嵌入式系统设计基本概念

嵌入式系统设计与实例开发第二章嵌入式系统设计基本概念主要内容•2.1嵌入式硬件系统•2.2嵌入式软件系统•2.3嵌入式系统的基本设计过程•2.4选择的软硬件平台•RISC和CISC•冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构•流水线•嵌入式微处理器体系结构•总线嵌入式系统硬件基础CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变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)只包含最有用的指令，指令长度固定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CISC工作方式微程序计数器微程序存储器地址选择逻辑+1指令单元控制单元数据通路PC控制存储器状态RISC工作方式状态寄存器输出和状态逻辑硬件指令寄存器控制单元数据通路ALU控制存储器状态指令Cache寄存器文件指令CacheCISC的背景和特点•背景:存储资源紧缺,强调编译优化•增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现•为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少•寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器•采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列•指令越复杂，CPI越大。CISC的主要缺点•指令使用频度不均衡。–高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。•大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺–VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。•软硬功能分配–复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。•不利于先进指令级并行技术的采用–流水线技术RISC基本设计思想•减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle•精简指令集：保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令•采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式•采用硬接线控制代替微程序控制RISC的提出与发展•Load/Store结构提出：CDC6600(1963)--CRAY1(1976)•RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。•1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。•1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。•85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARCV1(1987)典型的高性能RISC处理器•SUN公司的SPARC(1987)•MIPS公司的SGI:MIPS(1986)•HP公司的PA-RISC,•IBM,Motorola公司的PowerPC•DEC、Compac公司的AlphaAXP•IBM的RS6000(1990)第一台SuperscalarRISC机CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼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CPU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地址指令地址数据流水线技术流水线(Pipeline)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—以ARM为例•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超标量执行超标量(Superscalar)执行：超标量CPU采用多条流水线结构执行1取指指令译码2译码1执行2执行1取指译码2译码1执行2流水线1流水线2数据回写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•ARM公司的ARMRISC处理器–ARM7Thumb家族–ARM9Thumb家族–ARM10Thumb家族–ARM11Thumb家族IntelStrongARM•StrongARM110•StrongARM1100•StrongARM1110•StrongARM1111INTEL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MIPS•从1986年推出R2000处理器以来，MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。•之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。•1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。•此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。MIPSRISCMIPS•在MIPS的32位内核中–4K系列对应于SOC应用设计；–M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPUSOC所设计；–4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标；–4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；•5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核–5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。–20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。MIPS•在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量•2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。•在目前快速增长的比如CableModem、DSLModem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。•MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商PowerPC体系结构•Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑•IBM–PowerPC750–PowerPCG3•Motorola–MPC–MCX86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SH体系结构•SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器•SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期•为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间•1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。•SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。•此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。•在美国，SH系列占有较大的市场份额•型号–SH1-4（32位）–SH5(64位)2.1.1嵌入式处理器•嵌入式微处理器一般具备四个特点：对实时和多任务有很强的支持能力；具有功能很强的存储区保护功能；可扩展的处理器结构，以能迅速地扩展出满足应用的高性能的嵌入式微处理器；嵌入式处理器的功耗必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗只能为mW甚至μW级。2.1.1嵌入式处理器•嵌入式系统中的处理器通常分为四大类：–微处理器（Micro-ProcessorUnit，MPU）–微控制器（Micro-ControllerUnit，MCU）–数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）–嵌入式片上系统（SystemOnChip，SoC）2.1.1嵌入式处理器•1.嵌入式微处理器–嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。–嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。2.1.1嵌入式处理器•2.嵌入式微控制器–嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成存储器（少量ROM/EPROM、RAM或两者都有）、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口等各种必要功能模块。2.1.1嵌入式处理器•2.嵌入式微控制器–和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。2.1.1嵌入式处理器•3.嵌入式数字信号处理器–嵌入式数字信号处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。–在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以