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1、2023/3/52023/3/51 1嵌入式处理器综述嵌入式处理器综述n n嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础uu冯冯冯冯 诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构uuCISCCISC与与与与RICSRICSuu影响影响影响影响CPUCPU性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素n n嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型uuMPU (Micro-Processor Unit)MPU (Micro-Processor Unit)uuMCU (M
2、icro-Controller Unit)MCU (Micro-Controller Unit)uuDSP (Digital Signal Processor)DSP (Digital Signal Processor)uuSOC (System On Chip)SOC (System On Chip)n n嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子2023/3/52023/3/52 2冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器运算器运算器输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指
3、令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令/数据数据2023/3/52023/3/53 3冯冯诺依曼体系结构的特点诺依曼体系结构的特点n n数据与指令都存储在存储器中数据与指令都存储在存储器中n n被大多数计算机所采用被大多数计算机所采用n nARM7冯诺依曼体系冯诺依曼体系2023/3/52023/3/54 4哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器运算器运算器输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据2023/3/520
4、23/3/55 5哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点n n 程序存储器与数据存储器分开程序存储器与数据存储器分开n n 提供了较大的数据存储器带宽提供了较大的数据存储器带宽n n 适合于数字信号处理适合于数字信号处理n n 大多数大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构n n ARM9是哈佛结构是哈佛结构2023/3/52023/3/56 6CISC和和RISCnCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）u具有大量的指令，指令长度不固定具有大量的指令，指令长度不固定u8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令u大
5、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u更多的专用寄存器更多的专用寄存器nRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)u在通道中只包含最有用的指令，指令长度固定在通道中只包含最有用的指令，指令长度固定u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u使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单uLoad-store结构，只处理寄存器的数据，更多的通用结构，只处理寄存器的数据，更多的通用寄存器寄存器2023/3/52023/3/57 7指令的执行周期指令的执行周期Tn取指令（取指
6、令（Instruction Fetch)：TFn指令译码（指令译码（Instruction Decode）：）：TDn执行指令（执行指令（Instruction Execute）：）：TEn每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE2023/3/52023/3/58 8减少减少CPICPI是是RISCRISC思想的精华思想的精华n n程序执行时间的计算公式：P=IP=I CPI CPI T Tuu其中：其中：P P是执行这个程序所使用的总的时间；是执行这个程序所使用的总的时间；I I是这个程序所需执行的总的指令条数；是这个程序所需执行的总的指令条数；CPI(Cycles Pe
7、r Instruction)CPI(Cycles Per Instruction)是每条指令执行的是每条指令执行的平均周期数；平均周期数；T T是一个周期的时间长度。是一个周期的时间长度。uuRISCRISC的速度要比的速度要比CISCCISC快快3 3倍左右，关键是倍左右，关键是RISCRISC的的CPICPI减小了减小了2023/3/52023/3/59 9影响影响CPU性能因素性能因素(1)：流水线：流水线n流水线技术：流水线技术：u几个指令可以并行执行几个指令可以并行执行u提高了提高了CPU的运行效率的运行效率u内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行
8、sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp2023/3/52023/3/51010影响影响CPU性能因素性能因素(2)：超标量：超标量n n超标量执行超标量执行u超标量超标量CPU采用多条流水线结构采用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2023/3/52023/3/51111影响影响CPU性能因素性能因素(3)：高速缓存：高速缓存n为什么采用高速缓存为什么采用高速缓存u微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多u高速缓存可以提高内存的平均性能高速缓存可以提高内存的平均性能n高速缓存的工作
9、原理高速缓存的工作原理u高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存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2023/3/52023/3/51212总线和总线桥总线和总线桥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2023/3/52023/3/51313嵌入式处理器综述嵌入式处理器综述n n嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础uu冯冯冯冯 诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构uuCISCCISC与与
10、与与RICSRICSuu影响影响影响影响CPUCPU性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素n n嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型uuMPU (Micro-Processor Unit)MPU (Micro-Processor Unit)uuMCU (Micro-Controller Unit)MCU (Micro-Controller Unit)uuDSP (Digital Signal Processor)DSP (Digital Signal Processor)uuSOC (System On Chip)SOC (System O
11、n Chip)n n嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子2023/3/52023/3/51414嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类n n嵌入式微处理器嵌入式微处理器MPUn n嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCUn nDSP处理器处理器n n片上系统片上系统SOC2023/3/52023/3/51515嵌入式微处理器嵌入式微处理器n nMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来演变而来n n与计算机处理器不同的是，只保留和嵌入式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，去除其他的冗余应用紧密相
12、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嵌入式应用的特殊要求n n一个单片的大规模集成电路一个单片的大规模集成电路(VLSI)芯片，芯片，除了集成有中央处理单元除了集成有中央处理单元(CPU)之外，往往之外，往往还有高速缓存、浮点处理单元、指令流水线还有高速缓存、浮点处理单元、指令流水线和超标量单元等其它电路和超标量单元等其它电路 2023/3/52023/3/51616嵌入式微控制器嵌入式微控制器n n嵌入式微控制器的典型代表是单片机嵌入式微控制器的典型代表是单片机n n微控制器也是单片的大规模集成电路，除去
13、微控制器也是单片的大规模集成电路，除去基本的计算能力之外，内部还集成基本的计算能力之外，内部还集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、总线、总线逻辑、定时定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽、串行口、脉宽调制输出、调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设等各种必要功能和外设n n微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器合于控制，因此称为微控制器2023/3/52023/3/51717嵌入式嵌入式DSP处理器处理器n n专门应用在需要数字信号处理的场合专门应用在需要数
14、字信号处理的场合 n n特点特点(结构和指令系统两方面结构和指令系统两方面)：uu哈佛结构或者增强的哈佛结构哈佛结构或者增强的哈佛结构哈佛结构或者增强的哈佛结构哈佛结构或者增强的哈佛结构 ，可以同时从内，可以同时从内，可以同时从内，可以同时从内存中读取指令和数据进行运算，大大加快了处存中读取指令和数据进行运算，大大加快了处存中读取指令和数据进行运算，大大加快了处存中读取指令和数据进行运算，大大加快了处理速度理速度理速度理速度 uu对指令系统也进行了特殊的设计对指令系统也进行了特殊的设计对指令系统也进行了特殊的设计对指令系统也进行了特殊的设计 ，指令的编译，指令的编译，指令的编译，指令的编译效率
15、和执行速度都得到提高效率和执行速度都得到提高效率和执行速度都得到提高效率和执行速度都得到提高 2023/3/52023/3/51818嵌入式片上系统嵌入式片上系统SOCn nSoC是在一个芯片上由于广泛使用预定制模是在一个芯片上由于广泛使用预定制模块块IP(Intellectual Property)而得以快速而得以快速开发的集成电路。它结合了许多功能区块，开发的集成电路。它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，例如将功能做在一个芯片上，例如ARM RISC、MIPS RISC、DSP等微处理器核心，加上等微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通信的接口单元，例如USB、TCP/IP通信通
16、信单元、单元、GPRS、GSM通信接口、蓝牙模块接通信接口、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成独立的处理芯片2023/3/52023/3/51919嵌入式处理器综述嵌入式处理器综述n n嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础嵌入式处理器基础uu冯冯冯冯 诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构uuCISCCISC与与与与RICSRICSuu影响影响影响影响CPUCPU性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素性能的几个因素n n嵌入式处理器的类
17、型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型嵌入式处理器的类型uuMPU (Micro-Processor Unit)MPU (Micro-Processor Unit)uuMCU (Micro-Controller Unit)MCU (Micro-Controller Unit)uuDSP (Digital Signal Processor)DSP (Digital Signal Processor)uuSOC (System On Chip)SOC (System On Chip)n n嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子嵌入式处理器典型例子2023/3/52023/3/
18、52020常用通用嵌入式处理器种类常用通用嵌入式处理器种类n n目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大类分为五大类uuARMARMuuMIPSMIPSuuPOWER PCPOWER PCuuX86X86uuSHSH系列系列系列系列2023/3/52023/3/521212023/3/52023/3/52222嵌入式处理器使用调查嵌入式处理器使用调查nWhat CPUs were used in your embedded projects during the past two years?nWhich will be used during the
19、next two?ARM处理器概述处理器概述n nArm公司简介公司简介n nArm微处理器的应用领域及特点微处理器的应用领域及特点n nArm架构的版本发展架构的版本发展2023/3/52023/3/52424Arm公司简介公司简介n n成立于成立于成立于成立于19901990年年年年1111月月月月uu前身为前身为前身为前身为 AcornAcorn计算机公司计算机公司计算机公司计算机公司uuAdvance RISC Advance RISC Machine(ARMMachine(ARM)n n主要设计主要设计主要设计主要设计ARMARM系列系列系列系列RISCRISC处理器内核处理器内核处
20、理器内核处理器内核n n授权授权授权授权ARMARM内核给生产和销售半导体的内核给生产和销售半导体的内核给生产和销售半导体的内核给生产和销售半导体的合作伙伴合作伙伴合作伙伴合作伙伴uuARM ARM 公司不生产芯片也不销售芯片公司不生产芯片也不销售芯片公司不生产芯片也不销售芯片公司不生产芯片也不销售芯片 uuIP(IntellectualIP(Intellectual Property)Property)：是那些：是那些：是那些：是那些己验证的、可重利用的、具有某种确己验证的、可重利用的、具有某种确己验证的、可重利用的、具有某种确己验证的、可重利用的、具有某种确定功能的定功能的定功能的定功能的
21、ICIC模块模块模块模块 n n也提供基于也提供基于也提供基于也提供基于ARMARM架构的开发设计技术架构的开发设计技术架构的开发设计技术架构的开发设计技术uu软件工具软件工具软件工具软件工具,评估板评估板评估板评估板,调试工具调试工具调试工具调试工具,应用软件应用软件应用软件应用软件,uu总线架构总线架构总线架构总线架构,外围设备单元，等等外围设备单元，等等外围设备单元，等等外围设备单元，等等2023/3/52023/3/52525Arm公司合作伙伴公司合作伙伴2023/3/52023/3/52626Arm-32位嵌入式处理器的老大地位位嵌入式处理器的老大地位n迄今为止，还没有任何商业化的I
22、P核交易和使用达到ARM的规模u据统计，全球有103家巨型IT公司在采用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。nARM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处理器概述处理器概述n nArm公司简介公司简介n nArm微处理器的应用领域及特点微处理器的应用领域及特点n nArm架构的版本发展架构的版本发展2023/3/52023/3/52828Arm微处理器的应用领域微处理器的应用领域n n工业控制领域工业控制领域n n无线通讯领域无线通讯领域n n网络应用网络应用 n n消费类电子产品消费类电子产品 n n
23、成像和安全产品成像和安全产品 n n汽车电子领域汽车电子领域 2023/3/52023/3/52929Arm微处理器的特点微处理器的特点n n采用采用RISC架构的架构的ARM微处理器一般具有如微处理器一般具有如下特点：下特点：uu体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；体积小、低功耗、低成本、高性能；uu支持支持支持支持Thumb/ARMThumb/ARM双指令集，能很好的兼容双指令集，能很好的兼容双指令集，能很好的兼容双指令集，能很好的兼容8 8位位位位1616位器件；位器件；位器件；位器件；uu大量使用寄存器，指令执行速度更快；大量
24、使用寄存器，指令执行速度更快；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大量使用寄存器，指令执行速度更快；uu大多数数据操作都在寄存器中完成；大多数数据操作都在寄存器中完成；大多数数据操作都在寄存器中完成；大多数数据操作都在寄存器中完成；uu寻址方式灵活简单，执行效率高；寻址方式灵活简单，执行效率高；寻址方式灵活简单，执行效率高；寻址方式灵活简单，执行效率高；uu指令长度固定（固定的指令长度固定（固定的指令长度固定（固定的指令长度固定（固定的3232位指令位指令位指令位指令)ARM处理器概述处理器概述n nArm公司简介公司简介n nArm微处理器的应用领域及特点微处理器的应用领域及特点n nArm架
25、构的版本发展架构的版本发展2023/3/52023/3/53131Arm体系结构版本体系结构版本(1)版本版本ARMARM处处理器系列理器系列特点特点ARMv1ARMv1ARM1ARM1该该版版体体系系结结构构只只在在原原型型机机ARM1ARM1出出现现过过，没没有有用于商用于商业产业产品。基本性能：品。基本性能：（1 1）基本的数据）基本的数据处处理指令（无乘法）理指令（无乘法）（2 2）2626位位寻寻址址ARMv2ARMv2ARM2ARM2和和ARM3ARM3该该版版体体系系结结构构对对ARMv1ARMv1版版进进行行了了扩扩展展，版版本本ARMv2aARMv2a是是 v2v2版版 的的
26、 变变 种种，ARM3ARM3芯芯 片片 采采 用用 了了ARMv2aARMv2a。ARMv2ARMv2版增加了以下功能：版增加了以下功能：（1 1）3232位乘法和乘加指令位乘法和乘加指令（2 2）支持）支持3232位位协处协处理器操作指令理器操作指令（3 3）快速中断模式）快速中断模式2023/3/52023/3/53232Arm体系结构版本体系结构版本(2)ARMv3ARMv3ARMv3MARMv3MARM6ARM6ARM7DIARM7DIARM7MARM7MARMv3ARMv3版体系版体系结结构构对对ARMARM体系体系结结构作了构作了较较大的改大的改动动：（1 1）寻寻址空址空间间增
27、至增至3232位（位（4GB4GB）（2 2）独独立立的的当当前前程程序序状状态态寄寄存存器器CPSRCPSR和和程程序序状状态态保保存存寄寄存存器器SPSRSPSR，保保存存程程序序异异常常中中断断时时的的程程序序状状态态，以便于以便于对对异常的异常的处处（3 3）增增加加了了异异常常中中断断（AbortAbort）和和未未定定义义两两种种处处理理器器模式模式（4 4）增加了）增加了MMUMMU支持支持（5 5）ARMv3MARMv3M增加了有符号和无符号增加了有符号和无符号长长乘法指令乘法指令ARMv4 ARMv4 ARMv4TARMv4TStrongARMStrongARMARM7TDM
28、IARM7TDMIARM9TARM9TARMv4ARMv4版版体体系系结结构构是是目目前前应应用用最最广广的的ARMARM体体系系结结构构，在在v3v3版上作了版上作了进进一步一步扩扩充，指令集中增加了以下功能：充，指令集中增加了以下功能：（1 1）增加了系）增加了系统统模式模式（2 2）增加了）增加了1616位位ThumbThumb指令集指令集（3 3）完善了）完善了软软件中断件中断SWISWI指令的功能指令的功能（4 4）不再支持）不再支持2626位位寻寻址模式址模式2023/3/52023/3/53333Arm体系结构版本体系结构版本(3)ARMv5TEARMv5TEARMv5TEJAR
29、Mv5TEJARM9EARM9EARM10EARM10EXscaleXscaleARM7EJARM7EJARM926EJARM926EJARMv5ARMv5版版体体系系结结构构在在ARMv4ARMv4版版基基础础上上增增加加了了一一些些新新的指令，包括：的指令，包括：（1 1）增加）增加ARMARM与与ThumbThumb状状态态之之间间切切换换的指令的指令（2 2）增）增强强乘法指令和快速乘累加指令乘法指令和快速乘累加指令（3 3）增加了数字信号）增加了数字信号处处理指令（理指令（ARMv5TEARMv5TE版）版）（4 4）增加了）增加了JavaJava加速功能加速功能(ARMv5TEJ(
30、ARMv5TEJ版）版）ARMv6ARMv6ARM11ARM11ARMv6ARMv6版版体体系系结结构构是是20012001年年发发布布的的，首首先先在在ARM11ARM11处处理理器器中中使使用用。此此体体系系结结构构在在ARMv5ARMv5版版基基础础上上增增加加了以下功能：了以下功能：（1 1）Thumb 2Thumb 2增增强强代代码码密度密度（2 2）SIMDSIMD增增强强媒体和数字媒体和数字处处理功能理功能（3 3）TrustZoneTrustZone提供增提供增强强的安全性能的安全性能（4 4）IEMIEM提供增提供增强强的功耗管理功能的功耗管理功能2023/3/52023/3
31、/53434Arm体系结构版本体系结构版本(4)ARMv7ARMv7CortexCortex系列系列ARMv7ARMv7版体系版体系结结构定构定义义了了3 3种不同的微种不同的微处处理器系列：理器系列：（1 1）A A系列系列为为面向面向应应用的微用的微处处理器核，支持复理器核，支持复杂杂操作操作系系统统和用和用户应户应用用（2 2）R R系列系列为为深度嵌入的微深度嵌入的微处处理器核，理器核，针对实时针对实时系系统统应应用用（3 3）M M系列系列为为微控制核，微控制核，针对针对成本敏感的嵌入式控制成本敏感的嵌入式控制应应用用2023/3/52023/3/53535ARM体系结构命名规则（体
32、系结构命名规则（1）n nARMARM产品通常以下面形式出现：产品通常以下面形式出现：产品通常以下面形式出现：产品通常以下面形式出现：uuARMxyzTDMIEJFARMxyzTDMIEJF-S-S后后缀变缀变量量含含义义x系列号，如系列号，如ARM7、ARM9y存存储储管理保管理保护单护单元元zCacheTThumb指令集指令集DDebug，内含，内含JTAG调试调试器器M长长乘法指令乘法指令I嵌入式嵌入式ICE（In-Circuit-Emulator）E增增强强型的型的DSP指令指令JJazelle加速加速F向量浮点向量浮点单单元元-S可可综综合的合的软软内核内核2023/3/52023/
33、3/53636n nARM7TDMIARM7TDMI之后的所有之后的所有之后的所有之后的所有ARMARM内核，即使内核，即使内核，即使内核，即使“ARMARM”标志后没有包含标志后没有包含标志后没有包含标志后没有包含TDMITDMI字符，也都默认包含了字符，也都默认包含了字符，也都默认包含了字符，也都默认包含了TDMITDMI的功能特性的功能特性的功能特性的功能特性n nJTAGJTAG是由是由是由是由IEEE1149.1IEEE1149.1标准测试访问端口和边界标准测试访问端口和边界标准测试访问端口和边界标准测试访问端口和边界扫描结构来描述的，它是扫描结构来描述的，它是扫描结构来描述的，它是
34、扫描结构来描述的，它是ARMARM用来发送和接收处用来发送和接收处用来发送和接收处用来发送和接收处理器内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议理器内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议理器内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议理器内核与测试仪器之间调试信息的一系列协议n n嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式ICEICE是建立在处理器内部用来设置断点和观是建立在处理器内部用来设置断点和观是建立在处理器内部用来设置断点和观是建立在处理器内部用来设置断点和观察点的调试硬件察点的调试硬件察点的调试硬件察点的调试硬件n n可综合的软核，意味着处理器内核是以源代码形可综合的软核，意味着处理器内核是以源代码形可综合的软
35、核，意味着处理器内核是以源代码形可综合的软核，意味着处理器内核是以源代码形式提供的，开发商可以根据自己的需要修改式提供的，开发商可以根据自己的需要修改式提供的，开发商可以根据自己的需要修改式提供的，开发商可以根据自己的需要修改ARMARM内核。与之对应的是硬核，这意味着开发商无法内核。与之对应的是硬核，这意味着开发商无法内核。与之对应的是硬核，这意味着开发商无法内核。与之对应的是硬核，这意味着开发商无法修改内核修改内核修改内核修改内核ARM体系结构命名规则（体系结构命名规则（2）2023/3/52023/3/53737n nARM7TDMIARM7TDMIn nARM7TDMIARM7TDMIS Sn nARM720TARM720Tn nARM7EJARM7EJS Sn nARM920TARM920Tn nARM940TARM940Tn nARM1022EARM1022En nARM1020EARM1020En nARM1026EJ-SARM1026EJ-SARM体系结构命名规则举例体系结构命名规则举例