 從 20世紀(jì) 80年代初期 MIPS處理器發(fā)明到現(xiàn)在的 20多年， MIPS以其高性能的處理能力被廣泛應(yīng)用于寬帶接入、路由器、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、電視、游戲、打印機(jī)、辦公用品、 DVD播放等領(lǐng)域。 和 ARM公司一樣， MIPS公司本身并不從事芯片的生產(chǎn)活動(dòng)（只進(jìn)行設(shè)計(jì)），不過(guò)其他公司如果要生產(chǎn)該芯片，則必須得到 MIPS公司的許可。 MIPS 32位處理器內(nèi)核系列和特點(diǎn)如表 。 14:32 62 MIPS 32位處理器內(nèi)核系列和特點(diǎn) 內(nèi)核 特點(diǎn) M4KTM系列 針對(duì)多 CPU集成的 SOC應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橄乱淮M(fèi)類(lèi)產(chǎn)品、下一代網(wǎng)絡(luò)和寬帶產(chǎn)品 M4KT M系列 4KpTM、 4KcTM內(nèi)核 針對(duì) SOC系統(tǒng)優(yōu)化，其內(nèi)存、指令緩存和數(shù)據(jù)緩存都可以根據(jù)具體應(yīng)用調(diào)整大小 M4KTM系列 4KEpTM、 4KEmTM和4KEcTM內(nèi)核 與 4KTM系列類(lèi)似，但能提供更高性能 ,在同樣時(shí)鐘頻率下指令執(zhí)行周期更短 4KSTM系列 4KScTM和 4KSdTM內(nèi)核 針對(duì)數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用。其特點(diǎn)是采用了SmartMIPSTM結(jié)構(gòu)，擁有反黑客的特性，可以讓數(shù)據(jù)加密更加快速，在網(wǎng)絡(luò)處理、智能卡、機(jī)頂盒等方面有廣泛應(yīng)用 14:32 63 MIPS 32位處理器內(nèi)核系列和特點(diǎn) Pro SeriesTM系列 M4K ProTM、4KE ProTM、 4KEm ProTM、 4KEc Proms和 4KSd ProTM內(nèi)核 該系列內(nèi)核允許 SOC的設(shè)計(jì)者創(chuàng)造自己的CorExtendTM擴(kuò)展指令集。這樣可以根據(jù)具體應(yīng)用設(shè)計(jì)出性能更好，效率更高的產(chǎn)品 24KTM系列 針對(duì)圖形、 JAVA應(yīng)用 ,包含了最快的浮點(diǎn)乘法器 ,也支持 CorExtendTM擴(kuò)展指令集 ,是數(shù)字電視、機(jī)頂盒和 DVD等多媒體應(yīng)用的理想選擇 14:32 64 PowerPC是 Freescale（原 Motorola）公司的產(chǎn)品。 PowerPC RISC處理器采用了超標(biāo)量處理器設(shè)計(jì)和調(diào)整內(nèi)存緩沖器，修改了指令處理設(shè)計(jì)，它完成一個(gè)操作所需的指令數(shù)比 CISC處理器要多，但完成操作的總時(shí)間卻減少了。 PowerPC內(nèi)核采用獨(dú)特分支處理單元可以讓指令預(yù)取效率大大提高 ,即使指令流水線(xiàn)上出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令 ,也不會(huì)影響到其運(yùn)算單元的運(yùn)算效率。 PowerPC RISC處理器設(shè)計(jì)了多級(jí)內(nèi)存高速緩沖區(qū)，以便讓那些正在訪(fǎng)問(wèn)（或可能