嵌入式技术及应用-2g.ppt

嵌入式处理器基础 冯·诺依曼体系结构 哈佛体系结构 CISC与RISC 流水线技术 处理器的性能评价 CPI：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）X CPI /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 X 106） =时钟频率/（CPI X 106 ） 执行时间=指令数/（MIPS X 106 ） 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 X 106） 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 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 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 流水线技术Ⅲ ARM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 X86 MMX 3DNow 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)。 嵌入式处理器体系结构 按体系结构的不同可分为五大类 ARM MIPS POWER PC X86 SH系列 X86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 Intel X86体系结构 AMD必威体育精装版的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 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。 MPC/PPC系列 IBM PowerPC 　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。 Motorola MPC 　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。 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”(Microprocessor without interlocked piped stages)。 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John Hennery教授领导的研究小组研制出来的。 President of Stanford University, USA Computer architecture book use MIPS as foundation MIPS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R3000处理器。 1989年 IPO as MIPS Computer Systems, 专注于 workstations 1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。 1992年，SGI收购了MI