浙江大学嵌入式嵌入式系统3.pptx
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1、1微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物理综合(Candence)处理器的验证与测试第1页/共128页2今天计算机体系结构的研究内容今天计算机体系结构的研究内容进一步提高单个微处理器的性能基于微处理器的多处理器体系结构。全面提高计算机的系统性能:可用性,可维护性,可缩放性。新型器件的处理器。第2页/共128页3进一步提高单个微处理器的性能进一步提高单个微处理器的性能器件技术(2005年的 IC技术)200Mtransistors,0.1 feature size/onechip;2.0-3.5GHz,P
2、entium 1GHz;0.9-1.2V(工作电压)高性能体系结构Embedded Computer SystemReconfigurable computer ArchitecturePower-aware computer Architecture第3页/共128页4高性能处理器所采用的一些技术高性能处理器所采用的一些技术on-chip multilevel cache及pre-fetch buffer硬件实现进程的上下文切换大规模的片上分布式DRAM深度流水线 8-12 20级以上Advanced Super-scalar:16-32指令/clock cycleSuper-specula
3、tive Processor:fine-grain heavy speculationTrace ProcessorVector Intelligent RAM Procssor,V-IRAMon-chip multiprocessorInstruction-level Distributed Processing(ILDP)Clustered Dependence-based Architecture第4页/共128页5新型器件的处理器新型器件的处理器光速极限问题IC电路有极限:线宽不能无限缩小;性能价格+低功耗新型器件光计算机分子计算机DNA计算机:利用DNA保存复杂信息的巨大存储能力。用
4、核苷酸的排列表示各种信息,生物酶充当加减乘除操作,通过化学反应得出计算结果。第5页/共128页6第6页/共128页7第7页/共128页8instruction setsoftwarehardware第8页/共128页9第9页/共128页10指令集体系结构的设计内容指令集体系结构的设计内容数据格式:硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等寻址方式:寻址方式的种类、表示方法和地址计算等寄存器组织:操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器、及专用寄存器等的定义、数量和使用方法。指令系统:指令的选取。指令的操作数类型和格式。指令操作码优化和控制机构等。存贮器系统:最大可编址空间、最小编址单位、编址方式和主存
5、容量等。中断机构:中断的类型、中断分级、中断处理功能和中断入口地址等。机器级的结构:的联接方式、设备访问方式、数据的源、目的和吞吐量等。其它还包括:操作结束和出错指示。机器工作状态的定义和切换。信息保护保护方式等。第10页/共128页11指令系统结构评价的常规方法指令系统结构评价的常规方法第11页/共128页12测试程序的选择(测试程序的选择(1)实际程序用户用来解决问题的实际工作程序,即实际的工作负载,尽管不知道在工作负载中所占的比例.一般选择被用户广泛使用的、具有一定代表性的实际程序。如C编译器,文本编辑器等,有输入,输出,参数核心基准测试程序(kernel benchmark)从实际程序
6、中抽出来的能代表整个程序运行的主要工作的核心代码段,适于独立评价某一方面的性能抽取条件:这一段代码必须决定整个程序的执行时间如Livemore Loops(浮点循环),Linpack等第12页/共128页13测试程序的选择(测试程序的选择(2 2)简单基准测试程序(toy benchmark)事先知道结果的小程序(10100行)F如快速排序,八皇后问题 等综合基准程序(synthetic benchmark)和核心基准程序有点类似,但它不是从单个实际程序中提取,而是通过对大量的实际程序的执行情况进行统计,根据各类操作和操作数的使用频率,人为设计出来的一段小规模测试程序。如Whetstone,D
7、hrystone等第13页/共128页14指令系统与处理器结构的关系指令系统与处理器结构的关系第14页/共128页15指令系统与处理器结构的关系指令系统与处理器结构的关系第15页/共128页16指令系统考虑的问题指令系统考虑的问题第16页/共128页17微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物理综合(Candence)处理器的验证与测试第17页/共128页18微处理器的执行机制设计第18页/共128页19微处理器的执行机制设计第19页/共128页20微处理器的执行机制设计第20页/共128页21微处理器的
8、执行机制设计第21页/共128页22微处理器的执行机制设计第22页/共128页23微处理器的执行机制设计第23页/共128页24流水线相关说明流水线相关说明第24页/共128页25微处理器的执行机制设计第25页/共128页26微处理器的执行机制设计第26页/共128页27微处理器的执行机制设计第27页/共128页28第28页/共128页29第29页/共128页30第30页/共128页31第31页/共128页32多线索处理器举例多线索处理器举例第32页/共128页33微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物
9、理综合(Candence)处理器的验证与测试第33页/共128页34微处理器流水线结构设计流水深度流水段的任务分配流水线相关时钟设计:周期,双时钟寄存器与锁存器第34页/共128页35流水深度流水深度第35页/共128页36流水段的任务分配流水段的任务分配第36页/共128页37微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物理综合(Candence)处理器的验证与测试第37页/共128页38微处理器逻辑设计与实现处理器结构级评价工具总结寄存器级结构图指令逻辑寄存器级描述指令物理寄存器级描述数据通路设计控制器设计
10、中断控制设计处理器集成第38页/共128页39处理器结构级评价工具总结:指令级模拟指令级模拟第39页/共128页40寄存器级结构图第40页/共128页41微处理器设计微处理器设计 第41页/共128页42处理器逻辑设计处理器逻辑设计:数据通路和控制器数据通路和控制器第42页/共128页43微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物理综合(Candence)处理器的验证与测试第43页/共128页445 行为级行为级/逻辑级验证逻辑级验证功能级验证确保处理器与系统结构一致等价验证确保设计结果与功能模型相匹配电子
11、验证确保电路的正确性,在运行电压温度等环境下的稳定性流片前验证流片后验证第44页/共128页45验证的层次验证的层次系统验证芯片上系统验证行为级验证验证所实现的与所描述的一致性寄存器传输级结构验证模拟验证模型检验门级/晶体管级逻辑等式检验第45页/共128页46微处理器的系统结构设计微处理器的执行机制设计微处理器流水线结构设计微处理器逻辑设计与实现处理器逻辑综合(Synopsys)处理器物理综合(Candence)处理器的验证与测试第46页/共128页476 逻辑综合逻辑综合第47页/共128页48逻辑综合逻辑综合第48页/共128页49工艺库工艺库第49页/共128页50嵌入式体系结构嵌入式
12、体系结构 嵌入式指令集嵌入式CPU存储器IO设计SOC 第50页/共128页51设计嵌入式系统的第一步设计嵌入式系统的第一步确定指令系统,以指导选择嵌入式内核第51页/共128页52嵌入式微内核嵌入式微内核嵌入式微处理器嵌入式控制器嵌入式DSPSOC(在片系统)本章介绍微处理器(ARM),DSP(SHARC)第52页/共128页53一、计算机体系结构一、计算机体系结构1、冯.诺依曼结构五大部件:ALU,Controller,Memory,Input,Output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第53页/
13、共128页54指令执行次序:顺序跳转程序计数器Program Counter(PC)第54页/共128页552、哈佛体系结构、哈佛体系结构程序与数据有单独的存储器PC只能指向程序存储器目前仍然广泛应用指令cache与数据cache适用于实时信号处理(大部分的DSP)大量数据流入计算机数据必须在精确的时间内处理完成第55页/共128页563、RISC与与CISCCISC:复杂指令系统计算机RISC:精简指令系统计算机RISC一般性能比CISC高第56页/共128页574、汇编语言种类、汇编语言种类1)堆栈型汇编Push aPush bAddPop c第57页/共128页582)累加器型汇编累加器
14、型汇编Load aAdd bStore c第58页/共128页593)通用寄存器型汇编通用寄存器型汇编Load$1,ALoad$2,BAdd$3,$1,$2Store$3,C第59页/共128页60二、二、ARM处理器处理器属于RISC体系自己不制造VLSI设备,只提供授权ARM:只设计内核的英国公司第60页/共128页61ARM内核系列ARM720T第61页/共128页62ARM720T特性Features:32/16-bit RISC architecture(ARMv4T)Power-efficient three-stage pipeline 32-bit ALU and high-p
15、erformance multiplier 8 KByte unified cache Memory Management Unit(MMU)Extensive debug facilities:Embedded ICE-RT real-time debug unit JTAG interface unit Interface for direct connection to Embedded Trace Macrocell(ETM)第62页/共128页63集成ARM内核的芯片ARM720TCirrus Logic公司EP7312三星:应用于手持设备与网络设备Intel:StrongArm系列
16、&Xscale系列Motorola:手持设备(由68改过来)Cirrus Logic:EP7312第63页/共128页64ARM内核ARM内核被授权给数百家厂商ARM主要应用于无线局域网、3G、手机、手持设备、有线网络通讯应用形式:集成到专用芯片中作控制器第64页/共128页65ARM体系结构体系结构ARM7采用冯.诺依曼体系ARM9采用哈佛体系对汇编程序员透明第65页/共128页66ARM基本数据类型基本数据类型两种:32位长的字4个8bit的字节第66页/共128页67地址地址32位地址长度可以配置为低序或者高序 字的最低位放最低位字节(低序)字的最低位放最高位字节(高序)第67页/共12
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