第二章嵌入式系统的基本知识.pptVIP

嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备 嵌入式系统硬件基础 冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 RISC和CISC 流水线 信息存储的字节顺序 嵌入式微处理器体系结构 总线 高速输入输出接口 输入输出设备 存储器 嵌入式微处理器 每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器 嵌入式微处理器体系结构可采用冯?诺依曼（Von Neumann）结构或哈佛（Harvard）结构 1、存储器结构—— 冯－诺依曼体系结构与哈佛体系结构 哈佛体系结构 ?冯.诺曼结构处理器指令流的定时关系示意图 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 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 LDR 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 分支流水线举例 流水线被阻断 注意:内核运行在ARM状态 超流水线 超流水线（superpiplined）是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水线就长达14步。将流水线设计的步（级）数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。  流水线技术中涉及到的两个问题 相关：在一个流水线系统中，如果第二条指令需要用到第一条指令的结果，这种情况叫做相关。 目前解决这个问题的方法是乱序执行。 条件转移 分支预测技术 CISC与RISC的数据通道 CISC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 CPI ５，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SPARC V1(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Alpha AXP IBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 CISC与RISC的对比 信息存储的字节顺序 以32位的ARM微处理器为例 ARM体系结构将存储器看作是从零地址开始的字节的线性组合。 从零字节到三字节放置第一个存储的字数据，从第四个字节到第七个字节放置第二个存储的字数据，依次排列。 作为32位的微处理器，ARM体系结构所支持的最大寻址空间为4GB。 ARM存储数据类型 ARM处理器支持以下六种数据类型： 8位有符号和无符号字节。 16位有符号和无符号半字，以2字节的边界对齐。 32位有符号和无符号字，以4字