嵌入式系统体系结构与开发嵌入式处理器介绍和运行模式

寄存器较多
指令流水线
• 3级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行
• 5级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行 – 存储 –写
系统总线
• 总线
– 是CPU与存储器和设备通信的机制，是计 算机各部件之间传送数据、地址和控制信 息的公共通道。
• 总线分类
– 从微处理器的角度来分，总线可分为片外 总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如： AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE 等）。
• 指令执行次序：
– 顺序
– 跳转
• 程序计数器Program Counter（PC）
哈佛体系结构
• 程序与数据有独立的存储器 • PC只能指向程序存储器 • 独立编址运行
– 指令cache与数据cache – 适用于实时信号处理（大部分的DSP）
• 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种 并行体系结构，其主要特点是程序和数据 存储在不同的存储空间中，即程序存储器 和数据存储器是两个相互独立的存储器， 每个存储器独立编制、独立访问。与之相 对应的是系统中设置的两条总线（程序总
– 总线带宽越宽，传输率越高。
总线带宽(单位:MB/s) =（总线宽度/8）× 总线频率
多总线结构
– 数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。
Байду номын сангаас
– 成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接 器。
– 桥允许总线独立操作，在I/O操作中可提供某些
并行性。CPU
低速设备
高速总线 桥
低速总线
存储器 高速设备
– 从信号线功能和性质分，数据线、地址线 和控制线。
• 嵌入式系统的总线
系统总线参数
• 总线宽度
– 又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的 位数。如16位总线就是具有16位数据传送能力。
• 总线频率
– 总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高， 速度越快。
– 通常用MHz表示。
• 总线带宽
– 又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总 线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据 量来衡量。
冯.诺依曼结构与哈佛体系结构
• 两种体系结构比较
主存储器
地址 数据
CPU
MOV
PC
r8,#8
冯•诺依曼结构
地址 数据存储器 数据
地址 程序存储器
MOV r8,#8
指令 哈佛结构
CPU PC
RISC与CISC
• 嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集 系统和复杂指令集系统。
• 拼写:
– RISC（Reduced Instruction Set Computer） – CISC（Complex Instruction Set Computer）
• 总线结构
– 总线原理 – AMBA总线
• 存储结构 • 外部设备
计算机体系结构
• 计算机体系结构据不完全统计，目前全世 界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千 种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流 的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86 等。
• 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也可能具有不同的时钟速度 和总线数据宽度、集成不同的外部接口和 设备。
嵌入式系统体系结构与开发 嵌入式处理器介绍和运行模式
ARM 体系结构
计算机组成与结构 体系结构——冯.偌依曼与哈佛 指令系统——精简指令与复杂指令 总线结构——单总线与多总线结构 存储结构——多级存储结构
计算机组成结构
• 体系结构
– 冯.诺依曼结构 – 哈佛体系结构
• 指令系统
– CISC：复杂指令系统计算机 – RISC：精简指令系统计算机
– ASB（Advanced System Bus）：也用于高性 能系统模块的连接，由AHB总线替代；
– APB（Advanced Peripheral Bus）：用于较低 性能外设的简单连接，一般是接在AHB或ASB
AMBA
• S3C2410内部结构图
AMBA S3C2410多总线结构
高性能 总线
冯.诺依曼结构
• 计算机系统五大部件 – ALU
传统的微处理器采用的 冯·诺依曼结构将指令和数
– Controller
据存放在同一存储空间中，
– Memory – Input – Output
统一编址，指令和数据通过 同一总线访问。
• 核心部件
– 早期是CPU
– 后来是Memory,存储程序(stored program)：程序以数字形式存在，可以 与数据一样被读写
复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址
微码
寄存器较少
RISC
由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低 使用流水线降低指令的执行周期数， 增加代码尺寸
简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的CISC微代码指令
软件完成 简单的寻址模式，仅允许LOAD和 STORE指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器 直接执行
指令系统
RISC与CISC特点比较
价格 性能 指令集
高级语言支持
寻址模式 控制单元 寄存器数目
CISC
由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高 减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数 大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language） 硬件完成
桥与 DMA 仲裁器
外设 总线
AMBA-AHB总线
• 主单元
– 只有主单元可在任何时刻使用总线。AHB可以有一个或多个主单元。 – 主单元可以是RISC处理器、协处理器以及DMA控制器，以启动和控制总线操作。
• 从单元
– 可以响应（并非启动）读或写总线操作。
– 总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。
– 从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。
– 从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如外存接口、总线桥接口以 及任何内存都可以是从单元，系统的其他外设也包含在AHB的从单元中。
低速设备
AMBA总线规范
• AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是ARM 公司研发的一种总 线规范，目前为3.0 版本。
• 在AMBA总线规范中，定义了3种总线:
– AHB(Advanced High-performance Bus)：用于 高性能系统模块的连接，支持突发模式数据传 输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上 和片外存储器，支持流水线操作。