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1、嵌入式系统与软件2 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2嵌入式硬件系统组成 l嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心为核心l主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入输入/输出接口和设备组成输出接口和设备组成3嵌入式微处理器的体系结构l嵌入式微处理器体系结构可采用嵌入式微处理器体系结构可采用冯冯 诺依曼诺依曼(Von(Von Neumann)Neumann)结构结构或或哈佛哈佛(Ha
2、rvard)(Harvard)结构结构l冯冯 诺依曼结构：诺依曼结构：指令和数据存放在同一存储器指令和数据存放在同一存储器中，数据线与指令线分时复用，取指令和取数据中，数据线与指令线分时复用，取指令和取数据不能同时进行，速度受限。不能同时进行，速度受限。l哈佛结构：哈佛结构：指令和数据存放在不同的存储器中，指令和数据存放在不同的存储器中，指令计数器指令计数器PCPC只指向指令存储器，而不指向数据只指向指令存储器，而不指向数据存储器，数据线和指令线分离，因此取指和取数存储器，数据线和指令线分离，因此取指和取数据可同时进行，速度较快。据可同时进行，速度较快。4冯.诺依曼体系结构处理器代码区指令1指
3、令2.数据区数据1数据2.地址总线指令、数据处理器指令1指令2.数据1数据2.地址总线程序存储区数据存储区指令地址总线数据哈佛体系结构5嵌入式微处理器的指令系统l指令系统可采用指令系统可采用精简指令集系统精简指令集系统RISCRISC或或复杂指令集系统复杂指令集系统CISCCISC6类别类别CISCRISC指令系统指令数量很多相对较少执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器多为单周期指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样寻址方式较简单操作可以对存储器和寄存器进行运算和操作仅Load/Store指令可以
4、对存储器进行操作，其余指令只能对寄存器进行运算和操作编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序7嵌入式微处理器l经过近经过近2020年的发展，嵌入式微处理器的集成度、主年的发展，嵌入式微处理器的集成度、主频、位数都得到了提高频、位数都得到了提高 20世纪世纪80年年代中后期代中后期20世纪世纪90年年代初期代初期20世纪世纪90年年代中后期代中后期21世纪初期世纪初期制作工艺制作工艺1-0.8 m0.8-0.5 m0.50.35 m0.25-0.13 m主频主频33MHz100MHz200MHz500K2M5M22M位数位数8/16bit8/16/32b
5、it8/16/32bit8/16/32/64bit8嵌入式微处理器分类l按位数可分为按位数可分为4 4位、位、8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位。位。l1616位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌入式微控制器（入式微控制器（MCUMCU）。）。l3232位以上的称为嵌入式微处理器。位以上的称为嵌入式微处理器。9嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类l按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种：按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种：l嵌入式微处理器：嵌入式微处理器：由通用计算机的由通用计算机的CPUCPU演变而来，不同的演变而来，不同的是只保留了和嵌入式
6、以后能够用紧密相关的功能硬件，去是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件，去除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路，减小除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路，减小了体积和功耗。了体积和功耗。l嵌入式微控制器嵌入式微控制器：又称单片机，一般以一种微处理器为核：又称单片机，一般以一种微处理器为核心，片内集成了心，片内集成了ROMROM、EPROMEPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定、总线、总线逻辑、定时器、计数器、时器、计数器、I/OI/O等。等。l嵌入式嵌入式DSPDSP处理器：处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构，专用于数字信号处理，采用哈佛结构，采用一系列措施
7、保证数字信号的处理速度，如对采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFTFFT（快（快速傅立叶变换）的专门优化。速傅立叶变换）的专门优化。l嵌入式片上系统嵌入式片上系统SoCSoC：又系统级芯片，在一个硅片上实现：又系统级芯片，在一个硅片上实现了一个更为复杂的计算机系统。了一个更为复杂的计算机系统。10嵌入式微处理器的特点l基础是通用微处理器基础是通用微处理器l与通用微处理器相比其区别：与通用微处理器相比其区别：-体积小、重量轻、成本低、可靠性高体积小、重量轻、成本低、可靠性高-功耗低功耗低-工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强 11嵌入式微处理器的
8、特点l集成度高（集成度高（Higher IntegrationHigher Integration）-嵌入式微处理器除了集成嵌入式微处理器除了集成CPUCPU核心、核心、CacheCache、MMUMMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、如中断控制器、DMADMA、定时器、定时器、UART(UART(通用异步收通用异步收发器，功能：将计算机内部传送的并行数据转换发器，功能：将计算机内部传送的并行数据转换为输出的串行数据流，而将外部送来的串行数据为输出的串行数据流，而将外部送来的串行数据流转换为字节，供计算机使用流转换为字节，供计
9、算机使用)等。等。-这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求，一这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求，一块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。更低，功耗更少。12l集成度高（集成度高（Higher IntegrationHigher Integration）l嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的，在组件的数目和种类是由它的市场定位决定的，在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括最普通的情况下，嵌入式微处理器包括:片内存储器片内存储器:大多数嵌入式微处理
10、器都具有大多数嵌入式微处理器都具有外部存储器的控制器，外设接口外部存储器的控制器，外设接口(串串/并口并口)LCDLCD控制器控制器:面向终端类应用面向终端类应用中断控制器，中断控制器，DMADMA控制器，协处理器，定时器，控制器，协处理器，定时器，A/DA/D、D/AD/A转换器转换器总线总线 多媒体加速器多媒体加速器:当高级图形功能需要时当高级图形功能需要时嵌入式微处理器的特点13l集成外围逻辑芯片目前有两种方式集成外围逻辑芯片目前有两种方式:单芯片方式（单芯片方式（Single ChipSingle Chip）：如）：如44B0X44B0X是用是用于终端类应用的于终端类应用的 芯片组方式
11、（芯片组方式（Chip SetChip Set）：由微处理器主芯）：由微处理器主芯片和一些从芯片组成。片和一些从芯片组成。主芯片提供计算和基主芯片提供计算和基本外围设备的控制功能本外围设备的控制功能，从芯片加入了新的，从芯片加入了新的接口接口(LCD(LCD控制器、红外线接口、触摸屏功能控制器、红外线接口、触摸屏功能块等块等)。嵌入式微处理器的特点14l体系结构体系结构(Architecture)(Architecture)-算术格式（算术格式（Arithmetic FormatArithmetic Format）：）：大多数的嵌入式微处理器使用定点算法大多数的嵌入式微处理器使用定点算法（fi
12、xed-point arithmeticfixed-point arithmetic），这样的），这样的芯片比浮点版本的芯片便宜。芯片比浮点版本的芯片便宜。当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式实现浮点运算。可采用软件模拟的方式实现浮点运算。嵌入式微处理器的特点15l体系结构体系结构(Architecture)(Architecture)l功能单元（功能单元（Functional UnitsFunctional Units）:大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元，大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元，典型的是包含一个典型的是包含一个
13、ALU(ALU(算术逻辑单元，用来进行算术逻辑单元，用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作算术或逻辑运算以及位移循环等操作)、移位器和、移位器和MACMAC（乘加运算）（乘加运算）处理器通常用一条指令完成乘法操作。处理器通常用一条指令完成乘法操作。l流水线（流水线（PipelinePipeline）:现现在在某某些些嵌嵌入入式式处处理理器器中中同同样样采采用用了了分分支支预预测测技技术。术。嵌入式微处理器的特点16l指令集指令集(Instruction Set)(Instruction Set)-为为满满足足应应用用领领域域的的需需要要，嵌嵌入入式式微微处处理理器器的的指指令令集集一一般般要
14、针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。-许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令，如许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令，如DSPDSP指指令集，这些指令主要有令集，这些指令主要有:乘加乘加(MAC)(MAC)操作操作:在一个周期中执行了一次乘法运算在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算和一次加法运算 SIMDSIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算流的计算多媒体加速指令多媒体加速指令:象素处理、多边形、象素处理、多边形、3D3D操作等指令操作等指令 嵌入式微处理器的特点17l功耗和管理功耗和管理(P
15、ower Consumption and Management)(Power Consumption and Management)-在嵌入式系统中功耗是很重要的问题，须仔细考虑。在嵌入式系统中功耗是很重要的问题，须仔细考虑。-大大多多数数嵌嵌入入式式系系统统有有功功耗耗的的限限制制(特特别别是是电电池池供供电电的的系系统统)，它们不支持使用风扇和其他冷却设备。，它们不支持使用风扇和其他冷却设备。-嵌入式微处理器采用不同的技术来降低功耗嵌入式微处理器采用不同的技术来降低功耗:降低工作电压：降低工作电压：1.8v1.8v甚至更低甚至更低提供不同的时钟频率：通过软件设置提供不同的时钟频率：通过软件
16、设置关闭暂时不使用的功能块关闭暂时不使用的功能块提供功耗管理机制提供功耗管理机制嵌入式微处理器的特点18l具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一:运运行行模模式式（Running Running ModeMode）：处处理理器器处处于于全全速运行状态下。速运行状态下。待命模式待命模式(Standby Mode)(Standby Mode)：处理器不执行指处理器不执行指令，所有存储的信息是可用的，处理器能在令，所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内返回运行模式。几个周期内返回运行模式。时钟关闭模式（时钟关闭模式（clock-off modecloc
17、k-off mode）：）：时钟完时钟完全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。嵌入式微处理器的特点19l影响功耗的其他因素还有影响功耗的其他因素还有:总线总线:特别是总线转换器，可以采用特殊的特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小技术使它的功耗最小存储器的大小存储器的大小:如果使用如果使用DRAMDRAM，它需要不断，它需要不断的刷新的刷新为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。用系统可接受的最小规模。嵌入式微处理器的特点20l成本成本(Cost)(Cost)-为为降降低低价价格格
18、，需需要要在在嵌嵌入入式式微微处处理理器器的的设设计计中中考考虑虑不不同的折衷方案。同的折衷方案。-处理器的价格受如下因素影响处理器的价格受如下因素影响:处理器的特点：功能块的数目、总线类型等处理器的特点：功能块的数目、总线类型等 片上存储器的大小片上存储器的大小芯片的引脚数和封装形式：如芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(Plastic Quad PQFP(Plastic Quad Flat Package)Flat Package)通常比通常比BGA(Ball Grid Array BGA(Ball Grid Array Package)Package)便宜。便宜。芯片大小（芯片大小（di
19、e sizedie size）:取决于制造的工艺水平。取决于制造的工艺水平。嵌入式微处理器的特点21主流的嵌入式微处理器 l目前主流的嵌入式微处理器系列主要有目前主流的嵌入式微处理器系列主要有ARMARM系列、系列、MIPSMIPS系列、系列、PowerPCPowerPC系列、系列、Super HSuper H系列和系列和X86X86系列等。系列等。l属于这些系列的嵌入式微处理器产品很属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有上千种以上。多，有上千种以上。22Embedded RISC Processor Shipments嵌入式RISC处理器付运量Units(millions)单位：百万单位：
20、百万Source:Andrew Allison,Inside The New Computer Industry,January 2001资料来源：Andrew Allison机构2001年1月的报告 Inside The New Computer Industry23RISC CPU市场2000 RISC Total Units 539 million2000年年RISC总付运量为总付运量为5.39亿亿ARM57.8%1999Source:Andrew Allison,Inside The New Computer Industry,January 2001资料来源：Andrew Allis
21、on机构2001年1月的报告 Inside The New Computer Industry24嵌入式微处理器lX86X86系列：系列：-主要由主要由AMDAMD，IntelIntel，NSNS，STST等公司提供，等公司提供，如：如：Am186/88Am186/88、Elan520Elan520、嵌入式、嵌入式K6K6，386EX386EX、STPCSTPC等等 -主要应用在工业控制、通信等领域主要应用在工业控制、通信等领域 -国内由于对国内由于对X86X86体系比较熟悉，得到广泛体系比较熟悉，得到广泛应用，特别是嵌入式应用，特别是嵌入式PCPC的应用非常广泛。的应用非常广泛。x86x86
22、系列：比较x86x86系列：比较（续）27嵌入式微处理器lMPC/PPCMPC/PPC系列：系列：-MotorolaMotorola推出的推出的MPCMPC系列，如系列，如MPC8XXMPC8XX-IBMIBM推出推出PPCPPC系列，如系列，如PPC4XXPPC4XX-主要应用在通信及消费电子领域主要应用在通信及消费电子领域28ARM系列lARM(Advanced RISC Machine)ARM(Advanced RISC Machine)公司是一家专门从公司是一家专门从事芯片事芯片IPIP核设计与授权业务的英国公司，其产品核设计与授权业务的英国公司，其产品有有ARMARM内核以及各类外围
23、接口。内核以及各类外围接口。lARMARM内核是一种内核是一种3232位位RISCRISC微处理器，具有功耗低、微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色。性价比高、代码密度高等三大特色。l目前，目前，70%70%的移动电话、大量的游戏机、手持的移动电话、大量的游戏机、手持PCPC和机顶盒等都已采用了和机顶盒等都已采用了ARMARM处理器，许多一流的处理器，许多一流的芯片厂商都是芯片厂商都是ARMARM的授权用户（的授权用户（LicenseeLicensee），如），如IntelIntel、SamsungSamsung、TITI、MotorolaMotorola、STST等，等，AR
24、MARM已已成为业界公认的嵌入式微处理器标准。成为业界公认的嵌入式微处理器标准。29V6V5TEV4TV4V5TEJARM7StrongARMARM7TDMIARM920TARM946EARM1020EXScaleARM926EJARM10 xxEJSecurCoreRoadmap概图概图ARM微处理器30ARMARM微处理器l经过近经过近2020年的发展，年的发展，ARMARM体系结构已经发展得日趋体系结构已经发展得日趋成熟，功能也越来越强，应用领域也越来越广泛成熟，功能也越来越强，应用领域也越来越广泛 l从最初到现在，已经有五个主要的版本：从最初到现在，已经有五个主要的版本：ARMv1AR
25、Mv1、ARMv2ARMv2、ARMv3ARMv3、ARMv4ARMv4、ARMv5ARMv5。lARMv1ARMv1系列的系列的CPUCPU主要还是作为研究之用。后面几主要还是作为研究之用。后面几种都得到了较为广泛的应用，特别是种都得到了较为广泛的应用，特别是ARMv4ARMv4系列的系列的CPUCPU目前仍然是目前仍然是ARMARM芯片的主要开发版本芯片的主要开发版本 31ARM V1 ARM V1 l支支持持基基本本数数据据运运算算指指令令，但但不不支支持持乘乘法法指指令令l支持字节、字、多字的数据读写指令支持字节、字、多字的数据读写指令l支支持持分分支支指指令令，包包括括branch-
26、and-linkbranch-and-link（带带连接的分支）指令以用于函数调用连接的分支）指令以用于函数调用l支持软中断指令，可以用于支持软中断指令，可以用于OSOS的系统调用的系统调用l寻址空间为寻址空间为26bits 26bits 32ARM V2 ARM V2 ARMv2ARMv2除了支持除了支持ARMv1ARMv1的指令外还扩展了的指令外还扩展了:乘法和乘法累加指令乘法和乘法累加指令提供协处理器支持提供协处理器支持在在FIQFIQ模式提供多个影子寄存器模式提供多个影子寄存器提提供供原原子子性性的的load-and-storeload-and-store指指令令SWP(SWP(单单一
27、一数数据据交交换换,传传送送一一个个字字)和和SWPB SWPB（单单一一数数据据交交换换,传传送一个字节）送一个字节）FIQ FIQ：快快速速中中断断模模式式，用用来来处处理理发发起起快快速速中中断断的的外外设设。IRQ IRQ 和和 FIQ FIQ 之之间间的的区区别别是是对对于于 FIQ FIQ 你你必必须须尽尽快快处处理理你你事事情情并并离离开开这这个个模模式式。IRQ IRQ 可可以以被被 FIQ FIQ 所中断但所中断但 IRQ IRQ 不能中断不能中断 FIQFIQ。33ARM V3ARM V3l提供提供32bits32bits的寻址空间的寻址空间l增增加加了了CPSRCPSR（
28、当当前前程程序序状状态态寄寄存存器器）和和SPSRSPSR（当当前程序状态寄存器的影子寄存器）寄存器前程序状态寄存器的影子寄存器）寄存器l除除与与ARMv2ARMv2的的指指令令兼兼容容外外，还还提提供供了了MRSMRS（传传送送状状态态标标志志到到一一个个寄寄存存器器）和和MSRMSR（传传送送一一个个寄寄存存器器的的内容到状态标志内容到状态标志 ）用于存取）用于存取CPSRCPSR和和SPSRSPSRl增加了两种增加了两种CPUCPU模式：模式：AbortAbort和和Undefined Undefined 34ARM V4 ARM V4 l ARMv4 ARMv4除了支持除了支持ARMv
29、3ARMv3的指令外还扩展了的指令外还扩展了:支持支持halfwordhalfword的存取的存取 支持支持bytebyte和和halfwordhalfword的符号扩展读的符号扩展读 支持支持ThumbThumb指令指令(ARM(ARM指令压缩形式的子集指令压缩形式的子集)提供提供ThumbThumb和和NormalNormal状态的转换指令状态的转换指令 进进一一步步明明确确了了会会引引起起UndefinedUndefined异异常常的的指指令令 对以前的对以前的26bits26bits体系结构的体系结构的CPUCPU不再兼容不再兼容 35ARM V5ARM V5l 在在ARMv4ARMv
30、4基础上增加了下列功能：基础上增加了下列功能：改进了改进了ThumbThumb和和NormalNormal状态的切换效率状态的切换效率 增加了增加了count-leading-zeroscount-leading-zeros指令指令 增加了软件断点指令增加了软件断点指令 增加了协处理器指令的可选范围增加了协处理器指令的可选范围 更更明明确确了了乘乘法法指指令令对对标标志志寄寄存存器器的的设设置置 36ARM微处理器l目前目前ARMARM处理器主要有处理器主要有5 5大系列：大系列：ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10、SecurCoreSecurCor
31、el此外还有与此外还有与IntelIntel合作实现的合作实现的StrongARMStrongARM和和XScaleXScale处理器，性能从处理器，性能从30MIPS30MIPS到到120MIPS120MIPS不等。不等。37系列系列相应产品相应产品性能特点性能特点ARM7系列系列ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJ三级流水三级流水性能：性能：0.9MIPS/MHzARM9系列系列ARM9TDMIARM920TARM922TARM940T五五级级流流水水，硬硬核核（HardIPCore）性能：性能：1.1MIPS/MHzARM9E系列系列ARM966E-SARM94
32、6E-SARM926EJ-S五五级级流流水水，软软核核（SoftIPCore），支持浮点操作），支持浮点操作性能：性能：1.1MIPS/MHzARM10系列系列ARM1022EARM1020E6级级流流水水，硬硬核核，支支持持高高性性能能浮浮点点操操作作，双双64位位总总线线接接口口，内内部部64位位数数据据通通路。路。性能：性能：1.25MIPS/MHz38固化宏单元（硬核）固化宏单元（硬核）ARM920TARM7TDMIARM720TARM1022E可综合内核（软核）可综合内核（软核）ARM926EJ-SARM7TDMI-SARM1026EJ-S测试芯片测试芯片ARM10200E39指令流
33、水线l为增加处理器指令流的速度，为增加处理器指令流的速度，ARMARM系列使用流水线。系列使用流水线。允许多个操作同时处理，而非顺序执行。允许多个操作同时处理，而非顺序执行。PCPC指向正被指向正被取指的指令，而非正在执行的指令取指的指令，而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令从存储器中读取指令解码指令中用到的寄存器解码指令中用到的寄存器寄存器读（从寄存器寄存器读（从寄存器Bank）移位及移位及ALU操作操作寄存器写（到寄存器寄存器写（到寄存器Bank）PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb40 最佳流水线l该例中用该例中用6 6个时钟周期执
34、行了个时钟周期执行了6 6条指令条指令l所有的操作都在寄存器中（单周期执行）所有的操作都在寄存器中（单周期执行）l指令花费的平均周期数指令花费的平均周期数 (CPI)=1(CPI)=1 操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch41ARM920TlARM920TARM920T基于基于ARM9
35、TDMIARM9TDMI核，核，ARM9TDMIARM9TDMI核提供核提供简单的总线接口，允许用户设计自己的简单的总线接口，允许用户设计自己的CacheCache和存储系统，可以作为单独的核嵌入和存储系统，可以作为单独的核嵌入到目标系统。到目标系统。lARMARM处理器广泛采用处理器广泛采用AMBAAMBA总线结构总线结构42什么是TDMI?T T Thumb Thumb 架构扩展，提供两个独立的指令集：架构扩展，提供两个独立的指令集：pARM ARM 指令，均为指令，均为3232位位pThumbThumb指令，均为指令，均为1616位位p两种运行状态，用来选择哪个指令集被执行两种运行状态，
36、用来选择哪个指令集被执行D D 内核具有内核具有DebugDebug扩展结构扩展结构M M 内嵌硬件乘法器内嵌硬件乘法器I I EmbeddedICE EmbeddedICE 逻辑，支持片上断点和调试点。逻辑，支持片上断点和调试点。43ARM920T的结构框图44ARM920TARM920T的工作状态的工作状态lARMARM状态：状态：3232位，执行字对准的位，执行字对准的ARMARM指令；指令；lThumbThumb状态：状态：1616位，执行半字对准的位，执行半字对准的ThumbThumb指令。指令。45ARM920T的运行模式的运行模式l支持支持7 7种运行模式；种运行模式；l运行模式
37、可以通过软件控制改变；运行模式可以通过软件控制改变；l外部中断或异常处理也可以引起模式发外部中断或异常处理也可以引起模式发生改变。生改变。46模式模式模式描述模式描述用户（用户（User）ARM处理器正常的程序执行状态处理器正常的程序执行状态快速中断（快速中断（FIQ）用于高速数据传输或通道处理用于高速数据传输或通道处理外部中断（外部中断（IRQ）用于通用的中断处理用于通用的中断处理管理（管理（Supervisor）操作系统保护模式操作系统保护模式数据访问中止（数据访问中止（Abort）实现虚拟存储器和存储器保护实现虚拟存储器和存储器保护系统（系统（System）运行特权操作系统任务运行特权操
38、作系统任务未定义（未定义（Undifined）支持硬件协处理器的软件仿真支持硬件协处理器的软件仿真47l共有共有3737个个3232位寄存器：位寄存器：3131个通过寄存器，包括程序计数器个通过寄存器，包括程序计数器PCPC；6 6个状态寄存器。个状态寄存器。ARM920TARM920T的寄存器结构的寄存器结构48ARM920TARM920T的存储系统的存储系统l地址空间地址空间ARMARM体系结构采用体系结构采用2 23232个个8 8位字节的单一、线性地位字节的单一、线性地址空间；址空间；每个字的地址是字对准的，地址低两位为每个字的地址是字对准的，地址低两位为0000；字对准地址是字对准地
39、址是A A的字由地址的字由地址A A、A+1A+1、A+2A+2和和A+3A+3的的4 4个字节组成。个字节组成。49ARM920TARM920T的存储系统的存储系统l存储器格式存储器格式 ARMARM体系结构可以用两种方法存放数据，体系结构可以用两种方法存放数据，即大端格式和小端格式：即大端格式和小端格式：大端格式：较高的有效字节存放在较低的存储大端格式：较高的有效字节存放在较低的存储器地址，较低的有效字节存放在较高的存储器器地址，较低的有效字节存放在较高的存储器地址；地址；小端格式：较高的有效字节存放在较高的存储小端格式：较高的有效字节存放在较高的存储器地址，较低的有效字节存放在较低的存储
40、器器地址，较低的有效字节存放在较低的存储器地址。地址。5051l采用采用5 5级流水线：级流水线：取指；取指；译码；译码；执行；执行；访存；访存；写回。写回。ARM920TARM920T的流水线结构的流水线结构52MIPSMIPS系列系列lMIPSMIPS是世界上很流行的一种是世界上很流行的一种RISCRISC处理器处理器lMIPSMIPS的意思是的意思是“无互锁流水级的微处理器无互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked(Microprocessor without interlocked piped stages)piped stages)
41、l其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据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相关问题lMIPSMIPS处理器是由斯坦福（处理器是由斯坦福（StanfordStanford）大学）大学HennessyHennessy教授领导的研究小组研制出来的教授领导的研究小组研制出来的53MIPSMIPS系列系列l19841984年年MIPSMIPS计算机公司成立计算机公司成立l19861986年推出年推出R2000R2000处理器处理器l19881988年推出年推出R3000R3000处理器处理器l19911991年推出第一款年推出第一款6464位商用微处理器位商用微处理器R4000R40
42、00l19921992年，年，SGISGI收购了收购了MIPSMIPS计算机公司之后，该公计算机公司之后，该公司又陆续推出司又陆续推出R8000R8000（于（于19941994年）、年）、R10000R10000（于（于19961996年）和年）和R12000R12000（于（于19971997年）等型号的处理器。年）等型号的处理器。l19981998年，年，MIPSMIPS脱离脱离SGISGI成为成为MIPSMIPS技术公司之后，技术公司之后，其战略发生变化，把重点放在了嵌入式系统上。其战略发生变化，把重点放在了嵌入式系统上。54MIPSMIPS系列系列l19991999年，年，MIPSM
43、IPS公司发布公司发布MIPS 32MIPS 32和和MIPS 64MIPS 64架构标架构标准，为未来准，为未来MIPSMIPS处理器的开发奠定了基础处理器的开发奠定了基础l新的架构集成了所有原来的新的架构集成了所有原来的MIPSMIPS指令集，并且增指令集，并且增加了许多更强大的功能。加了许多更强大的功能。l和和ARMARM公司一样，公司一样，MIPSMIPS公司本身并不从事芯片的公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片的话必须得到生产该芯片的话必须得到MIPSMIPS公司的许可。公司的许可。55MIPS系列lMI
44、PSMIPS指令集体系指令集体系ISA(MIPS Instruction Set ISA(MIPS Instruction Set Architecture)Architecture)从最早的从最早的MIPS I ISAMIPS I ISA开始发展，到开始发展，到MIPS V ISAMIPS V ISA，再到现在的，再到现在的MIPS32MIPS32和和MIPS64MIPS64结构，其所有版结构，其所有版本都是与前一个版本兼容的。本都是与前一个版本兼容的。在在MIPS IIIMIPS III的的ISAISA中，增加了中，增加了6464位整数和位整数和6464位位地址。地址。在在MIPS IVM
45、IPS IV和和MIPS VMIPS V的的ISAISA中增加了浮点数的操中增加了浮点数的操作等。作等。56MIPS系列lMIPSMIPS指令集体系指令集体系ISA(MIPS Instruction Set ISA(MIPS Instruction Set Architecture)Architecture)MIPS I MIPS I MIPS V MIPS V MIPS32MIPS32和和MIPS64MIPS64结构，其所有版结构，其所有版本都是与前一个版本兼容的。本都是与前一个版本兼容的。MIPS32MIPS32和和MIPS64MIPS64体系是为满足高性能、成本敏感的需体系是为满足高性能
46、、成本敏感的需求而设计的。求而设计的。MIPS32MIPS32体系是基于体系是基于MIPS IIMIPS II的的,并从并从MIPS IIIMIPS III、MIPS MIPS IVIV和和MIPS VMIPS V中选择一些指令以增强数据和代码的有效中选择一些指令以增强数据和代码的有效操作。操作。MIPS64MIPS64体系是基于体系是基于MIPS VMIPS V并与并与MIPS32MIPS32体系兼容的。体系兼容的。57总线总线的基本概念的基本概念总线是总线是CPUCPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。件之
47、间传送数据、地址和控制信息的公共通道。总线分类：总线分类：1.1.按相对于按相对于CPUCPU位置划分：位置划分：片内总线或内部总线：连接片内总线或内部总线：连接CPUCPU内部各主要功能内部各主要功能部件部件片外总线：片外总线：CPUCPU与存储器（与存储器（RAMRAM和和ROMROM）和）和I/OI/O接接口之间进行信息交换的通道口之间进行信息交换的通道2.2.按功能和信号类型：按功能和信号类型：数据总线数据总线Dbus;Dbus;地址总线地址总线Abus;Abus;控制总线控制总线Cbus;Cbus;58总线总线的基本概念的基本概念总线的主要参数总线的主要参数1.1.总线宽度总线宽度：
48、又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据：又称总线位宽，指的是总线能同时传送数据的位数。如的位数。如1616位总线就是具有位总线就是具有1616位数据传送能力。位数据传送能力。2.2.总线频率总线频率：总线工作速度的一个重要参数，工作频率越：总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。通常用高，速度越快。通常用MHZMHZ表示表示3.3.总线带宽总线带宽：又称总线的数据传送率，：又称总线的数据传送率，是指在一定时间内是指在一定时间内总线上可传送的数据总量总线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据量来衡，用每秒最大传送数据量来衡量。总线带宽越宽，传输率越高量。总线带宽越宽，传输率越高 总线
49、带宽总线带宽 =（总线宽度（总线宽度/8/8）X X 总线频率总线频率带宽单位：带宽单位：MB/sMB/s；如：总线宽度；如：总线宽度3232位，频率位，频率66MHZ66MHZ，则，则总线带宽总线带宽=（3232位位/8/8位）位）*66MHZ=264MB/s66MHZ=264MB/s59总线总线的基本概念的基本概念l一个微处理器系统可能含有多条总线。一个微处理器系统可能含有多条总线。l高速设备可以连到高速总线上高速设备可以连到高速总线上l低速设备可以连到低速总线上低速设备可以连到低速总线上l桥：总线互联的电路桥：总线互联的电路l原因：原因：-数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接数据宽度
50、：高速总线通常提供较宽的数据连接 -成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器 -桥桥允允许许总总线线独独立立操操作作，这这样样在在I/OI/O操操作作中中可可提提供供某些并行性某些并行性60存储器存储器高速设备高速设备CPU低速设备低速设备低速设备低速设备桥桥高速总线高速总线低速总线低速总线多总线系统多总线系统61嵌入式系统的总线嵌入式系统的总线 l嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中l从微处理器的角度来看，总线可分为从微处理器的角度来看，总线可分为:l片外总线片外总线:如如PCIPCI、ISAISA、