嵌入式技术及应用-2g.

LOGO嵌入式技术及应用嵌入式系统体系结构及嵌入式处理器概述嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，也是嵌入式系统选择的关键所在;品种多、体积小、成本低、集成度高;世界上的大型半导体生产公司和厂商均生产不同种类的嵌入式核心;目前嵌入式微处理器的类型总量超过1200种，流行的体系结构有30多个系列。冯·诺依曼体系结构哈佛体系结构CISC与RISC流水线技术嵌入式处理器基础冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单：执行一条指令所需的平均时钟周期CPI=一个程序的CPU时钟周期/该程序的指令数CPU时间=IC（指令数）XCPI/时钟频率时钟频率（周期）：由硬件技术决定CPI：由处理器组成和指令系统决定指令数：由指令系统和编译器决定处理器的性能评价MIPS：每秒百万条指令MIPS=指令数/（指令的执行时间X106）=时钟频率/（CPIX106）执行时间=指令数/（MIPSX106）MIPS依赖于指令集同一台机器的MIPS可能因程序而异MIPS可能不能反映处理器的性能处理器的性能评价MFLOPS：每秒百万次浮点运算次数MFLOPS=浮点运算次数/（浮点运算的时间X106）MFLOPS不能反映处理器的实际性能通常用来比较浮点运算器的性能Instruction数和Operation数可能不一致流水线技术流水线技术：几个指令可以并行执行•提高了CPU的运行效率•内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp指令流水线为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用3级流水线.允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指令寄存器读（从寄存器Bank）移位及ALU操作寄存器写（到寄存器Bank）PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb最佳流水线该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）指令周期数(CPI)=1操作周期123456ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchLDR流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5周期操作123456ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水线举例流水线被阻断注意:内核运行在ARM状态周期123450x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch流水线技术ⅢARM的流水线设计问题（1）缩短程序执行时间:提高时钟频率fclk减少每条指令的平均时钟周期数CPI（2）解决流水线相关:结构相关数据相关控制相关处理器的性能评价提高CPU性能的方法改进加工工艺减少CPU线宽改进硅材料采用铜线技术改进工作环境降低工作温度改进指令系统X86MMX3DNow20世纪80年代中后期20世纪90年代初期20世纪90年代中后期21世纪初期制作工艺1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主频33MHz100MHz200MHz600MHz晶体管个数500K2M5M22M位数8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit提高CPU性能的方法超流水线技术：细化流水,提高主频,使得机器在一个周期内完成一个甚至多个操作,其实质是用时间换取空间.超标量技术：通过内装多条流水线来同时执行多个处理。其实质就是以空间换取时间高速缓存超线程技术：在一颗CPU同时执行多个程序而共同分享一颗CPU内的资源多核技术：一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。嵌入式处理器的分类微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)嵌入式片上系统(SystemOnChip,SOC)微控制器的典型核心架构嵌入式微控制器的典型代表是单片机，特征是：可以在处理器所在集成电路（IC）上含有ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、看门狗、定时器、串行口、A/D等各种必要的功能和外部设备；第二，可以在同一个IC上含有某些程序和数据存储器；第三，可以提供能直接访问IC引脚的编程器；第四，可以为嵌入式系统常用的控制操作（例如位处理）提供专用指令。8051系列8位单片机MSP430系列16位单片机系列微控制器优点和缺点开发软件丰富；技术资料丰富，无需技术支持；货源充足；价格便宜；供电电压高，功耗大；总线外置，抗干扰能力差总执行速度慢；开发手段落后；系列微控制器优缺点供电电压低、功耗低；运算速度快；仿真、开发手段先进；片上资源丰富；抗干扰性能差；价格较高；指令占用存储空间较大；处理器的分类TI公司C2000C3000C4000C5000C6000AD公司ADSP21XXADSP2106XAT＆T公司Motorola公司NEC公司的典型核心架构DSP芯片全部采用改进的哈佛结构、总线分离的哈佛结构或超级哈佛结构，相比传统的冯-诺依曼结构具有更高的指令执行速度；采用多级流水线结构，提高了单位时间内执行指令的数量；有不同种类的独立总线并有配用的辅助寄存器，提高了数据和指令流的处理效率；具有针对快速卷积为基础运算的独立乘法器和加法器；处理器的架构图嵌入式处理器体系结构按体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWERPCX86SH系列EMBEDDEDMICROPROCESSORUNIT(EMPU)MIPSRISCSH/HPRISCARMRISCX86POWERPCARMxARMxxStrongARMXScaleARM7ARM9ARM9EARM10EARM1132Bit64BitM4K4KxPro24K5Kx20KcSH1SH2SH3SH4SH5186/386/486MotorolaIBM603ee300e500PPC405PPC44032Bit64BitIntelAMDVIATransmetaGeodeNehemiahEfficeonX86系列主要由AMD，Intel，NS，ST等公司提供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式K6，386EX、STPC等。主要应用在工业控制、通信等领域。国内由于对X86体系比较熟悉，得到广泛应用，特别是嵌入式PC的应用非常广泛。X86体系结构IntelX86体系结构AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode系列处理器CISC指令集INTEL的Xscale架构处理器•基于ARMV5TE体系结构•兼容ARMV5TEISA指令集（不支持浮点指令集）•在处理器内核周围提供了•指令和数据存储器管理单元•指令、数据和微小数据缓存•写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器•电源管理•性能监控•调试•JTAG单元以及协处理器接口•MAC协处理器•内核存储总线MPC/PPC系列Motorola（现Freescale半导体）推出的MPC系列，如MPC8XX。IBM推出PPC系列，如PPC4XX。主要应用在通信、消费电子及工业控制、军用装备等领域。处理器（1）独特分支处理单元可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。（2）超标量（Superscale）设计。分支单元、浮点运算单元和定点元算单元，每个单元都有自己独立的指令集并可独立运行。（3）可处理“字节非对齐”的数据存储。（（4）同时支持大端小端（Big\Little-Indian）数据类型。MPC/PPC系列IBMPowerPC集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。MotorolaMPC高度综合的SOC设备，它结合了PPC微处理器核心的功能、通信处理器和单硅成分内的显示控制器。这个设备可以在大量的电子应用中使用，特别是在低能源、便携式、图象捕捉和个人通信设备。技术0.25微米CMoSSA-12E282Dhrystone2.1MIPS@200MHz375Dhrystone2.1MIPS@266MHz200/100/66/50MHz266/133/66/66MHz晶体数量480万电源消耗1.1瓦信号I/O300温度范围-40到80度电源供应2.5V(逻辑电路),3.3V(I/O)，支持5VI/Os456-Ball,EnhancedPBGA(35mmx35mm)性能频率(CPU/SDRAM/PCI/EBC)封装PowerPC405GP技术规格*Dhrystone是一个综合性的基准测试程序，它是为了测试编译器和CPU处理整数指令和控制功能的有效性，人为地选择一些“典型指令综合起来形成的测试程序。MIPS简介MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无互锁流水级的微处理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)。其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。MIPS处理器是由斯坦福（Stanford）大学JohnHennery教授领导的研究小组研制出来的。PresidentofStanfordUniversity,USAComputerarchitecturebookuseMIPSasfoundationMIPS发展历程1984年MIPS计算机公司成立。1986年推出R2000处理器。1988年推出R30