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RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 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（Reduced Instruction Set Computer) 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,RISC工作方式,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 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,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,Add,Sub,Cmp,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,Fetch,Decode,Execute,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 ）,PC PC,PC - 4 PC-2,PC - 8 PC - 4,ARM Thumb,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,1 2 3 4 5 6,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,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,周期,操作,1 2 3 4 5 6,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Data,Writeback,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,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,1 2 3 4 5,地址 操作,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,Decode,Execute,Linkret,Adjust,Fetch,Decode,Fetch,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 POWER PC X86 SH系列,ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族 ARM 9 Thumb 家族 ARM 10 Thumb 家族 ARM 11 Thumb 家族,Intel StrongARM,StrongARM 110 StrongARM 1100 StrongARM 1110 StrongARM 1111,INTEL的Xscale架构处理器,基于ARM V5TE体系结构 兼容ARM V5TE ISA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。,MIPS RISC,MIPS,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CPU SOC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Cable Modem、DSL Modem、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 MC,X86体系结构,Intel X86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W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-Processor Unit，MPU） 微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP） 嵌入式片上系统（System On Chip，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