【正文】 UESTC UESTC 電子科技大學 電子科技大學 電子科技大學 電子科技大學 自動化工程學院 第 2章 嵌入式處理器體系結(jié)構 嵌 入 式 系 統(tǒng) 設 計 (1)處理器設計的兩種結(jié)構形式 CISC與 RISC (2)從計算機系統(tǒng)角度，強調(diào)訪問存儲器的設計原則 馮 諾依曼結(jié)構與哈佛結(jié)構 處理器體系結(jié)構概述 CISC和 RISC CISC：復雜指令集（ Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和尋址方式，指令長度可變 8/2原則 ： 80%的程序只使用 20%的指令 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行 RISC：精簡指令集（ Reduced Instruction Set Computer) 只包含最有用的指令，指令長度固定 確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令 使 CPU硬件結(jié)構設計變得更為簡單 處理器體系結(jié)構概述 CISC與 RISC的對比 類別 CISC RISC 指令系統(tǒng) 指令數(shù)量很多 較少，通常少于 100 執(zhí)行時間 有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊的存儲器內(nèi)容拷貝；或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容拷貝到存儲器 沒有較長執(zhí)行時間的指令 編碼長度 編碼長度可變， 115字節(jié) 編碼長度固定，通常為 4個字節(jié) 尋址方式 尋址方式多樣 簡單尋址 操作 可以對存儲器和寄存器進行算術和邏輯操作 只能對寄存器進行算術和邏輯操作， Load/Store體系結(jié)構 編譯 難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標代碼程序 采用優(yōu)化編譯技術，生成高效的目標代碼程序 處理器體系結(jié)構概述 嵌入式微處理器 – 傳統(tǒng)的微處理器采用的馮 – 哈佛結(jié)構則是不同于馮 與之相對應的是系統(tǒng)中設置的兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），從而使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 。諾依曼體系結(jié)構 指令寄存器 控制器 數(shù)據(jù)通道 輸入 輸出 中央處理器 存儲器 程序 指令 0 指令 1 指令 2 指令 3 指令 4 數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 處理器體系結(jié)構概述 哈佛體系結(jié)構 指令寄存器 控制器 數(shù)據(jù)通道 輸入 輸出 CPU 程序存儲器 指令 0 指令 1 指令 2 數(shù)據(jù)存儲器 數(shù)據(jù) 0 數(shù)據(jù) 1 數(shù)據(jù) 2 地址 指令 地址 數(shù)據(jù) 處理器體系結(jié)構概述 ARM微處理器的特點 ?采用 RISC指令集 1. 低功耗、低成本、高性能 ?使用大量的寄存器 ?ARM/THUMB指令支持 ?流水線 ARM處理器的特點 ARM微處理器的特點 ?固定長度的指令格式，指令歸整、簡單、基 本尋址 方式有 2～ 3種； 2. 采用 RISC體系結(jié)構 ?使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行； ?大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作，只有加載 /存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。 ARM處理器的特點 ARM微處理器的特點 ?ARM微處理器支持兩種指令集： ARM指令集和Thumb指令集。Thumb指令集為 ARM指令集的功能子集，但與等價的ARM代碼相比較，可節(jié)省 30％～ 40％以上的存儲空間，同時具備 32位代碼的所有優(yōu)點。 ARM體系結(jié)構的發(fā)展 同樣為 26位尋址空間， 現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用 ，它相對 V1版本有以下改進： ?具有乘法和乘加指令； ?支持協(xié)處理器； ?快速中斷模式中的兩個以上的分組寄存器； ?具有原子性加載 /存儲指令 SWP和 SWPB。 ? ARM體系結(jié)構版本 —— V3 ARM體系結(jié)構的發(fā)展 不在為了與以前的版本兼容而支持 26位體系結(jié)構，并明確了哪些指令會引起未定義指令異常發(fā)生，它相對 V3版本作了以下的改進： ?半字加載 /存儲指令； ?字節(jié)和半字的加載和符號擴展指令； ?具有可以轉(zhuǎn)換到 Thumb狀態(tài)的指令（ BX）； ?增加了用戶模式寄存器的新的特權處理器模式。 ? ARM體系結(jié)構版本 —— V5 ARM體系結(jié)構的發(fā)展 ? 2022年推出 ARMv6，它在許多方面做了改進如內(nèi)存系統(tǒng)、異常處理和較好地支持多處理器。 ? Thumb2和 TrustZone 技術 也用于 ARMv6中。 ARM體系結(jié)構的發(fā)展 ? ARM體系結(jié)構版本 —— V6 ? ARMv7定義了 3種不同的處理器配置（ processor profiles） : – Profile A是面向復雜、基于虛擬內(nèi)存的 OS和應用的 – Profile R是針對實時系統(tǒng)的 – Profile M是針對低成本應用的優(yōu)化的微控制器的 ? 所有 ARMv7 profiles實現(xiàn) Thumb2技術，同時還包括了 NEON?技術的擴展提高 DSP和多媒體處理吞吐量 400％ ，并提供浮點支持以滿足下一代 3D圖形和游戲以及傳統(tǒng)嵌入式控制應用的需要。 性 能： ，可達 300 MIPS (Dhrystone )，高性能 AHB, 軟核（ soft IP） ARM10 系列 ARM1020E, ARM1022E ARM1026EJS 6級流水支持分支預測（ branch prediction），支持 DSP指令。強大的 ARMv6 指令集，支持 DSP， SIMD (Single Instruction Multiple Data) 擴展，支持 ARM TrustZone 、 Thumb2核心技術。 CortexR系列：面向嵌入式實時領域的嵌入式處理器，支持 ARM, Thumb,和 Thumb2 指令集。支持 ARM和 Thumb 指令集，軟核。 ARM7系列有如下特點： ?具有嵌入式 ICE－ RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便； ?極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如便攜式產(chǎn)品； ?能夠提供 ； ?代碼密度高，并兼容 16位的 Thumb指令集； ?對操作系統(tǒng)的支持廣泛，如 Windows CE、 Linux、 Palm OS等； ?指令系統(tǒng)與 ARM9系列、 ARM9E系列和 ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代； ?主頻最高可達 130M，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。 ? ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、 ARM7TDMIS、 ARM720T、 ARM7EJ。 TDMI的基本含義為： T：支持 16為壓縮指令集 Thumb； D：支持片上 Debug； M：內(nèi)嵌硬件乘法器（ Multiplier） I：嵌入式 ICE，支持片上斷點和調(diào)試點； ARM處理器系列 ARM9微處理器系列 ? ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表現(xiàn)。 ?提供 。 ?支持 32位的高速 AMBA總線接口。 ?MPU支持實時操作系統(tǒng)。 ARM處理器系列 ARM9微處理器系列 ?ARM9系列微處理器主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。 ?5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ?支持 32位的高速 AMBA總線接口。 ?全性能的 MMU，支持眾多主流嵌入式操作系統(tǒng)。 ?主頻最高可達 300M。 ?ARM9E系列微處理器包含 ARM926EJS、 ARM946ES和ARM966ES三種類型，以適用于不同的應用場合。 ?6級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 ?支持 32位的高速 AMBA總線接口。 ?全性能的 MMU，支持眾多主流嵌入式操作系統(tǒng)。 ?內(nèi)嵌并行讀 /寫操作部件。 ?ARM10E系列微處理器包含 ARM1020E、 ARM1022E和ARM1026EJS三種類型，以適用于不同的應用場合。 ?采用軟內(nèi)核技術，防止外部對其進行掃描探測。 ARM處理器系列 SecurCore微處理器系列 ? SecurCore系列微處理器主要應用于一些對安全性要求較高的應用產(chǎn)品及應用系統(tǒng)，如電子商務、電子政務、電子銀行業(yè)務、網(wǎng)絡和認證系統(tǒng)等領域。 ARM處理器系列 ARM處理器（核）命名規(guī)則 ARM{x}{y}{z}{T}{D}{M}{I}{E}{J}{F}{S} x——系列號 y——存儲管理 /保護單元 z——Cache T——Thumb指令集 D——JTAG調(diào)試器 M——快速乘法器 I——嵌入式跟蹤宏單元 E——增強 DSP指令 J——Jazelle技術 F——向量浮點單元 S——可綜合的內(nèi)核 2： 帶 MMU 4： 帶 MPU 6： 無 MMU和 MPU 0： 標準 cache 2： 小 cache 6： 可變 cache ARM7TDMI ARM926EJS ARM966ES ARM1022E ARM處理器系列 ARM處理器的先進技術 （ 1）流水線技術 流水線 (Pipeline)技術：幾個指令可以并行執(zhí)行 ? 提高了 CPU的運行效率 ? 內(nèi)部信息流要求通暢流動 譯碼 取指 執(zhí)行 add 譯碼 取指 執(zhí)行 sub 譯碼 取指 執(zhí)行 cmp 時間 Add Sub Cmp 最簡單的 3級流水線 低功耗嵌入式領域的經(jīng)典產(chǎn)品 ARM7就是采用這種 3級流水線結(jié)構。 ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 （ 2）超標量執(zhí)行 超標量 (Superscalar)執(zhí)行 ： 超標量 CPU采用多條流水線結(jié)構 執(zhí)行 1 取指 指令 譯碼 2 譯碼 1 執(zhí)行 2 執(zhí)行 1 取指 譯碼 2 譯碼 1 執(zhí)行 2 流水線1 流水線2 數(shù)據(jù)回寫 ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 超標量處理器 指令并行 Superscalar 超標量 VLIW 超長指令字 ARM處理器的先進技術 處理器的并行設計 ARM處理器的先進技術 并行總結(jié) ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 （ 3）高速緩存（ CACHE） ARM處理器的先進技術 Cache的工作原理 塊號B 塊內(nèi) 地址主存－ca ch e 地址變換塊號B 塊內(nèi) 地址 ca ch e 替換策略Cache主存儲器命中未命中替換塊裝入塊已滿未滿虛擬地址ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 四級存儲結(jié)構 寄存器 ＋ Cache ＋ 主存 ＋ 輔存 CPU內(nèi)部高速電子線路(如觸發(fā)器 ) 一級：在 CPU內(nèi)部 二級：在 CPU外部 一般為靜態(tài)隨機存儲器 SRAM。 片內(nèi)總線或內(nèi)部總線：連接CPU內(nèi)部各主要功能部件 片外總線： CPU與存儲器（ RAM和 ROM）和 I/O接口之間進行信息交換的通道 數(shù)據(jù)總線 Dbus 地址總線 Abus 控制總線 Cbus 總線分類 總線寬度 總線頻率 總線帶寬 總線帶寬 (單位 :MB/s) =（總線寬度 /8） 總線頻率 如：總線寬度 32位 ， 頻率 66MHZ， 則 總線帶寬 =（ 32/8） * 66MHz=264MB/s 總線的主要參數(shù) 又稱總線位寬，指的是總線能同時 傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)。 總線工作速度的一個重要參數(shù)， 工作頻率越高，速度越快。 又稱總線的數(shù)據(jù)傳送率，是指在一 定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)總量， 用每秒最大傳送數(shù)據(jù)量來衡量。 ARM處理器的先進技術 總線和總線橋 ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 ARM處理器的先進技術 總線和總線橋 原因： – 數(shù)據(jù)寬度：高速總線通常提供較寬的數(shù)據(jù)連接 。 – 橋允許總線獨立操作 ， 這樣在 I/O操作中可提供某些并行性 。 – AHB(Advanced Highperformance Bus)： 用于高性能系統(tǒng)模塊的連接，支持突發(fā)模式數(shù)據(jù)傳輸和事務分割；可以有效地連接處理器、片上和片外存儲器，支持流水線操作。 ARM處理器的先進技術 測試接口 ARM CPU SDRAM Control SRAM LCD Control 橋 并行接口 串行 接口 Timer UART 基于 AMBA總線的典型系統(tǒng) AMBA總線 ARM微處理器的工作狀態(tài) ?從編程的角度看， ARM微