嵌入式硬件基础精选PPT.ppt
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1、关于嵌入式硬件基础第1页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式系统嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的大脑,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。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。第2页,讲稿共83张,创作于星期日主要内容1 13 32 24 4基本组成嵌入式处理器总线存储器第3页,讲稿共83张,创作于星期日n嵌入式微处理器n总线n存储器n输入/输出接口和设备嵌入式系统硬件组成第4页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器指令系统CISCCISC:复杂指令集(:复杂指令集(Complex Instructi
2、on Set ComputerComplex Instruction Set Computer)具有大量的指令和寻址方式,指令长度可变具有大量的指令和寻址方式,指令长度可变8/28/2原则:原则:80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISCRISC:精简指令集(:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令,指令长度固定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
3、令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单第5页,讲稿共83张,创作于星期日CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多,通常200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进行算术和逻辑操作,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
4、标代码程序 第6页,讲稿共83张,创作于星期日冯诺依曼体系结构嵌入式微处理器指令系统第7页,讲稿共83张,创作于星期日冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器算逻单元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第8页,讲稿共83张,创作于星期日哈佛体系结构指令寄存器控制器算逻单元输入输出CPU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地址指令地址数据第9页,讲稿共83张,创作于星期日Motorola公司DSP56311结构哈佛结构第10页,讲稿共83张,创作于星期日总线n嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中。n从微处理器的角度来看,总线可分为片外
5、总线和片内总线。n选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关,总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。第11页,讲稿共83张,创作于星期日存储器n嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存。n大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电后在主存中的代码直接运行。n外存是处理器不能直接访问的存储器,用来存放各种信息。第12页,讲稿共83张,创作于星期日存储器寄存器高速缓存SRAM主存储器SDRAM本地存储器Flash、ROM、磁盘网络存储器Flash、ROM、磁盘时钟周期01101010020,000,000分层结构第13页,讲稿共83张,创作于星期日主要内容1
6、13 32 24 4基本组成嵌入式处理器总线存储器第14页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的分类n嵌入式微处理器种类繁多,按位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。n按用途来分,嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP和通用的嵌入式微处理器两种:n嵌入式DSP:专用于数字信号处理,采用哈佛结构,程序和数据分开存储,采用一系列措施保证数字信号的处理速度。n通通用用的的嵌嵌入入式式微微处处理理器器:一般是集成了通用微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC芯片,有些还将DSP作为协处理器集成。第15页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的特点n集成度n体系结构n指令集n性能n功耗和管
7、理第16页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器是面向应用的,其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。在最普通的情况下,嵌入式微处理器包括:n片内存储器:部分嵌入式微处理器n外部存储器的控制器,外设接口(串口,并口)nLCD控制器:面向终端类应用的嵌入式微处理器n中断控制器,DMA控制器,协处理器n定时器,A/D、D/A转换器n多媒体加速器:当高级图形功能需要时n总线n其他标准接口或外设第17页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的集成度单芯片方式:三星单芯片方式:三星44B0X芯片的内部结构芯片的内部结构 单芯片方式第18页,讲稿共83张,创作于
8、星期日嵌入式微处理器的集成度芯片组方式:两芯片组的手持芯片组方式:两芯片组的手持PC方案方案 芯片组方式第19页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的体系结构n算术格式(ArithmeticFormat)n功能单元(FunctionalUnits)n流水线(Pipeline)n通常采用单周期执行指令,可能导致比较长的流水线第20页,讲稿共83张,创作于星期日流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术:几个指令可以并行执行技术:几个指令可以并行执行n 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率n 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取
9、指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp第21页,讲稿共83张,创作于星期日指令流水线以ARM为例n为增加处理器指令流的速度,ARM7 系列使用3级流水线.n允许多个操作同时处理,比逐条指令执行要快。n PC指向正被取指的指令,而非正在执行的指令FetchDecodeExecute从存储器中读取指令解码指令寄存器读(从寄存器Bank)移位及ALU操作寄存器写(到寄存器Bank)PCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb第22页,讲稿共83张,创作于星期日最佳流水线n该例中用6个时钟周期执行了6条指令n所有的操作都在寄存器中(单周期执行)n指令周期数(CPI)=1 操作
10、操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch第23页,讲稿共83张,创作于星期日LDR流水线举例nLDR R2,R3,#0 x0C!n该例中,用6周期执行了4条指令n指令周期数(CPI)=1.5 周期周期 操作操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRFetchDecodeE
11、xecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch第24页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的指令集n为满足应用领域的需要,嵌入式微处理器的指令集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。n类似于DSP的数字处理功能:n乘加(MAC)操作:它在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算。nSIMD类操作:允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算。n零开销的循环指令:采用硬件方式减少了循环的开销。n多媒体加速指令:像素处理、多边形、3D操作等指令。第25页,讲稿共
12、83张,创作于星期日嵌入式微处理器的性能n低端(低价,低性能)n一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS,应用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的应用系统中。n中档,低功耗n中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能(如150MIPS以上),采用增加时钟频率、加深流水深度、增加Cache及一些额外的功能块来提高性能,并保持低功耗。n高端n高端嵌入式微处理器用于高强度计算的应用,使用不同的方法来达到更高的并行度.第26页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式微处理器的功耗管理n大多数嵌入式系统有功耗的限制(特别是电池供电的系统),它们不支持使用风扇和其他冷却设备。n降低工作电压n提供不同的时
13、钟频率n关闭暂时不使用的功能块n提供功耗管理机制n总线及存储器对其的影响第27页,讲稿共83张,创作于星期日嵌入式处理器体系结构n按体系结构的不同可分为五大类nARMnMIPSnPOWERPCnSH系列nX86架构(CISC)第28页,讲稿共83张,创作于星期日第29页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器nARM处理器具有RISC体系结构的典型特征,同时具有以下特点:n在每条数据处理指令当中,都控制算术逻辑单元ALU和移位器,以使ALU和移位器获得最大的利用率;n自动递增和自动递减的寻址模式,以优化程序中的循环;n同时Load和Store多条指令,以增加数据吞吐量n所有指令都可以条件执行
14、,以增大执行吞吐量;n这些是对基本RISC体系结构的增强,使得ARM处理器可以在高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。第30页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:编程模型n数据类型n字节型数据(Byte):数据宽度为8bitsn半字数据类型(HalfWord):数据宽度为16bits,存取式必须以2字节对齐的方式n字数据类型(Word):数据宽度为32bits,存取式必须以4字节对齐的方式第31页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:CPU模式7 7种种种种CPUCPU模式模式模式模式 第32页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:处理器工作状态n处理器有
15、两种工作状态:nARM:32位,执行字对准的ARM指令nThumb:16位,执行半字对准的Thumb指令nARM和Thumb之间状态的切换不影响处理器的模式或寄存器的内容第33页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:处理器工作状态n进入Thumb状态:n执行BX指令,并设置操作数寄存器的状态(位0)为1。n在Thumb状态进入异常(IRQ,FIQ,UNDEF,ABORT,SWIetc.),当异常处理返回时自动转换到Thumb状态n进入ARM状态:n执行BX指令,并设置操作数寄存器的状态(位0)为0。n进入异常时,将PC放入异常模式链接寄存器中,从异常向量地址开始执行也可进入ARM状态第3
16、4页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:寄存器nARM处理器有37个寄存器n 31个通用寄存器:程序计数器、堆栈及其他通用寄存器n6个状态寄存器n这些寄存器不能同时看到n不同的处理器状态和工作模式确定哪些寄存器是对编程者是可见的第35页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:ARMState寄存器第36页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:ThumbState寄存器第37页,讲稿共83张,创作于星期日ARMState与ThumbState寄存器关系第38页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:程序状态寄存器nCPSR(当前程序状态寄存器)在所有的模式下都是可以读写的,
17、它主要包含:n条件标志n中断使能标志n当前处理器的模式n其它的一些状态和控制标志第39页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:程序状态寄存器n模式控制位M0-M4第40页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:异常nARMCPU将引起异常的类型分为7种第41页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:异常n异常的优先级第42页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:内存和I/OnARM的寻址空间是线性的地址空间,为232=4GnBytes0to3存储第一个word,bytes4to7存储第二个字nARM支 持 大 端(Big-endian)和 小 端(Little-endian
18、)的内存数据方式,可以通过硬件的方式设置(没有提供软件的方式)端模式第43页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:内存和I/O大端的数据存放格式大端的数据存放格式第44页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:内存和I/O小端的数据格式小端的数据格式 第45页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:内存和I/On实例n变量A:wordA=0 xf6734bcd,在内存中的起始地址为0 xb3204500n变量B:halfwordB=218,在内存中的起始地址为0 xddddddd0第46页,讲稿共83张,创作于星期日ARM微处理器:内存和I/On大端小端0 xb32045000
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