第二章、嵌入式体系结构

1、第二章、嵌入式体系结构 n嵌入式指令集嵌入式指令集n嵌入式嵌入式CPUn存储器存储器nIO设计设计nSOC 设计嵌入式系统的第一步n确定指令系统，以指导选择嵌入式内核嵌入式微内核n嵌入式微处理器n嵌入式控制器n嵌入式DSPnSOC（在片系统）n本章介绍微处理器（ARM），DSP（SHARC）一、计算机体系结构n1、冯.诺依曼结构n五大部件：nALU，Controller, Memory, Input,Outputn核心部件：早期是CPU，后来是Memoryn存储程序(stored program)：程序以数字形式存在，可以与数据一样被读写n指令执行次序：n顺序n跳转n程序计数器Program

2、Counter（PC）2、哈佛体系结构n程序与数据有单独的存储器nPC只能指向程序存储器n目前仍然广泛应用n指令cache与数据cachen适用于实时信号处理（大部分的DSP）n大量数据流入计算机n数据必须在精确的时间内处理完成3、RISC与CISCnCISC：复杂指令系统计算机nRISC：精简指令系统计算机nRISC一般性能比CISC高4、汇编语言种类n1)堆栈型汇编nPush anPush bnAddnPop c2)累加器型汇编nLoad anAdd bnStore c3)通用寄存器型汇编nLoad $1, AnLoad $2, BnAdd $3, $1, $2nStore $3, C二、

3、ARM处理器n属于RISC体系n自己不制造VLSI设备，只提供授权nARM：只设计内核的英国公司ARM内核系列 ARM720TARM720T特性 Features: 32/16-bit RISC architecture (ARMv4T) Power-efficient three-stage pipeline 32-bit ALU and high-performance multiplier 8 KByte unified cache Memory Management Unit (MMU) Extensive debug facilities: Embedded ICE-RT real-

4、time debug unit JTAG interface unit Interface for direct connection to Embedded Trace Macrocell (ETM)集成ARM内核的芯片 ARM720TCirrus Logic公司EP7312 三星：应用于手持设备与网络设备 Intel：StrongArm系列&Xscale系列 Motorola：手持设备（由68改过来） Cirrus Logic：EP7312ARM内核 ARM内核被授权给数百家厂商 ARM主要应用于无线局域网、3G、手机、手持设备、有线网络通讯 应用形式：集成到专用芯片中作控制器AR

5、M体系结构nARM7采用冯.诺依曼体系nARM9采用哈佛体系n对汇编程序员透明ARM基本数据类型n两种：n32位长的字n4个8bit的字节地址n32位地址长度n可以配置为低序或者高序n 字的最低位放最低位字节（低序）n 字的最低位放最高位字节（高序）2.1 汇编书写模式n属于通用寄存器型（GPR）汇编nLoadStore结构n数据必须装载到寄存器才能运算nLoad从内存装到寄存器nStore从寄存器存储到内存ARM的寄存器n16个通用寄存器nr0r15nr15 同时做PCn1个特殊寄存器：当前程序状态寄存器CPSRn在进行运算时被自动设置CPSRn高四位为NZCVnN:负数nZ:为0nC：进位

6、nV：溢出2.2数据运算n1）寄存器型指令：nadd r0, r1, r2nr1寄存器的内容加r2寄存器的内容，存到r0算术运算nAdd加nAdc进位加nSub减nSbc进位减nRsb：逆减nRsc：进位逆减nMul：乘nMla：乘且累加逻辑运算nAnd：按位与nOrr：按位或nEOR：按位异或nBIC：位清除移位运算nLSL：逻辑左移（添0）nLSR：逻辑右移（添0）nASL：算术左移nASR：算术右移nROR：循环右移nRRX：带进位位的循环右移比较指令nCMP：比较nCMN：比较求反nTST：按位测试nTEQ：按位测试求反移动指令nMOV：移动nMVN：移动求反内存访问指令nLDR：装入

7、nSTR：存储nLDRH：装入半字nSTRH：存储半字nLDRSH：装入半个带符号字nLDRB：装入字节nSTRB：存储字节nADR：设置寄存器为地址2）立即数寻址nAdd r0, r1, #23）寄存器间接寻址nLDR r0, r1, #44）自动变址nLDR r0，r1, #16！nr1的内容加16，然后用这个新值作为地址5）后变址nLDR r0, r1, #16n把r1为地址的内存数据载入到r0，然后把r1的值加入16并把新值赋值给r16）例子：x=(a+b)-c;nADR r4, anLDR r0, r4nADR r5, bnLDR r1, r5nADD r3, r0, r1nADR

8、r4, cnLDR r2, r4nSUB r3, r3, r2nLDR r4, xnSTR r3, r42.3 控制流n1）B指令n分支指令n分支目标计算例子nB 100n表示当前程序计数器的值加上400。（100字长）2）条件码nEQ：等于0，Z1nNE：不等于0，Z0nCS：进位置1，C1nCC：进位清除：C0nMI：负数，N1nPL：非负数：N0nVS：溢出，V1nVC：非溢出：V0nHI：无符号大于，C1且Z0nLS：无符号小于或等于，C0或Z1nGE：有符号小于或等于，NVnLT：有符号小于，NVnGT：有符号大于，Z0且NVnLE：有符号小于或等于，Z1或NV3）例子：nIf (

9、a b )nnX=5;nY=c+d;nnElsenX=c-d;nADR r4, anLDR r0, r4nADR r4, bnLDR r1, r4nCMP r0, r1;a=b, goto fblocknMOV r0, #5nADR r4, xnSTR r0, r4nADR r4, cnLDR r0, r4nADR r4, dnLDR r1, r4nADD r0, r0, r1;a+bnADR r4, ynSTR r0, r4nB after;branch to endnfblock: ADR r4, cnLDR r0, r4nADR r4, dnLDR r1. r4nSUB r0, r0,

10、r1;a-bnADR r4, xnSTR r0,r4nafter:n同样c程序，用汇编可以写成不需要跳转的。n如下：ADR r4, aLDR r0, r4ADR r4, bLDR r1, r4CMP r0, r1;ab?MOVLT r0, #5ADRLT r4, xSTRLT r0, r4ADRLT r4, cLDRLT r0, r4ADRLT r4, dLDRLT r1, r4ADDLT r0, r0, r1;a+bADRLT r4, ySTRLT r0, r4ADRGE r4, cLDRGE r0, r4ADRGE r4, dLDRGE r1. r4SUBGE r0, r0, r1;a-b

11、ADRGE r4, xSTRGE r0,r42.4 函数nX=a+b;nFoo(x);nY=c-d;n汇编：nBL foo;分支链接n分支前将当前pc值存在r14中。返回只要nMOV r15, r14n调用过程必须注意不覆盖r14嵌套调用n上述方法不适用于嵌套调用n嵌套调用时，将返回地址存堆栈nVoid f1(int a)nnf2 (a);nnf1 LDR r0, r13nSTR r13!, r14nSTR r13!, r0nBL f2nSUB r13, #4nLDR r13!, r15三、SHARC处理器n使用哈佛结构的DSPn例子：nR1=DM(M0,I0), R2=PM(M8,I8);

12、!注释nLABEL: R3=R1+R2;n每条指令用分号结束，！开始为注释3.1存储器结构nSHARC指令48位n基本数据字32位n地址位32位n片上带大量的存储器n系列中的21061有1Mbit片上存储器n存储器包括nPM：程序存储器nDM：数据存储器n芯片外还能够加更多的存储器数据类型n32位IEEE单精度浮点n40位IEEE扩展精度浮点n32位整数n主要设计为浮点密集型运算n适用DSP改进的哈佛结构n程序存储器可以包含数据与指令n数据可以并行取出3.2 体系结构n整数操作使用R0到R15，16个整数寄存器n浮点操作使用F0到F15，16个浮点寄存器n所有数据都是40bit，如果32位数据

13、存储时，存在高32位三个数据功能单元n一个ALUn一个乘法器n一个移位器三个模式寄存器n算术状态（ASTAT）n粘着（STKY）n模式1（MODE 1）3.3 整数运算nRn=Rx+Ry加nRn=Rx-Ry减nRn=Rx+Ry+CI 进位加nRn=Rx-Ry+CI-1借位减nRn=(Rx+Ry)/2 平均nCOMP(Rx, Ry) 比较nRn=Rx+CI进位加nRn=Rx+CI-1借位加nRn=Rx+1加1nRn=Rx-1减1nRn=-Rx求反nRn=ABS Rx绝对值nRn=PASS Rx 将Rx拷贝到RnnRn=Rx and Ry 逻辑加nRn=Rx or Ry 逻辑或nRn=Rx xor

14、 Ry逻辑异或nRn=Not Rx逻辑非nRn=Min(Rx, Ry)求最小值nRn=Max(Rx, Ry)求最大值nRn=Clip Rx by Ry 在-Ry,Ry范围内截取Rx溢出处理n溢出导致最大范围的值n不是循环3.4 浮点运算nFn=Fx+FynFn=Fx-FynFn=ABS(Fx+Fy)nFn=ABS(Fx-Fy)nFn=(Fx+Fy)/2nCOMP(Fx, Fy)nFn=-FxnFn=ABS FxnFn=Pass FxnFn=RND Fx舍入nFn=Scalb Fx by Ry用Ry换算成Fx的指数nRn=Mant Fx提取Fx的尾数nRn=LOGB Fx把Fx的指数换算成整数n

15、Rn=FIX Fx, Rn= TRUNC Fx 将浮点转换成整数nRn=FLOAT Rx by Ry, FLOAT Rx 将整数换成浮点nFn=RECIPS Fx为倒数创建种子nFn=RSQRTS Fx为倒数平方根创建种子nFn=Fx COPYSIGN Fy把Fy的符号拷贝到FxnFn=Min(Fx, Fy)nFn=Max(Fx, Fy)nFn=Clip Fx by Fy3.5 SHARC的移位操作nRn=LSHIFT Rx by Ry逻辑移位Ry位nRn=Rn OR SHIFT Rx by Ry逻辑移位并逻辑或nRn=ASHIFT Rx by Ry算术移位nRn=Rn OR ASHIFT R

16、x by Ry算术移位并逻辑或nRn=ROT Rx by Ry循环移位Ry位nRn=BCLR Rx by Ry清Rx中的一位nRn=BSET Rx by RY设Rx中的一位nRn=BTGL Rx by Ry切换Rx中的1位nBTST Rx by Ry测试Rx中的1位nRn=FDEP Rx by Ry将Rx中的域累计进Rn中nRn=Rn OR FDEP Rx by Ry使用OR操作累计并符号扩展nRn=FEXT Rx by Ry提取Rx中的域nRn=EXP Rx提取指数域nRn=EXP Rx (Ex)从ALU中提取指数域nRn=LEFTZ Rx提取引导0的个数nRn=LEFTO Rx提取引导1的

17、个数nRn=FPACK Fx将32位浮点数转换为16位浮点数nRn=FUNPACK Rn 将16位浮点数转换为32位浮点数3.6 数操作状态位nASTAT中有AZ, AU, AN, AV, AC, AI, MN, MV, MU, MI, SZ, SV, SSnSTKY中溢出位AOS, MOS, MVS, MUS, MISn具体含义略3.7内存操作n装入存储体系结构n提供用来控制装入和存储的特殊寄存器n两个数据地址发生器（DAG)n一个是数据存储器n一个是程序存储器nDAG能够象对数组一样进行访问数据3.8 DAG寻址模式n1)最简单的立即值nR0=DM(0 x20000000）或者nR0=RM

18、(_a)或DM(_a)=R0n2)绝对地址n3)具有更新的后修改模式nR0=DM(I3, M1)nDM(I2,1)=R1n4)基址加偏移量寻址nR0=DM(M1,I0)n如I0=0 x20000000, M1=4n将0 x20000004数据装入R0n5）循环缓冲区n6）反位寻址n应用于FFT3.9 程序例子nX=(a+b)-cnR0=DM(_a);nR1=DM(_b);nR3=R1+R2;nR2=DM(_c);nR3=R3-R2;nDM(_x)=R33.10 控制流nJUMP foo跳转到foon三种寻址方式n直接寻址n间接寻址n相对PC寻址n条件跳转eg：nIF GT JUMP foo；SHARC分支条件nEQALU=0nLTALU0nLEALUb)ny=c-d;nElseny=c+d;可并行执行的汇编nR1=DM(_a);nR8=DM(_b);nR2=DM(_