《嵌入式系统三》PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,西安电子科技大学计算机学院,*,嵌入式系统,第三讲,ARM,简介,西安电子科技大学计算机学院,本节内容,计算机体系结构,影响,CPU,性能的因素,CISC,和,RISC,ARM,的发展历史,ARM,特点,ARM,体系结构版本,Thumb,技术,ARM,处理器家族,西安电子科技大学计算机学院,3.1 计算机体系结构,计算机体系结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。,西安电子科技大学计算机学院,两种体系结构,冯诺依曼体系结构,西安电子科技大学计算机学院,两种体系结构,哈佛体系结构,西安电子科技大学计算机学院,冯,诺依曼体系结构的特点,数据与指令都存储在存储器中,被大多数计算机所采用,ARM7,冯,诺依曼体系,西安电子科技大学计算机学院,哈佛体系结构的特点,程序存储器与数据存储器分开,指令和数据可有不同的数据宽度,提供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,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,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动,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,超标量执行：超标量,CPU,采用多条流水线结构,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,高速缓存（,CACHE,）,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,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,总线和总线桥,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,寻址位宽,是指微处理器一次执行指令的数据宽,注：显然，在工作频率相同的情况，位宽越宽，速度越快,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,指令集,指令集是,CPU,所能执行的所有指令的集合,复杂指令集,精简指令集,西安电子科技大学计算机学院,3.3 CISC,与,RICS,CISC,：复杂指令集（,Complex Instruction Set Computer,）,具有大量的指令和寻址方式,大多数程序只使用少量的指令就能够运行,RISC,：精简指令集（,Reduced Instruction Set Computer),只包含最有用的指令,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单,西安电子科技大学计算机学院,3.3.1 CISC的缺点,20,与,80,的问题,20,的简单指令利用率达到,80,80,的复杂指令的使用概率只有,20,指令复杂度对处理器,VLSI,实现性能的影响,CISC,中指令长度不统一，高性能的,VLSI,实现难度大,软硬件的协同设计问题,CISC,多采用微指令技术，,增强指令系统的功能，简化了目标软件的设计，但增加了硬件（微程序）复杂度,程序执行时间不一定短,西安电子科技大学计算机学院,3.3.2 RISC的特点,硬连线的指令译码逻辑,RISC,指令格式和长度固定，指令类型少，功能简单，寻址方式少，译码控制器可采用规则的硬布线逻辑（组合逻辑型）,CISC,大多使用微码,ROM,进行指令译码（存储逻辑型）,减少指令和寻址方式的种类,大多数指令单周期执行,分开的,Load/Store,结构的存取指令,固定指令格式,西安电子科技大学计算机学院,3.3.3 CISC,与,RISC,的数据通道,CISC,复杂,RISC,简单,西安电子科技大学计算机学院,3.3.4 RISC的优势,处理器管芯面积小,开发时间少，开发成本低,容易实现高性能,西安电子科技大学计算机学院,3.3.5 RISC的缺点,与CISC比，代码密度低,不能执行X86代码,给优化编译程序带来了困难,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,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,ARM,即,Advanced RISC Machines,的缩写,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,20,世纪,90,年代，,ARM32,位嵌人式,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,）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，特别是,ARM,嵌入式微处理器系列,ARM,公司虽然只成立,10,多年，但在,1999,年因移动电话市场火爆，其,32,位,RISC,处理器占市场份额超过了,50%,，,2001,年初，,ARM,公司的,32,位,RISC,处理器市场占有率超过了,75%,。,ARM,公司是知识产权供应商，是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,ARM,公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过,100,个合作伙伴,-,包括半导体工业的著名公司。,ARM,公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有,16/32,位双指令集。,ARM,已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的,RISC,标准,在所有,ARM,处理器系列中，,ARM7,处理器系列应用最广，采用,ARM7,处理器作为内核生产芯片的公司最多,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,ARM,的含义：,ARM,是公司名称,ARM,是一种处理器架构,ARM,是一种技术,ARM,是注册商标,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,1991-ARM,推出第一款,RISC,嵌入式微处理器,ARM6,1993-ARM,推出,ARM7,1995,ARM,的,Thumb,扩展指令集结构为,16,位系统增加了,32,位的性能,提供业界领先的代码密度,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,西安电子科技大学计算机学院,3.5 ARM的特点,ARM,处理器的特点如下,小体积、低功耗、低成本、高性能,Load/Store,体系结构,16,位,/32,位双指令集,3,地址指令格式,全球众多的合作伙伴（自己只设计高性能的,IP,核，授权给别人生产）,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V1,基本数据处理,字节,字以及多字,load/store,软件中断,26 bit,地址总线,V2,Multiply&Multiply-accumulate,支持协处理器,支持线程同步,26 bit,地址总线,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V3,推出,32,位寻址能力,增加两种异常模式,增强型乘法器,产生全,64,位结果,(32X3264or32X32+64 64),V4,增加了半字,load,和,store,指令,T,16,位压缩指令集,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V5,提高了,ARM,和,Thumb,之间的交互效率,增加了前导零计数指令,增加了,BKPT,（软件中断）指令,V6,降低耗电量,强化图形处理性能,支持多微处理器内核,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,体系结构的演变,T,变种,-16,位压缩指令集,M,变种,-,增强型乘法器,产生全,64,位结果,(32X3264or32X32+64 64),E,变种,-,增强型,DSP,指令集,包括全部算法操作和,16,位乘法操作,J,变种,-,支持新的,JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能,SIMD,变种,-,媒体功能扩展,D,变种,-,支持片上,Debug,I,变种,-EmbededICE,硬件，以支持片上断点和观察点,S-,表示可综合的“软”,IP,核,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,西安电子科技大学计算机学院,3.7 Thumb技术,Thumb,开发背景,RISC,代码密度低（需要比较大的存储器空间）,高端消费类产品需要,32,位,RISC,处理器的性能和更优于,16,位,CISC,处理器的代码密度,Thumb,技术概述,16,位的指令长度,32,位的执行效率,西安电子科技大学计算机学院,3.7 Thumb技术,Thumb,技术特点,支持,Thumb,的核有,2,套独立的指令集,ARM32,位指令的性能,Thumb16,位的代码密度,设计者可在性能和代码密度之间取得平衡,西安电子科技大学计算机学院,3.8 ARM处理器家族,微处理器核,ARM7,系列,ARM9,系列,ARM9E,系列,ARM10,系列,ARM11,系列,SecurCore,系列,StrongARM,系列,Xscale,系列,西安电子科技大学计算机学院,3.8.1 ARM7系列,该系列主要微处理器包括：,ARM7TDMI,ARM7TDMI-S,ARM720T,ARM7EJ-S,采用,ARMV4T,（,Neuman,）结构，分为三级流水，支持,16,位的,Thumb,指令集,主要应用于工业控制、,Internet,设备、网络和调制解调器设备、移动电话等嵌入式应用,西安电子科技大学计算机学院,3.8.2 ARM9系列,该系列微处理器包含：,ARM920T,ARM922T,ARM940T,采用,ARMV4T,（,Harvard,）结构，五级流水处理以及分离的,Cache,结构,主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等,西安电子科技大学计算机学院,3.8.3 ARM9E系列,该系列微处理器包括,ARM926EJ-S,ARM946E-S,ARM966E-S,使用单一的处理器内核提供了微控制器、,DSP,、,Java,应用系统的解决方案,主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域,西安电子科技大学计算机学院,3.8.4 ARM10E系列,该系列微处理器包含：,ARM1020E,ARM1022E,ARM1026EJ-S,采用了新的体系结构，与相同工艺条件下的,ARM9,器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近,50%,主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域,西安电子科技大学计算机学院,3.8.5 ARM11系列,ARM11是ARM家族中性能最好的一个系列,增加了是静、动态组合的跳转预判,ARM11囊括了Thumb-2，CoreSight，TrusZone 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台,西安电子科技大学计算机学院,3.8.6 SecurCore系列,该系列微处理器包含：,SecurCoreSC100,SecurCoreSC110,SecurCoreSC200,SecurCoreSC210,提供了基于高性能,32,位,RISC,技术的安全解决方案,主要应用于一些安全产品及应用系统，包括电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等,西安电子科技大学计算机学院,3.8.7 StrongARM系列,StrongARM系列微处理器融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM体系结构 特点,Intel StrongARM系列处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品,西安电子科技大学计算机学院,3.8.8 Xscale系列,Xscale系列处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、