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时间:2018-08-05
《第2章 嵌入式硬件基础(1)》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、CHAPTER嵌入式硬件基础本节提要11嵌入式系统硬件基础22嵌入式系统开发环境33嵌入式系统硬件开发流程44芯片封装知识简介如人的大脑,决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序,把硬件功能发挥到极至。嵌入式系统软件部分如人的手、脚、神经等部位,决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。嵌入式系统硬件部分嵌入式系统硬件基础¢RISC和CISC¢冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构¢流水线¢嵌入式微处理器体系结果¢总线¢高速输入输出接口¢输入输出设备¢存储器CISC和RISCCISC:复杂指令集(ComplexInstructionSetComputer)具有大量的指令和
2、寻址方式,指令长度可变8/2原则:80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISC:精简指令集(ReducedInstructionSetComputer)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单CISC与RISC的数据通道开始IFIDALUMEMREG退出微操作通道CISC:寻址方式复杂开始IFIDREGALUMEM退出单通数据通道RISC:Load/Store结构CISC的背景和特点¢背景:存储资源紧缺,强调编译优化¢增强指令功能,设置一些功能复杂的指令,把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的(微程
3、序)指令系统来实现¢为节省存储空间,强调高代码密度,指令格式不固定,指令可长可短,操作数可多可少¢寻址方式复杂多样,操作数可来自寄存器,也可来自存储器¢采用微程序控制,执行每条指令均需完成一个微指令序列¢CPI>5,指令越复杂,CPI越大。CISC的主要缺点¢指令使用频度不均衡。¢高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间,扩充的复杂指令往往是低频度指令。¢大量复杂指令的控制逻辑不规整,不适于VLSI工艺¢VLSI的出现,使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现,而不希望用微程序,因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。¢软硬功能分配¢复杂指令增加硬件的复
4、杂度,使指令执行周期大大加长,直接访存次数增多,数据重复利用率低。¢不利于先进指令级并行技术的采用¢流水线技术RISC基本设计思想¢减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle¢精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令¢采用Load/Store结构,有助于减少指令格式,统一存储器访问方式¢采用硬接线控制代替微程序控制RISC的提出与发展¢Load/Store结构提出:CDC6600(1963)--CRAY1(1976)¢RISC思想最早在IBM公司提出,但不叫RISC,IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。¢1980年,Berk
5、eley的Patterson和Dizel提出RISC名词,并研制了RISC-Ι,Π实验样机。¢1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。¢85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARCV1(1987)典型的高性能RISC处理器¢SUN公司的SPARC(1987)¢MIPS公司的SGI:MIPS(1986)¢HP公司的PA-RISC,¢IBM,Motorola公司的PowerPC¢DEC、Compac公司的AlphaAXP¢IBM的RS6000(1990)第一台SuperscalarRISC机CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多
6、较少,通常少于100执行时间有些指令执行时间很长,如没有较长执行时间的指令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简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行只能对寄存器进行算术和逻辑算术和逻辑操作操作,Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效采用优化编译技术,生成高效的目标代码程序的目标代码程序冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构存储器指令寄存器程序控制器指令0指令1指令2指令3指令4数据通道数据输入输出中央处理器数据0数据1数据2哈佛体系结构地址程序存储器指令寄存器指令0控制器指令1
7、指令指令2地址数据存储器数据通道输入输出数据0CPU数据1数据数据2流水线技术流水线(Pipeline)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Add取指译码执行addSub取指译码执行subCmp取指译码执行cmp时间指令流水线—以ARM为例¢为增加处理器指令流的速度,ARM7系列使用3级流水线.¢允许多个操作同时处理,比逐条指令执行要快。ARMThumbPCPCFetch从存储器中读
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