嵌入式处理器课件.pptx
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1、内容安排,嵌入式处理器体系结构,典型嵌入式处理器,嵌入式处理器开发,多核技术,什么是嵌入式处理器,内容安排嵌入式处理器体系结构 典型嵌入式处理器 嵌入式处,内容安排,嵌入式处理器体系结构,典型嵌入式处理器,嵌入式处理器开发,多核技术,什么是嵌入式处理器,内容安排嵌入式处理器体系结构 典型嵌入式处理器 嵌入式处,后PC时代,有一种东西,更加明显地,把整个半导体产业链粘合在一起。这种东西叫做:“用户的真正需求”。衣服的例子,后PC时代,有一种东西,更加明显地,把整个半导体产业链粘合在,各种SOC,各种OS,技术特点各异的板级设计,不同消费取向的消费者,差异化的产品,通用,定制化,各种SOC各种OS
2、技术特点不同消费取差异化的通用定制化,什么是用户的真正需求,产品的生产厂商:挖掘消费者内心需求,向产业链的高端寻求技术的可行性;板级的设计者:进一步抽象各个产品厂家的需求,在更基础的平台上各种嵌入式SoC处理器和嵌入式操作系统选择实现的方案;芯片业者:调研板级设计者的真实需求。,什么是用户的真正需求产品的生产厂商:挖掘消费者内心需求,向产,什么样的东西应该集成?什么样的东西应该给予设计者灵活性?什么样的部件应该在SoC内部预留更多的资源?什么样的功能应该由OS去做而不是硬件化?芯片设计者真实的苦恼是不知道自己该设计出什么,而不是自己如何实现这个设计。,什么样的东西应该集成?,嵌入式时代的产业链
3、价值核心,PC时代,Intel与Microsoft最大,核心价值全部掌握在他们的手里,他们对产业链下游具有生杀予夺的权力,PC作为一种产品,其模式非常固定。现在:谁能够找到用户的真正需求,谁将是产业链条中的王者。,嵌入式时代的产业链价值核心PC时代,Intel与Micros,嵌入式处理器特点,嵌入式处理器特点Title低功耗可移动集成度,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,目前据不完全统计,全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种;流行体系结构有30几个系列,其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个,共350多种衍生产品,仅Philips有近100
4、种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器,,嵌入式处理器的特点,继承了整个PC机时期的技术成就;种类多;面向应用的专用芯片;新技术的不断应用;使用寿命长;低功耗、低电压,嵌入式处理器的特点继承了整个PC机时期的技术成就;,内容安排,嵌入式处理器体系结构,典型嵌入式处理器,嵌入式处理器开发,多核技术,什么是嵌入式处理器,内容安排嵌入式处理器体系结构 典型嵌入式处理器 嵌入式处,嵌入式硬件系统嵌入式处理器各种类型存储器模拟电路及电源接口控制器及接插件,嵌入式硬件系统,调试接口,核心处理器,外围电路和存储器,
5、外部设备,电源供应晶振电路重置电路PortsROMFLASHDRAMS,嵌入式系统的软件结构,软件系统实时操作系统(RTOS)协议栈(Protocol Stack)应用程序(Application),应用程序(Applications),硬件无关软件系统嵌入式系统的软件结构软件系统RTOS核I/O,嵌入式软件系统设备驱动(Device Driver)板级支持包(BSP)实时操作系统(RTOS)协议栈(Protocol Stack)应用程序(Application),嵌入式软件系统,硬件无关软件系统RTOS核I/O系统RTOS库文件系统协议栈,硬件层,系统软件层,应用层,硬件层系统软件层应用层,
6、存储结构 冯诺依曼结构 哈佛结构,指令结构 RISC CISC VILW ,体系结构,存储结构指令结构体系结构,什么是指令系统,指令一般含义:指明要执行的操作以及操作的对象.指令系统CPU依靠指令来计算和控制系统 CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统指令系统指CPU能识别和执行的所有指令集合,什么是指令系统指令,指令系统,CISC:Complex Instruction Set Computer RICS:Reduced Instruction Set Computer VLIW:Very Long(Large) Instruction Word,指令系统CISC:Comp
7、lex Instruction S,CISC,计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得随着集成电路技术(特别是VLSI)的迅速发展,为了软件编程方便和提高程序的运行速度,硬件工程师采用的办法是不断增加可实现复杂功能的指令和多种灵活的编址方式。使硬件越来越复杂,造价也相应提高为实现复杂操作,微处理器除向程序员提供类似各种寄存器和机器指令功能外还通过存于只读存贮器(ROM)中的微程序来实现其极强的功能 分析每一条指令之后执行一系列初级指令运算来完成所需的功能,这种设计的型式被称为复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer-CISC)结构一般CISC计
8、算机所含的指令数目至少300条以上,有的甚至超过500条日益庞大的指令系统不仅使计算机研制周期变长,而且还有难以调试、难以维护等一些自身无法克服的缺点。比如,IBM公司的大、中型计算机,Intel公司的8086、80286、80386微处理器等。,CISC计算机性能的提高往往是通过增加硬件的复杂性来获得,RISC,采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力,对提高计算机的性能是有益的IBM公司在纽约Yorktown的JhomasI.Wason研究中心于1975年组织力量研究指令系统的合理性问题,因为当时已感到,日趋庞杂的指令系统不但不易实现而且还可能降低系统性能1979年以帕特逊教授
9、为首的一批科学家也开始在美国加州大学伯克莱分校开展这一研究结果表明,CISC存在许多缺点首先在这种计算机中各种指令的使用率相差悬殊:一个典型程序的运算过程所使用的80指令只占一个处理器指令系统的20事实上最频繁使用的指令是取、存和加这些最简单的指令也就是说,机器执行的指令中85左右的都是简单指令,复杂指令甚少,这样-来,长期致力于复杂指令系统的设计,实际上是在设计一种难得在实践中用得上的指令系统的处理器同时复杂的指令系统必然带来结构的复杂性这不但增加了设计的时间与成本还容易造成设计失误尽管VLSI技术现在已达到很高的水平,但也很难把CISC的全部硬件做在一个芯片上,这也妨碍单片计算机的发展在C
10、ISC中,许多复杂指令需要极复杂的操作,这类指令多数是某种高级语言的直接翻版,因而通用性差降低被频繁调用的简单指令系统的运行速度针对CISC的这些弊病帕特逊等人提出了精简指令的设想指令系统只包含那些使用频率很高的少量指令提供一些必要的指令以支持操作系统和高级语言按照这个原则发展而成的计算机被称为精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer-RISC)结构简称RISC,RISC采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力,CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)是当前CPU的两种架构。它们的区别在于不同的CPU设计理念和方法。早期的
11、CPU全部是CISC架构,它的设计目的是要用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。如对于乘法运算,在CISC架构的CPU上,需要一条指令:MUL ADDRA, ADDRB就可以将ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器,相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求对于编译器的开发十分有利。比如上面的例子,C程序中的a*=b就可以直接编译为一条乘法指令。RISC的理念是使用简单的指令,降低硬件复杂度如上例子,MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL
12、A, B; STR ADDRA, A。这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU对编译器的设计有更高的要求,CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)是,CISC和RISC的区别,指令系统:RISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上,尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能,常通过组合指令来完成。因此,在RISC机器上实现特殊功能时,效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC计算机的指令系统比较丰富,有专用指令来完成特定的功能。因此,处理特殊任务效率较高。存储器操作:RISC对存储器操作有限制,使控制简
13、单化;而CISC机器的存储器操作指令多,操作直接。程序:RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间,实现特殊功能时程序复杂,不易设计;而CISC汇编语言程序编程相对简单,科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易,效率较高。,CISC和RISC的区别指令系统:RISC设计者把主要精力放,中断:RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断;而CISC机器是在一条指令执行结束后响应中断。CPU:RISCCPU包含有较少的单元电路,因而面积小、功耗低;而CISC CPU包含有丰富的电路单元,因而功能强、面积大、功耗大。设计周期:RISC微处理器结构简单,布局紧凑,设计周期短,且易于采用最新技术;CI
14、SC微处理器结构复杂,设计周期长。用户使用:RISC微处理器结构简单,指令规整,性能容易把握,易学易用;CISC微处理器结构复杂,功能强大,实现特殊功能容易。应用范围:由于RISC指令系统的确定与特定的应用领域有关,故RISC机器更适合于专用机;而CISC机器则更适合于通用机。,中断:RISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断;而C,RISC特点1.有限、简单的指令集2.CPU配备大量的通用寄存器3.强调对指令流水线的优化4.使用等长指令5.寻址方式少,绝不出现存储器间接寻址6.指令集中指令数一般少于100条,指令格式少于4种7.指令功能简单,控制器多采用硬布线方式等。,RISC特点,精
15、简指令系统计算机RISC的指令系统精简了,复杂指令系统计算机CISC的一条指令,在RISC中要用一串指令才能实现,那么,为什么RISC执行程序的速度比CISC还要快呢?,精简指令系统计算机RISC的指令系统精简了,复杂指令系统计算,PICPIT 其中:P是执行这个程序所使用的总的时间;I是这个程序所需执行的总的指令条数;CPI是每条指令执行的平均周期数;T是一个周期的时间长度。,PICPIT 其中:,类型指令条数指令平均周期数 CPI 周期时间 T CISC1,程序所执行的总的指令条数I由于RISC的指令都比较简单,CISC中的一条复杂指令所完成的功能在RISC中可能要用几条指令才能实现。对于
16、同一个源程序,分别编译后生成的动态目标代码,显然RISC的要比CISC的多。由于CISC中复杂指令使用的频度很低,程序中使用的绝大多数指令都是与RISC一样的简单指令,因此,实际上的统计结果表明,RISC的I长度只比CISC的长30至40。,程序所执行的总的指令条数I,指令平均执行周期数CPI由于CISC一般是用微程序实现的,一条指令往往要用好几个周期才能完成,一些复杂指令所要的周期数就更多。据统计,大多数CISC处理机,指令平均执行周期数CPI在4到6。RISC的大所数指令都是单周期执行的,它们的CPI应该是1。由于RISC中还有LOAD和STORE指令,也还有少数复杂指令,所以,CPI要略
17、大于1。SUN公司的SPARC处理机的CPI为1.3到1.4,SGI公司的MIPS处理机的CPI为1.1到1.2。,指令平均执行周期数CPI,一个周期的时间长度TRISC一般采用硬布线逻辑实现,指令要实现的功能都比较简单,所以,RISC的T通常要比CISC的T小。目前使用中RISC处理机的工作主频一般要比CISC处理机高。,一个周期的时间长度T,RISC的速度要比CISC快3倍左右。其中的关键在于RISC的指令平均执行周期数CPI减小了,这正是RISC设计思想的精华减小CPI是多个方面共同努力的结果在硬件方面,采用硬布线控制逻辑,减少指令和寻址方式的种类,使用固定的指令格式,采用LOAD/ST
18、ORE结构指令执行过程中设置多级流水线等软件方面强调优化编译技术的作用,RISC的速度要比CISC快3倍左右。其中的关键在于RISC,流水线,不同功能部件指令并行执行,流水线不同功能部件,Decode,Fetch,Execute,从存储器中读取指令,解码指令中用到的寄存器,寄存器读(从寄存器Bank)移位及ALU操作寄存器写(到寄存器Bank ),DecodeFetchExecute从存储器中读取指令解码指,三级最佳流水,该例中用8个时间片执行了6条指令所有的操作都在寄存器中(单周期执行),操作,1 2 3 45 6,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Exec
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