二、嵌入式系统的基本知识

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1、嵌入式系统设计与实例开发—基于ARM微处理器与实时操作系统第二讲基本概念及设计方法主讲教师：罗子波副教授本节提要132嵌入式系统硬件知识嵌入式系统软件知识嵌入式系统的选择原则和设计工具嵌入式微处理器简介嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器的分类2.1嵌入式系统硬件知识嵌入式微处理器简介嵌入式硬件系统组成：嵌入式微处理器：控制单元ALU寄存器存储器输入/输出单元嵌入式处理器的基本结构（1）微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器。算术逻辑单元寄存器控制单元微处理器存储器输入输出嵌入式处理器的基本结构（2）控制单元：主要负责取

2、指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。算术逻辑单元：算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。寄存器：用于存储暂时性的数据。主要是从

3、存储器中所得到的数据（这些数据被送到算术逻辑单元中进行处理）和算术逻辑单元中处理好的数据（再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构CISC与RISC信息存储的字节顺序IP核流水线存储器系统2.1.2嵌入式微处理器体系结构冯·诺依曼体系结构模型指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据CISC和RISCCISC：复杂指令集（ComplexInstr

4、uctionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式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)在通道中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CISC与RISC的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道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（

5、微程序）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（微程序）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

6、能分配复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，降低了CPU性能。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PowerPCDEC、

7、Compac公司的AlphaAXPIBM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较少，通常少于100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没有较长执行时间的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简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，Load/Store体系结构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

8、码程序for(i=0;i<10000;++i)/*