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嵌入式系统基础知识现在学习的是第1页，共45页1 嵌入式系统的定义和组成 1.1 1.1 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义n根据根据IEEEIEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是（国际电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”n目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积基础，软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。、功耗严格要求的专用计算机系统。n可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备可以这样认为，嵌入式系统是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式的一部分。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户应用程序操作系统以及用户应用程序4 4个部分组成。个部分组成。“嵌入性嵌入性”、“专用性专用性”与与“计计算机系统算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌是嵌入式系统的三个基本要素，对象系统则是指嵌入式系统所嵌入的宿主系统。入的宿主系统。现在学习的是第2页，共45页1.2 1.2 嵌入式系统发展趋势嵌入式系统发展趋势n从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到的应用可以追溯到2020世纪世纪6060年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统AGCAGC（Apollo Guidance ComputerApollo Guidance Computer）。嵌入式系统的发展历程，大致经历）。嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下了以下4 4个阶段。个阶段。n（1 1）无操作系统阶段）无操作系统阶段n（2 2）简单操作系统阶段）简单操作系统阶段n（3 3）实时操作系统阶段）实时操作系统阶段n（4 4）面向）面向InternetInternet阶段阶段现在学习的是第3页，共45页1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外嵌入式系统通常由包含有嵌入式处理器、嵌入式操作系统、应用软件和外围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算围设备接口的嵌入式计算机系统和执行装置（被控对象）组成。嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和机系统是整个嵌入式系统的核心，可以分为硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定应用软件层。执行装置接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。的操作或任务。n1 1嵌入式计算机系统的硬件层嵌入式计算机系统的硬件层n硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAMSDRAM、ROMROM、FlashFlash等）、通用设等）、通用设备接口和备接口和I/OI/O接口（接口（A/DA/D、D/AD/A、I/OI/O等）。硬件层通常是一个以嵌入式处理器等）。硬件层通常是一个以嵌入式处理器为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作为中心的，包含有电源电路、时钟电路和存储器电路的电路模块，其中操作系统和应用程序都固化在模块的系统和应用程序都固化在模块的ROMROM中。中。现在学习的是第4页，共45页（1 1）嵌入式微处理器）嵌入式微处理器n嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心，嵌入式微处理器将通用CPUCPU中许中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于系统设计趋于小型化、高效率和高可靠性。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中。高可靠性。嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专门设计的系统中。n嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令诺依曼体系结构或哈佛体系结构，指令系统可以选用精简指令系统（系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer，RISCRISC）和复杂指令集系统）和复杂指令集系统CISCCISC（Complex Instruction Set Computer,CISCComplex Instruction Set Computer,CISC）。n嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过嵌入式微处理器有各种不同的体系，目前全世界嵌入式微处理器已经超过10001000多种，体系结构有多种，体系结构有3030多个系列，其中主流的体系有多个系列，其中主流的体系有ARMARM、MIPSMIPS、PowerPCPowerPC、X86X86等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线等。即使在同一体系中，也可以具有不同的时钟频率、数据总线宽度、接口和外设。目前没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，嵌宽度、接口和外设。目前没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。现在学习的是第5页，共45页（2 2）存储器）存储器n嵌入式系统的存储器包含嵌入式系统的存储器包含CacheCache、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。、主存储器和辅助存储器，用来存放和执行代码。nCacheCache是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段是一种位于主存储器和嵌入式微处理器内核之间的快速存储器阵列，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。时间微处理器使用最多的程序代码和数据。nCacheCache一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据一般集成在嵌入式微处理器内，可分为数据CacheCache、指令、指令CacheCache或混合或混合CacheCache，CacheCache的存储容量大小依不同处理器而定。的存储容量大小依不同处理器而定。n主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存主存储器用来存放系统和用户的程序及数据，是嵌入式微处理器能直接访问的存储器。主存储器包含有储器。主存储器包含有ROMROM和和RAMRAM，可以位于微处理器的内部或外部。常用的，可以位于微处理器的内部或外部。常用的ROMROM类存储器类存储器有有NOR FlashNOR Flash、EPROMEPROM和和PROMPROM等，等，RAMRAM类存储器有类存储器有SRAMSRAM、DRAMDRAM和和SDRAMSDRAM等，容量为等，容量为256KB256KB1GB1GB。n辅助存储器通常指硬盘、辅助存储器通常指硬盘、NAND FlashNAND Flash、CFCF卡、卡、MMCMMC和和SDSD卡等，用来存放大数据量的程卡等，用来存放大数据量的程序代码或信息，一般容量较大，但读取速度与主存相比要慢一些。序代码或信息，一般容量较大，但读取速度与主存相比要慢一些。现在学习的是第6页，共45页（3 3）通用设备接口和）通用设备接口和I/OI/O接口接口n嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的通用设备接口，如嵌入式系统通常具有与外界交互所需要的通用设备接口，如GPIOGPIO、A/DA/D（模数转换接口）、（模数转换接口）、D/AD/A（数模转换接口）、（数模转换接口）、RS-232RS-232接口（串行通接口（串行通信接口）、信接口）、EthernetEthernet（以太网接口）、（以太网接口）、USBUSB（通用串行总线接口）、音频接口（通用串行总线接口）、音频接口、VGAVGA视频输出接口、视频输出接口、I2CI2C（现场总线）、（现场总线）、SPISPI（串行外围设备接口）和（串行外围设备接口）和IrDAIrDA（红外线接口）等。（红外线接口）等。现在学习的是第7页，共45页2 2中间层中间层n中间层也称为硬件抽象层（中间层也称为硬件抽象层（Hardware Abstract LayerHardware Abstract Layer，HALHAL）或板级）或板级支持包（支持包（Board Support PackageBoard Support Package，BSPBSP），位于硬件层和软件层之间，），位于硬件层和软件层之间，将系统上层软件与底层硬件分离开来。将系统上层软件与底层硬件分离开来。nBSPBSP作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控作为上层软件与硬件平台之间的接口，需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，制具体硬件的方法。不同的操作系统具有各自的软件层次结构，BSPBSP需要需要为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。为不同的操作系统提供特定的硬件接口形式。BSPBSP使上层软件开发人员使上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据无需关心底层硬件的具体情况，根据BSPBSP层提供的接口即可进行开发。层提供的接口即可进行开发。nBSPBSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。分与硬件联系紧密的软件模块。BSPBSP一般包含相关底层硬件的初始化、数据一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。的输入输出操作和硬件设备的配置等功能。现在学习的是第8页，共45页（1 1）嵌入式系统硬件初始化）嵌入式系统硬件初始化n系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可以分为片级初始化、系统初始化过程按照自底向上、从硬件到软件的次序依次可以分为片级初始化、板级初始化和系统级初始化板级初始化和系统级初始化3 3个主要环节。个主要环节。n片级初始化是一个纯硬件的初始化过程，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存片级初始化是一个纯硬件的初始化过程，包括设置嵌入式微处理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模器和控制寄存器、嵌入式微处理器核心工作模式和嵌入式微处理器的局部总线模式等。式等。n板级初始化是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程，完成嵌入式微处理器以外的其板级初始化是一个同时包含软硬件两部分在内的初始化过程，完成嵌入式微处理器以外的其他硬件设备的初始化，设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的他硬件设备的初始化，设置某些软件的数据结构和参数，为随后的系统级初始化和应用程序的运行建立硬件和软件环境。运行建立硬件和软件环境。n系统级初始化主要进行操作系统的初始化。系统级初始化主要进行操作系统的初始化。BSPBSP将对嵌入式微处理器的控制将对嵌入式微处理器的控制权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作权转交给嵌入式操作系统，由操作系统完成余下的初始化操作。最后，操作系统。最后，操作系统创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。创建应用程序环境，并将控制权交给应用程序的入口。现在学习的是第9页，共45页（2 2）硬件相关的设备驱动程序）硬件相关的设备驱动程序nBSPBSP中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由中包含硬件相关的设备驱动程序，但是这些设备驱动程序通常不直接由BSPBSP使使用，而是在系统初始化过程中由用，而是在系统初始化过程中由BSPBSP将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关将他们与操作系统中通用的设备驱动程序关联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作联起来，并在随后的应用中由通用的设备驱动程序调用，实现对硬件设备的操作。现在学习的是第10页，共45页3 3系统软件层系统软件层n系统软件层通常包含有嵌入式操作系统（系统软件层通常包含有嵌入式操作系统（Embedded Operating SystemEmbedded Operating System，EOSEOS）、文件系统、网络系统及通用组件模块组成。文件系统、网络系统及通用组件模块组成。n（1 1）嵌入式操作系统）嵌入式操作系统nEOSEOS除具备了一般操作系统最基本的任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还除具备了一般操作系统最基本的任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能外，还具有如下特点：具有如下特点：n强实时性；强实时性；n支持开放性和可伸缩性的体系结构，具有可裁减性；支持开放性和可伸缩性的体系结构，具有可裁减性；n提供统一的设备驱动接口；提供统一的设备驱动接口；n支持支持TCP/IPTCP/IP协议及其他协议，提供协议及其他协议，提供TCP/UDP/IP/PPPTCP/UDP/IP/PPP协议支持及统一的协议支持及统一的MACMAC访问层接口，提访问层接口，提供强大的网络功能；供强大的网络功能；n嵌入式操作系统的用户接口通过系统的调用命令向用户程序提供服务；嵌入式操作系统的用户接口通过系统的调用命令向用户程序提供服务；n嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预；嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预；n嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的嵌入式操作系统和应用软件被固化在嵌入式系统计算机的ROMROM中；中；n具有良好的硬件适应性（可移植性）。具有良好的硬件适应性（可移植性）。现在学习的是第11页，共45页（2 2）文件系统）文件系统n嵌入式文件系统主要提供文件存储、检索和更新等功能。嵌入式文件系统通常支嵌入式文件系统主要提供文件存储、检索和更新等功能。嵌入式文件系统通常支持持FAT32FAT32、JFFS2JFFS2、YAFFSYAFFS等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定等几种标准的文件系统，一些嵌入式文件系统还支持自定义的实时文件系统。义的实时文件系统。n嵌入式文件系统以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，如设置、修改对文嵌入式文件系统以系统调用和命令方式提供文件的各种操作，如设置、修改对文件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打件和目录的存取权限，提供建立、修改、改变和删除目录等服务，提供创建、打开、读写、关闭和撤销文件等服务。开、读写、关闭和撤销文件等服务。4 4应用软件层应用软件层n应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程序组成，面向被控对象应用软件层用来实现对被控对象的控制功能，由所开发的应用程序组成，面向被控对象和用户。和用户。现在学习的是第12页，共45页1.4 1.4 实时系统实时系统nRTOSRTOS与通用计算机系统不同，要求系统中的任务不但执行结果要正确，而且必须与通用计算机系统不同，要求系统中的任务不但执行结果要正确，而且必须在一定的时间约束（在一定的时间约束（DeadlineDeadline）内完成。在）内完成。在RTOSRTOS中，一个逻辑上正确的计算结果中，一个逻辑上正确的计算结果，若其产生的时间晚于某个规定的时间，那么也认为系统的行为是不正确的。，若其产生的时间晚于某个规定的时间，那么也认为系统的行为是不正确的。n1 1RTOSRTOS定义定义nRTOSRTOS是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部是指能够在指定或者确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所、同步或异步时间做出响应的系统，系统能够处理和存储控制系统所需要的大量数据。需要的大量数据。RTOSRTOS的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依的正确性不仅依赖于系统计算的逻辑结果，还依赖于产生这个结果的时间。赖于产生这个结果的时间。现在学习的是第13页，共45页2 2RTOSRTOS特点特点n（1 1）约束性）约束性nRTOSRTOS任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。任务的约束包括时间约束、资源约束、执行顺序约束和性能约束。nRTOSRTOS的任务具有时间约束性。时间约束性可分为的任务具有时间约束性。时间约束性可分为“硬实时硬实时”和和“软实时软实时”。n硬实时是指在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，硬实时是指在航空航天、军事、核工业等一些关键领域中应用的系统，时间要求必须能够得到完全满足，否则将造成不可预计的结果。时间要求必须能够得到完全满足，否则将造成不可预计的结果。n软实时通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，有时间约束软实时通常是指在监控系统、信息采集系统等某些应用中，有时间约束要求，但偶尔违反不会造成严重影响。要求，但偶尔违反不会造成严重影响。n资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源资源约束是指多个实时任务共享有限的资源时，必须按照一定的资源访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务访问控制协议进行同步，以避免死锁和高优先级任务被低优先级任务堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。堵塞的时间（即优先级倒置时间）不可预测。现在学习的是第14页，共45页n执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束执行顺序约束是指各任务的启动和执行必须满足一定的时间和顺序约束。例如，在分布式端到端（。例如，在分布式端到端（end-to-endend-to-end）实时系统中，同一任务的各子任）实时系统中，同一任务的各子任务之间存在前驱后继约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启务之间存在前驱后继约束关系，需要执行同步协议来管理子任务的启动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度性要求。动和控制子任务的执行，使它们满足时间约束和系统可调度性要求。n性能约束是指必须满足如可靠性、可用性、可预测性、服务质量（性能约束是指必须满足如可靠性、可用性、可预测性、服务质量（Quality of ServiceQuality of Service，QoSQoS）等性能指标。）等性能指标。现在学习的是第15页，共45页n（2 2）可预测性）可预测性n可预测性是指可预测性是指RTOSRTOS完成实时任务所需要的执行时间应是可知的。完成实时任务所需要的执行时间应是可知的。n（3 3）可靠性）可靠性n大多数大多数RTOSRTOS要求有较高的可靠性，要求系统在最坏情况下都能正常工作或避要求有较高的可靠性，要求系统在最坏情况下都能正常工作或避免损失。可靠性是免损失。可靠性是RTOSRTOS的重要性能指标。的重要性能指标。n（4 4）交互性）交互性n外部环境是外部环境是RTOSRTOS不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控子系统不可缺少的一个组成部分，外部环境往往是被控子系统，两者相互作用构成完整的实时系统。，两者相互作用构成完整的实时系统。现在学习的是第16页，共45页3 3RTOSRTOS调度调度n给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行的整个过程就是调度给定一组实时任务和系统资源，确定每个任务何时何地执行的整个过程就是调度。而。而RTOSRTOS中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足它们的时间约束，及时对外部中调度的目的则是要尽可能地保证每个任务满足它们的时间约束，及时对外部请求做出响应。实时调度技术常用的有以下两种。请求做出响应。实时调度技术常用的有以下两种。n（1 1）抢占式调度和非抢占式调度）抢占式调度和非抢占式调度n抢占式调度通常是优先级驱动的调度。每个任务都有优先级，任何时候具有最高抢占式调度通常是优先级驱动的调度。每个任务都有优先级，任何时候具有最高优先级且已启动的任务先执行。抢占式调度实时性好、反应快，调度算法相对简优先级且已启动的任务先执行。抢占式调度实时性好、反应快，调度算法相对简单，可优先保证高优先级任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而非抢占式单，可优先保证高优先级任务的时间约束，其缺点是上下文切换多。而非抢占式调度是指不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用微处理器就必须执行完毕调度是指不允许任务在执行期间被中断，任务一旦占用微处理器就必须执行完毕或自愿放弃，其优点是上下文切换少，缺点是微处理器有效资源利用率低，可调或自愿放弃，其优点是上下文切换少，缺点是微处理器有效资源利用率低，可调度性不好。度性不好。n（2 2）静态表驱动策略和优先级驱动策略）静态表驱动策略和优先级驱动策略n静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采静态表驱动策略是一种离线调度策略，指在系统运行前根据各任务的时间约束及关联关系，采用某种搜索策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相应的用某种搜索策略生成一张运行时刻表。在系统运行时，调度器只需根据这张时刻表启动相应的任务即可。任务即可。现在学习的是第17页，共45页4 4RTOSRTOS分类分类nRTOSRTOS主要分为强实时（主要分为强实时（Hard Real-TimeHard Real-Time）系统和弱实时（）系统和弱实时（Soft Real-TimeSoft Real-Time）系统两类。强实时系统应用在航空航天、军事、核工业等领域中，弱实时系统如系统两类。强实时系统应用在航空航天、军事、核工业等领域中，弱实时系统如视频点播系统、信息采集与检索系统等。视频点播系统、信息采集与检索系统等。5 5实时任务分类实时任务分类n实时任务的分类方法有多种实时任务的分类方法有多种n根据任务的周期划分，可以分为周期任务、偶发任务和非周期任务根据任务的周期划分，可以分为周期任务、偶发任务和非周期任务3 3类。类。n根据是否允许任务超时，以及超时后对系统造成的影响，任务又分为根据是否允许任务超时，以及超时后对系统造成的影响，任务又分为强实时任务、准实时任务、弱实时任务和弱一强实时任务强实时任务、准实时任务、弱实时任务和弱一强实时任务4 4类。类。现在学习的是第18页，共45页2 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构n2.1 2.1 冯冯诺依曼结构与哈佛结构诺依曼结构与哈佛结构n1 1冯冯诺依曼（诺依曼（Von NeumannVon Neumann）结构）结构n冯冯诺依曼结构的计算机由诺依曼结构的计算机由CPUCPU和存储器构成，其程序和数据共用一个存和存储器构成，其程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同物理位置；采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。程序计数器（。程序计数器（PCPC）是）是CPUCPU内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。内部指示指令和数据的存储位置的寄存器。nCPUCPU通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令通过程序计数器提供的地址信息，对存储器进行寻址，找到所需要的指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。处理器执行指令或数据，然后对指令进行译码，最后执行指令规定的操作。处理器执行指令时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要时，先从储存器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。耗费几个甚至几十个周期，在高速运算时，在传输通道上会出现瓶颈效应。n使用冯诺依曼结构的使用冯诺依曼结构的CPUCPU和微控制器有和微控制器有IntelIntel公司的公司的80868086系列及其他系列及其他CPUCPU，ARMARM公司的公司的ARM7ARM7、MIPSMIPS公司的公司的MIPSMIPS处理器等。处理器等。现在学习的是第19页，共45页n2 2哈佛（哈佛（HarvardHarvard）结构）结构n哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储哈佛结构的主要特点是将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，每个存储器独立编址、独立访问器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这。系统中具有程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高执行速度，提高数自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高执行速度，提高数据的吞吐率。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指据的吞吐率。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠，具有较高的执行效率。和执行能完全重叠，具有较高的执行效率。n目前使用哈佛结构的目前使用哈佛结构的CPUCPU和微控制器品种有很多，有摩托罗拉公司的和微控制器品种有很多，有摩托罗拉公司的MC68MC68系列、系列、ZilogZilog公司的公司的Z8Z8系列、系列、ATMELATMEL公司的公司的AVRAVR系列和系列和ARMARM公司的公司的ARM9ARM9、ARM10ARM10和和ARM11ARM11等。等。现在学习的是第20页，共45页n2.2 2.2 精简指令集计算机精简指令集计算机n早期的计算机采用复杂指令集计算机（早期的计算机采用复杂指令集计算机（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer，CISCCISC）体系，例如）体系，例如IntelIntel公司的公司的X86X86系列系列CPUCPU，从，从80868086到到PentiumPentium系列，采用系列，采用的都是典型的的都是典型的CISCCISC体系结构。采用体系结构。采用CISCCISC体系结构的计算机各种指令的使用体系结构的计算机各种指令的使用频率相差悬殊，统计表明，大概有频率相差悬殊，统计表明，大概有20%20%的比较简单的指令被反复使用，使用量的比较简单的指令被反复使用，使用量约占整个程序的约占整个程序的80%80%；而有；而有80%80%左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的左右的指令则很少使用，其使用量约占整个程序的20%20%，即指令的，即指令的2/82/8规律。在规律。在CISCCISC中，为了支持目标程序的优化，支持高级语中，为了支持目标程序的优化，支持高级语言和编译程序，增加了许多复杂的指令，用一条指令来代替一串指令。通过言和编译程序，增加了许多复杂的指令，用一条指令来代替一串指令。通过增强指令系统的功能，简化软件，确增加了硬件的复杂程度。而这些复杂指增强指令系统的功能，简化软件，确增加了硬件的复杂程度。而这些复杂指令并不等于有利于缩短程序的执行时间。在令并不等于有利于缩短程序的执行时间。在VLSIVLSI制造工艺中要求制造工艺中要求CPUCPU控制逻控制逻辑具有规整性，而辑具有规整性，而CISCCISC为了实现大量复杂的指令，控制逻辑极不规整，为了实现大量复杂的指令，控制逻辑极不规整，给给VLSIVLSI工艺造成很大困难。工艺造成很大困难。现在学习的是第21页，共45页n精简指令集计算机（精简指令集计算机（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer，RISCRISC）体）体系结构是在系结构是在CISCCISC的基础上产生并发展起来的，的基础上产生并发展起来的，RISCRISC的着眼点不是简单地放在简的着眼点不是简单地放在简化指令系统上，而是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高化指令系统上，而是通过简化指令系统使计算机的结构更加简单合理，从而提高运算效率。在运算效率。在RISCRISC中，优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指中，优先选取使用频率最高的、很有用但不复杂的指令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种令，避免使用复杂指令；固定指令长度，减少指令格式和寻址方式种类；类；指令之间各字段的划分比较一致，各字段的功能也比较规整；指令之间各字段的划分比较一致，各字段的功能也比较规整；采用采用Load/StoreLoad/Store指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；增加；增加CPUCPU中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存中通用寄存器数量，算术逻辑运算指令的操作数都在通用寄存器中存取；大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；以硬布线控制逻辑为主取；大部分指令控制在一个或小于一个机器周期内完成；以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制；采用高级语言编程，重视编译优化工作，以减少程序执，不用或少用微码控制；采用高级语言编程，重视编译优化工作，以减少程序执行时间。行时间。现在学习的是第22页，共45页2.3 2.3 流水线技术流水线技术n1 1流水线的基本概念流水线的基本概念n流水线技术应用于计算机系统结构的各个方面，流水线技术的基本思想是将流水线技术应用于计算机系统结构的各个方面，流水线技术的基本思想是将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。功能段上与其他子过程同时执行。n在流水线技术中，流水线要求可分成若干相互联系的子过程，实现子过程的在流水线技术中，流水线要求可分成若干相互联系的子过程，实现子过程的功能所需时间尽可能相等。形成流水处理，需要一段准备时间。指令流发生功能所需时间尽可能相等。形成流水处理，需要一段准备时间。指令流发生不能顺序执行时，会使流水线过程中断，再形成流水线过程则需要时间。不能顺序执行时，会使流水线过程中断，再形成流水线过程则需要时间。现在学习的是第23页，共45页n指令流水线就是将一条指令分解成一连串执行的子过程，例如把指令指令流水线就是将一条指令分解成一连串执行的子过程，例如把指令的执行过程细分为取指令、指令译码、取操作数和执行的执行过程细分为取指令、指令译码、取操作数和执行4 4个子过程。在个子过程。在CPUCPU中把一条指令的串行执行子过程变为若干条指令的子过程在中把一条指令的串行执行子过程变为若干条指令的子过程在CPUCPU中重叠执中重叠执行。如果能做到每条指令均分解为行。如果能做到每条指令均分解为m m个子过程，且每个子过程的执行时间个子过程，且每个子过程的执行时间都一样，则利用此条流水线可将一条指令的执行时间都一样，则利用此条流水线可将一条指令的执行时间T T由原来的由原来的T T缩短缩短为为T T/m m。指令流水线处理的时空图如图。指令流水线处理的时空图如图1.2.11.2.1所示，其中的所示，其中的1 1、2 2、3 3、4 4、5 5表示要处理的表示要处理的5 5条指令。从图可见采用流水方式可同时执行多条指令。条指令。从图可见采用流水方式可同时执行多条指令。现在学习的是第24页，共45页图1.2.1 指令流水线处理的时空图现在学习的是第25页，共45页n2.2.流水线处理机的主要指标流水线处理机的主要指标n（1 1）吞吐率）吞吐率n在单位时间内，流水线处理机流出的结果数称为吞吐率。对指令而言在单位时间内，流水线处理机流出的结果数称为吞吐率。对指令而言就是单位时间里执行的指令数。如果流水线的子过程所用时间不一样就是单位时间里执行的指令数。如果流水线的子过程所用时间不一样长，则吞吐率长，则吞吐率P P应为最长子过程的倒数，即：应为最长子过程的倒数，即：n（2 2）建立时间）建立时间n流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立流水线开始工作，须经过一定时间才能达到最大吞吐率，这就是建立时间。若时间。若m m个子过程所用时间一样，均为个子过程所用时间一样，均为t t0 0，则建立时间，则建立时间T T0 0mmt t0 0。现在学习的是第26页，共45页n2.4 2.4 信息存储的字节顺序信息存储的字节顺序n1 1大端和小端存储法大端和小端存储法n大多数计算机使用大多数计算机使用8 8位（位（bitbit）的数据块做为最小的可寻址的存储器单位，）的数据块做为最小的可寻址的存储器单位，称为一个字节。存储器的每一个字节都用一个唯一的地址（称为一个字节。存储器的每一个字节都用一个唯一的地址（addressaddress）来）来标识。所有可能地址的集合称为存储器空间。标识。所有可能地址的集合称为存储器空间。n对于一个多字节类型的数据，在存储器中有两种存放方法。对于一个多字节类型的数据，在存储器中有两种存放方法。n低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处，称为小低字节数据存放在内存低地址处，高字节数据存放在内存高地址处，称为小端字节顺序存储法；端字节顺序存储法；n高字节数据存放在内存低地址处，低字节数据存放在内存高地址处，称为大高字节数据存放在内存低地址处，低字节数据存放在内存高地址处，称为大端字节顺序存储法。端字节顺序存储法。现在学习的是第27页，共45页n例如，假设一个例如，假设一个3232位字长的微处理器上定义一个位字长的微处理器上定义一个intint类型的常量类型的常量a a，其内存，其内存地址位于地址位于0 x60000 x6000处，其值用十六进制表示为处，其值用十六进制表示为0 x234567890 x23456789。如图。如图1.2.21.2.2（a a）所示，如果按小端法存储，则其最低字节数据所示，如果按小端法存储，则其最低字节数据0 x890 x89存放在内存低地址存放在内存低地址0 x60000 x6000处处，最高字节数据，最高字节数据0 x230 x23存放在内存高地址存放在内存高地址0 x60030 x6003处。如图处。如图1.2.21.2.2（b b）所示，）所示，如果按大端法存储，则其最高字节数据如果按大端法存储，则其最高字节数据0 x230 x23存放在内存的低地址存放在内存的低地址0 x60000 x6000处，处，而最低字节数据而最低字节数据0 x890 x89存放在内存的高地址存放在内存的高地址0 x60030 x6003处。处。现在学习的是第28页，共45页地址0 x60000 x60010 x60020 x6003数据（十六进制）0 x890 x670 x450 x23数据（二进制）01100111010001010010001100000001（a）小端存储法地址0 x60000 x60010 x60020 x6003数据（十六进制）0 x230 x450 x670 x89数据（二进制）01100111010001010010001100000001（b）大端存储法图1.2.2 大端和小端存储法示例现在学习的是第29页，共45页n采用大端存储法还是小端存储法，各处理器厂商的立场和习惯不同，采用大端存储法还是小端存储法，各处理器厂商的立场和习惯不同，并不存在技术原因。并不存在技术原因。IntelIntel公司公司X86X86系列的微处理器都采用小端存储法系列的微处理器都采用小端存储法，而，而IBMIBM、MotorolaMotorola和和Sun MicrosystemsSun Microsystems公司的大多数微处