L3-嵌入式处理器与ARM概述

2023/1/151嵌入式处理器综述嵌入式处理器基础冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RICS影响CPU性能的几个因素嵌入式处理器的类型MPU(Micro-ProcessorUnit)MCU(Micro-ControllerUnit)DSP(DigitalSignalProcessor)SOC(SystemOnChip)嵌入式处理器典型例子2023/1/152冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器限制器运算器输入输出中心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地址指令/数据2023/1/153冯·诺依曼体系结构的特点数据与指令都存储在存储器中被大多数计算机所接受ARM7——冯诺依曼体系2023/1/154哈佛体系结构指令寄存器限制器运算器输入输出中心处理器程序存储器指令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2023/1/155哈佛体系结构的特点程序存储器与数据存储器分开供应了较大的数据存储器带宽适合于数字信号处理大多数DSP都是哈佛结构ARM9是哈佛结构2023/1/156CISC和RISCCISC：困难指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令，指令长度不固定8/2原则：80%的程序只运用20%的指令大多数程序只运用少量的指令就能够运行更多的专用寄存器RISC：精简指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中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洁Load-store结构，只处理寄存器的数据，更多的通用寄存器2023/1/157指令的执行周期T取指令（InstructionFetch)：TF指令译码（InstructionDecode）：TD执行指令（InstructionExecute）：TE每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE2023/1/158削减CPI是RISC思想的精华程序执行时间的计算公式：P=I·CPI·T其中：P是执行这个程序所运用的总的时间；

I是这个程序所需执行的总的指令条数；

CPI(CyclesPerInstruction)是每条指令执行的平均周期数；T是一个周期的时间长度。RISC的速度要比CISC快3倍左右，关键是RISC的CPI减小了2023/1/159影响CPU性能因素(1)：流水线流水线技术：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淌译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp2023/1/1510影响CPU性能因素(2)：超标量超标量执行超标量CPU接受多条流水线结构执行1预取指令CACHE译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流水线1流水线2数据2023/1/1511影响CPU性能因素(3)：高速缓存为什么接受高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多高速缓存可以提高内存的平均性能高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址2023/1/1512总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备低速总线低速设备2023/1/1513嵌入式处理器综述嵌入式处理器基础冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RICS影响CPU性能的几个因素嵌入式处理器的类型MPU(Micro-ProcessorUnit)MCU(Micro-ControllerUnit)DSP(DigitalSignalProcessor)SOC(SystemOnChip)嵌入式处理器典型例子2023/1/1514嵌入式处理器分类嵌入式微处理器MPU嵌入式微限制器MCUDSP处理器片上系统SOC2023/1/1515嵌入式微处理器MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演化而来与计算机处理器不同的是，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求一个单片的大规模集成电路(VLSI)芯片，除了集成有中心处理单元(CPU)之外，往往还有高速缓存、浮点处理单元、指令流水线和超标量单元等其它电路2023/1/1516嵌入式微限制器嵌入式微限制器的典型代表是单片机微限制器也是单片的大规模集成电路，除去基本的计算实力之外，内部还集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设微限制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于限制，因此称为微限制器2023/1/1517嵌入式DSP处理器特地应用在须要数字信号处理的场合特点(结构和指令系统两方面)：哈佛结构或者增加的哈佛结构，可以同时从内存中读取指令和数据进行运算，大大加快了处理速度对指令系统也进行了特殊的设计，指令的编译效率和执行速度都得到提高2023/1/1518嵌入式片上系统SOCSoC是在一个芯片上由于广泛运用预定制模块IP(IntellectualProperty)而得以快速开发的集成电路。它结合了很多功能区块，将功能做在一个芯片上，例如ARMRISC、MIPSRISC、DSP等微处理器核心，加上通信的接口单元，例如USB、TCP/IP通信单元、GPRS、GSM通信接口、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各自功能做成独立的处理芯片2023/1/1519嵌入式处理器综述嵌入式处理器基础冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RICS影响CPU性能的几个因素嵌入式处理器的类型MPU(Micro-ProcessorUnit)MCU(Micro-ControllerUnit)DSP(DigitalSignalProcessor)SOC(SystemOnChip)嵌入式处理器典型例子2023/1/1520常用通用嵌入式处理器种类目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWERPCX86SH系列2023/1/15212023/1/1522嵌入式处理器运用调查WhatCPUswereusedinyourembeddedprojectsduringthepasttwoyears?Whichwillbeusedduringthenexttwo?ARM处理器概述Arm公司简介Arm微处理器的应用领域及特点Arm架构的版本发展2023/1/1524Arm公司简介成立于1990年11月前身为Acorn计算机公司AdvanceRISCMachine(ARM)主要设计ARM系列RISC处理器内核授权ARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴ARM公司不生产芯片也不销售芯片IP(IntellectualProperty)：是那些己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的IC模块也供应基于ARM架构的开发设计技术软件工具,评估板,调试工具,应用软件,总线架构,外围设备单元，等等2023/1/1525Arm公司合作伙伴2023/1/1526Arm-32位嵌入式处理器的老大地位迄今为止，还没有任何商业化的IP核交易和运用达到ARM的规模据统计，全球有103家巨型IT公司在接受ARM技术，20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括TI，意法半导体，Intel等。ARM系列芯片广泛应用于各种领域，成为世界上销量最大的32位微处理器ARM处理器概述Arm公司简介Arm微处理器的应用领域及特点Arm架构的版本发展2023/1/1528Arm微处理器的应用领域工业限制领域无线通讯领域网络应用消费类电子产品成像和平安产品汽车电子领域2023/1/1529Arm微处理器的特点接受RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb/ARM双指令集，能很好的兼容8位／16位器件；大量运用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵敏简洁，执行效率高；指令长度固定（固定的32位指令)ARM处理器概述Arm公司简介Arm微处理器的应用领域及特点Arm架构的版本发展2023/1/1531Arm体系结构版本(1)版本ARM处理器系列特点ARMv1ARM1该版体系结构只在原型机ARM1出现过，没有用于商业产品。基本性能：（1）基本的数据处理指令（无乘法）（2）26位寻址ARMv2ARM2和ARM3该版体系结构对ARMv1版进行了扩展，版本ARMv2a是v2版的变种，ARM3芯片采用了ARMv2a。ARMv2版增加了以下功能：（1）32位乘法和乘加指令（2）支持32位协处理器操作指令（3）快速中断模式2023/1/1532Arm体系结构版本(2)ARMv3ARMv3MARM6ARM7DIARM7MARMv3版体系结构对ARM体系结构作了较大的改动：（1）寻址空间增至32位（4GB）（2）独立的当前程序状态寄存器CPSR和程序状态保存寄存器SPSR，保存程序异常中断时的程序状态，以便于对异常的处（3）增加了异常中断（Abort）和未定义两种处理器模式（4）增加了MMU支持（5）ARMv3M增加了有符号和无符号长乘法指令ARMv4ARMv4TStrongARMARM7TDMIARM9TARMv4版体系结构是目前应用最广的ARM体系结构，在v3版上作了进一步扩充，指令集中增加了以下功能：（1）增加了系统模式（2）增加了16位Thumb指令集（3）完善了软件中断SWI指令的功能（4）不再支持26位寻址模式2023/1/1533Arm体系结构版本(3)ARMv5TEARMv5TEJARM9EARM10EXscaleARM7EJARM926EJARMv5版体系结构在ARMv4版基础上增加了一些新的指令，包括：（1）增加ARM与Thumb状态之间切换的指令（2）增强乘法指令和快速乘累加指令（3）增加了数字信号处理指令（ARMv5TE版）（4）增加了Java加速功能(ARMv5TEJ版）ARMv6ARM11ARMv6版体系结构是2001年发布的，首先在ARM11处理器中使用。此体系结构在ARMv5版基础上增加了以下功能：（1）Thumb2增强代码密度（2）SIMD增强媒体和数字处理功能（3）TrustZone提供增强的安全性能（4）IEM提供增强的功耗管理功能2023/1/1534Arm体系结构版本(4)ARMv7Cortex系列ARMv7版体系结构定义了3种不同的微处理器系列：（1）A系列为面向应用的微处理器核，支持复杂操作系统和用户应用（2）R系列为深度嵌入的微处理器核，针对实时系统应用（3）M系列为微控制核，针对成本敏感的嵌入式控制应用2023/1/1535ARM体系结构命名规则（1）ARM产品通常以下面形式出现：

ARM[x][y][z][T][D][M][I][E][J][F][-S]后缀变量含义x系列号，如ARM7、ARM9y存储管理／保护单元zCacheTThumb指令集DDebug，内含JTAG调试器M长乘法指令I嵌入式ICE（In-Circuit-Emulator）E增强型的DSP指令JJazelle加速F向量浮点单元-S可综合的软内核2023/1/1536ARM7TDMI之后的全部ARM内核，即使“ARM”标记后没有包含TDMI字符，也都默认包含了TDMI的功能特性JTAG是由IEEE1149