嵌入式技术与ARMCPU

1、嵌入式技术和ARM处理器 Embedded Technology And ARM CPU冉冉 全全 嵌入式系统的概念 IEEE对嵌入式系统的定义： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant. “控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。 嵌入式简单的

2、讲就是把微处理器嵌入各种电子设备内部，实现设备的智能化。goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album 一些典型的嵌入式系统应用实例一些典型的嵌入式系统应用实例嵌入式技术：开发嵌入式系统的技术嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的大脑，决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序，把硬件功能发

3、挥到极至。如人的手、脚、神经等部位，决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。嵌入式系统硬件组成嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备 嵌入式微处理器指令系统CISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/28/2原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC

4、RISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定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确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器算逻单元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算逻单元输入输出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地址指令地址数据总

5、线 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中。 从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线和片内总线。 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。存储器嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存。大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电后在主存中的代码直接运行。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息。存储器分层结构寄存器高速缓存SRAM主存储器SDRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 Flash、ROM、磁盘时钟周期01101010020,000,000嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器种

6、类繁多，按位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP和通用的嵌入式微处理器两种： 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛结构，程序和数据分开存储，采用一系列措施保证数字信号的处理速度。 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。 嵌入式微处理器的性能低端（低价，低性能） 一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的应用系统中。 中档，低功耗 中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加时钟频

7、率、加深流水深度、增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持低功耗。 高端 高端嵌入式微处理器用于高强度计算的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度. X86系列(CISC)Motolora系列ARM系列MIPS系列SH/HP-RISC等系列X86系列起源于Intel架构的8080，发展出286、386、486，直至现在的P4、Athlon和AMD的64位处理器。今天的Pentium和当初的8080使用相同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。例：486DX；Geode SP1SC10；STPC。386EX和80188/186系列目前国内在工业控制、通信领域的应用很广。 Mo

8、torola系列处理器 Motorola公司是世界著名的处理器制造商，其CPU抗干扰能力强，适合工业控制/军方应用，MC68000微处理器占有美国军方市场的70%，由此可见其产品的可靠性和稳定性之高。另外QUICC系列通信处理器功能强大，在通信产品中获得广泛应用。MIPS Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 一种处理器内核的标准，由MIPS技术公司开发。 MIPS技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式32位、64位处理器的厂商。机顶盒设备、视频游戏机、Cisco路由器、激光打印机。 ARM系列微处理器 ARM（Advanc

9、ed RISC Machines）是一个CPU内核。ARM公司自己并不生产或销售芯片，它采用技术授权模式，通过出售芯片技术授权，收取授权费与技术转让费。 RISC：Reduced Instruction Set Computer ARM 公司作为16/32位处理器内核的提供者，拥有100多家半导体合作伙伴，ARM core是目前消费类电子市场中市场占有量第一的CPU体系。 随着ARM/MIPS/ARC等成熟内核的推出，很多过去没有32位CPU研发能力的半导体公司进入这一行列。 ARM公司以知识产权核为主营业务 IP核以三种形式存在。硬核软核固核 ARM公司研发的处理器核以上面的三种形式销售AR

10、M公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例：服务付款技术支持ARM公司的IP销售与服务 ARM发展简史 1978年，ARM前身Acorn成立。1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（简称ARM公司）。 20世纪90年代至今，ARM 32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位

11、。 如今成了移动计算的领导者，并把触角伸向上网本等传统计算机领域。 ARM处理器系列产品概况ARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。ARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。SecurCore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的。来自于合作伙伴的产品例如：早期Intel ，现在的三星，TI，高通，华为等ARM Cortex基本介绍ARM Cortex系列以哈佛式RISC架构为基础，采用适度的硅封装工艺获得更高性能，以及代码和内存效率。

12、该架构在过去十年间大有进展，扩展出了三种不同的子系列，以满足特定应用的需求： A型系列处理器针对高效能开放应用平台而优化设计。 R型系列处理器注重提升实时应用的性能和可靠度。 M型系列处理器特别为采用嵌入式MCU的应用而设计，其性能必须在能源效率和降低解决方案成本之间加以平衡。适用于Cortex M系列的常见应用包括智能电表、人机接口设备、汽车与工业控制系统、白色家电、消费电子产品和医疗器材等。ARM Cortex-A 系列处理器ARM Cortex-A 系列应用处理器产品线横跨了好几代: Cortex-A8ARM 在 2005 年向市场推出 Cortex-A8 处理器，是第一款支持 ARMv

13、7-a 架构的处理器。Cortex-A8 是 ARM 实现的第一个基于新ISA(指令集架构)的超标量处理器：它实现了完全双发射流水线，这意味着 Cortex-A8 能够同时发出在指令流中先后出现的任何两个没有数据依赖的指令。但是，它不能乱序来发射或撤销指令 该功能在之后的设计中才被实现。当推出 Cortex-A8 时，很多人认为这款处理器放在移动电话上是大材小用，他们很自然地质疑道，“客户会在手机上浏览互联网？不太可能吧。”当 Cortex-A8 在 2008 年投入批量生产时，高带宽无线连接 （3G ） 已经问世，大屏幕也用于移动设备。创新的移动行业充分利用了该产品。Cortex-A8 芯片

14、的推出正好赶上了智能手机出货量猛增的大好时机。 Cortex-A9推出 Cortex-A8 之后不久，ARM 又推出了首款多核 ARMv7 CPU：Cortex-a9。Cortex-A9 利用硬件模块来管理 CPU 集群中一至四个核心之间的高速缓存一致性，加入了一个外部二级高速缓存。在2011 年底和 2012 年初，当移动 SoC 设计人员可以采用多个核心之后，提高性能的突破点从提高单核性能转移到提高核的数量。旗舰级高端移动 CPU迅速从最初的双核拓扑结构移至四核 Cortex-A9。除了开启了多核性能大门之外，与 Cortex-A8 相比，每个 Cortex-A9 处理器的单时钟周期指令吞

15、吐量提高了大约 25%。这个性能的提升是在保持相似功耗和芯片面积的前提下， 通过缩短流水线并乱序执行以及在流水线早期阶段集成neon SIMD 和浮点功能而实现的。 Cortex-A15随着智能手机市场开始加速发展，ARM 再次预见到了不断发展的移动系统对芯片性能提出的更高要求。为此ARM开发了一款性能上大幅提升的处理器，用以专门针对新的高端移动市场。在已经非常强大的 Cortex-A9 的基础上，ARM 凭借 Cortex-a15 又将性能提高了 50% 以上。此外，Cortex-A15 引入了一系列架构扩展，从而实现了更大物理地址空间、硬件虚拟化支持和扩展一致性。Cortex-A15 集群

16、集成了监听控制单元 （SCU） 以实现硬件一致性，每个集群包含一至四个 CPU 核心，并集成二级高速缓存控制器 。 Cortex-A15 之后的所有 ARM Cortex-A 系列 CPU 都沿用了这种拓扑结构。 一致性扩展机制， 使所谓的big.little的 SoC成为可能。在 big.LITTLE 系统中，通常实现一个“大”CPU 集群，并对其进行调节以满足高性能的要求，同时对“小”的 CPU 集群进行调节，满足对高能效的需要。 在典型工作负载中，LITTLE 处理器可以处理绝大部分工作，而“big”CPU 集群的激活时间不足 10%，在很多情况下还达不到总 CPU 运行时间的 1%。通

17、过 CoreLink 高速缓存一致性互连组件，CPU 集群能够监听其他集群的高速缓存，从而实现软件线程从一个集群到另一集群的快速转移。 Cortex-A12随着智能手机市场的爆炸式增长，SoC 供应商和 OEM 将该市场划分为旗舰高端级别、中端级别、低成本入门级别。随着这些细分市场的出现，ARM 开始定义专门针对上述三个级别市场的不同处理器。Cortex-A12 是采用全新微架构的一个全新处理器，专门面向快速发展的中端移动市场，以满足这一细分市场对于芯片面积和功耗的要求。它使用无序双执行流水线，其性能比许多中端移动 SoC 中使用的 Cortex-A9 高出 40%。Cortex-A12 在

18、2013 年中推向市场，它是一款 32 位处理器，具有与 Cortex-A15 相同的物理地址扩展和相关的架构特性。Cortex-A12 能够在很多（但并非全部）用例中提供接近 Cortex-A15 的性能。Cortex-A12 还针对中端移动设计进行了优化，取消了一些企业功能，使用略微简单的流水线，因此在横跨多个市场的高端设备上可以找到Cortex-A15的身影，而 Cortex-A12 则专门面向中端移动设计。 Cortex-A57Cortex-A57 是 ARM 针对 2013 年、2014 年和 2015 年设计起点的 CPU 产品系列的旗舰级 CPU，它采用 ARMv8-A 架构，提

19、供 64 位功能，而且通过 Aarch32 执行状态，保持与 ARMv7 架构的完全后向兼容性。在高于 4GB 的内存广泛使用之前，64 位并不是移动系统真正必需的，即便到那时也可以使用扩展物理寻址技术来解决，但尽早推出 64 位，可以实现更长、更顺畅的软件迁移，让高性能应用程序能够充分利用更大虚拟地址范围来运行应用程序，例如视频编辑、照片编辑和增强现实。新架构可以运行 64 位操作系统，并在操作系统上无缝混合运行 32 位和 64 位应用程序。ARMv8 架构可以实现状态之间的轻松转换。除了 ARMv8 的架构优势之外，Cortex-A57 还提高了单个时钟周期性能，比高性能 的Cortex

20、-A15 CPU 还高出了 20% 至 40%。它还改进了二级高速缓存的的设计以及内存系统的其他组件，极大的提高了能效。Cortex-A57 为移动系统提供前所未有的高能效性能水平，而借助 big.LITTLE，SoC 能以很低的平均功耗做到这一点。 高效率产品线：高效率产品线：Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A53随着智能手机市场的崛起，最先出现的市场是入门级市场。在 Cortex-A9 发布之后不久，ARM 试图开发一款处理器来满足这一市场需求，这款产品的尺寸和功耗与旧款 ARM926 等功能性手机处理器大致相同，但性能高于在第一代智能手机中使用的 ARM11 系列。

21、2009 年，ARM发布了 Cortex-A5，该设计通过有序单执行 8 级流水线实现了上述目标。这种简单流水线设计，可将功耗保持在非常低的水平。而简化的功能集，造就了ARM 有史以来最高效的（指每 mW 性能）处理器。在 Cortex-A5 取得成功的基础上ARM又设计了目前已在入门级智能手机中得到大量应用Cortex-A7 处理器，形成了一个充满活力的智能手机处理器细分市场。Cortex-A7 通过添加部分双执行，增加TLB 和内存结构，同时集成二级高速缓存，将单时钟周期性能提高了 20%。高能效 CPU 产品线的最新成员Cortex-A53利用了相同的 8 级有序流水线，但通过多种方式显著提升了性能，包括完全双执行流水线、更宽的内部总线、增强浮点和 SIMD 吞吐容量、更大的TLB，以及其他对存储器系统的