【精品】arm嵌入式技术原理与应用（可编辑.ppt

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1、ARM嵌入式技术原理与应用第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍1.1 1.1 嵌入式系统（嵌入式系统（Embedded systemEmbedded system）嵌入式系统有时也称为嵌入式计算机系统，指的是专用计算机系统。嵌入式系统有时也称为嵌入式计算机系统，指的是专用计算机系统。个人电脑个人电脑嵌入式系统嵌入式系统 （通用）（通用）（专用，嵌入到对象体中）（专用，嵌入到对象体中）嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件嵌入式系统的定义是：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算可裁剪，对功能、可靠性、成本、

2、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。机系统。以上定义突出了它的以上定义突出了它的“嵌入性嵌入性”和和“专用性专用性”，将其与通用计算机区，将其与通用计算机区分开。分开。第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍1.2 1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及电子技术与各行业的具体应用相结合的产物。行业的具体应用相结合的产物。嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式嵌入式系统通常是面向用户、面向产品、面向特定应用的。嵌入式系统系统CPUCPU都具有功耗低、体积小、集成度高等

3、特点，能够把通用都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPUCPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使整个系统设计趋中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而使整个系统设计趋于小型化，移动能力日益增强，与网络的关系也越来越密切。于小型化，移动能力日益增强，与网络的关系也越来越密切。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，其升级换代也是和具体产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长产品同步进行的。因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生存周期。的生存周期。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的

4、软件一般都固化为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。在存储器芯片或单片机中，而不是存储于磁盘等载体中。嵌入式系统本身并不具备在其上进一步开发的能力。嵌入式系统本身并不具备在其上进一步开发的能力。第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍1.3 1.3 嵌入式系统发展历程嵌入式系统发展历程嵌入式计算机系统与通用计算机系统目前属于计算机技术的两大分支。嵌入式计算机系统与通用计算机系统目前属于计算机技术的两大分支。嵌入式系统的发展大致经历了嵌入式系统的发展大致经历了4 4个阶段：个阶段：第一阶段：单片微型计算机（第一阶段：单片微型计

5、算机（SCMSCM）阶段，即单片机时代。这一阶段的）阶段，即单片机时代。这一阶段的 嵌入式系统硬件是单片机，软件停留在无操作系统阶段，采用汇编嵌入式系统硬件是单片机，软件停留在无操作系统阶段，采用汇编语言实现系统的功能。这阶段的主要特点是：系统结构和功能相对语言实现系统的功能。这阶段的主要特点是：系统结构和功能相对单一、处理效率低、存储容量也十分有限，几乎没有用户接口。单一、处理效率低、存储容量也十分有限，几乎没有用户接口。第二阶段：微控制器（第二阶段：微控制器（MUCMUC）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突显其

6、对象的智能化控对象系统要求的各种外围电路和接口电路，突显其对象的智能化控制能力。这一阶段主要以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统制能力。这一阶段主要以嵌入式微处理器为基础、以简单操作系统为核心，主要特点是硬件使用嵌入式微处理器，微处理器的种类繁为核心，主要特点是硬件使用嵌入式微处理器，微处理器的种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；软件采用嵌入式操作系多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；软件采用嵌入式操作系统，这类操作系统有一点的兼容性和扩展性；这个阶段的嵌入式产统，这类操作系统有一点的兼容性和扩展性；这个阶段的嵌入式产品的应用软件比较专业化，用户界面不够友好。品的应用软件比较专业化

7、，用户界面不够友好。第三阶段：片上系统（第三阶段：片上系统（SOCSOC），主要特点是：嵌入式系统能够运行于各），主要特点是：嵌入式系统能够运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小，效果好。种不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统的内核小，效果好。第四阶段：以第四阶段：以InternetInternet为标志的嵌入式系统。嵌入式网络化主要表现在为标志的嵌入式系统。嵌入式网络化主要表现在两个方面，一方面是嵌入式处理器集成了网络接口，另一方面是嵌两个方面，一方面是嵌入式处理器集成了网络接口，另一方面是嵌入式设备应用于网络环境中入式设备应用于网络环境中 。第一章嵌入式系统介绍第一

8、章嵌入式系统介绍1.4 1.4 嵌入式系统基本结构嵌入式系统基本结构嵌入式系统的基本结构一般可分为硬件和软件两部分。嵌入式系统的基本结构一般可分为硬件和软件两部分。1.4.1 1.4.1 嵌入式系统的硬件嵌入式系统的硬件 包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口。1 1、嵌入式处理器：是构成系统的核心部件，系统工程中的其他部件均在、嵌入式处理器：是构成系统的核心部件，系统工程中的其他部件均在它的控制和调度下工作。处理器通过专用的接口获取监控对象的数据、它的控制和调度下工作。处理器通过专用的接口获取监控对象的数据、状态等各种信息，并对这些信息进行计算、加

9、工、分析和判断并作出状态等各种信息，并对这些信息进行计算、加工、分析和判断并作出相应的控制决策，再通过专用接口将控制信息传送给控制对象。相应的控制决策，再通过专用接口将控制信息传送给控制对象。嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式微处理器嵌入式微处理器（EMPU）嵌入式微控制器嵌入式微控制器（EMCU）嵌入式数字信号嵌入式数字信号处理器处理器（EDSP）嵌入式片上系统嵌入式片上系统（ESOC）第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍1 1、BSPBSP 在嵌入式操作系统中，在嵌入式操作系统中，BSPBSP以嵌入式操作系统以嵌入式操作系统“驱动程序驱动程序”的身份出现的身份出现，在系统启动之初，在系统启

10、动之初，BSPBSP所做的工作类似于通用计算机的所做的工作类似于通用计算机的BIOSBIOS，它也负，它也负责系统加电，各种设备初始化、操作系统装入等。但责系统加电，各种设备初始化、操作系统装入等。但BSPBSP与与BIOSBIOS是不同是不同的，主要区别有以下几个方面：的，主要区别有以下几个方面：BSPBSP是与操作系统相适应的，但是是与操作系统相适应的，但是BIOSBIOS却是和所在的主板相适应的却是和所在的主板相适应的，也就是说，也就是说BSPBSP的作用是让硬件支持某种嵌入式操作系统，而的作用是让硬件支持某种嵌入式操作系统，而BIOSBIOS的作的作用是让所有操作系统都能够在其生产的硬

11、件上正常工作。用是让所有操作系统都能够在其生产的硬件上正常工作。开发软件人员可以对开发软件人员可以对BSPBSP做一定的修改，加入自己想加入的一些东做一定的修改，加入自己想加入的一些东西，比如各类驱动程序，但西，比如各类驱动程序，但BIOSBIOS一般不能修改，开发人员只能对其进行一般不能修改，开发人员只能对其进行升级或者更改配置。相对来讲，嵌入式开发人员对于升级或者更改配置。相对来讲，嵌入式开发人员对于BSPBSP的自主性更大。的自主性更大。一个一个BSPBSP对应一种硬件和一种嵌入式操作系统，即同一个处理器可对应一种硬件和一种嵌入式操作系统，即同一个处理器可能有多个能有多个BSPBSP，同

12、一个嵌入式操作系统针对不同的处理器也需要不同的，同一个嵌入式操作系统针对不同的处理器也需要不同的BSPBSP。而一个。而一个BIOSBIOS是对应一种硬件和多个操作系统，也就是说是对应一种硬件和多个操作系统，也就是说BIOSBIOS是根是根据硬件在一定历史条件下设计的，与操作系统无关。据硬件在一定历史条件下设计的，与操作系统无关。BSPBSP里可以加入非系统必需的东西，比如一些驱动程序甚至一些应里可以加入非系统必需的东西，比如一些驱动程序甚至一些应用程序，但通用计算机的主板用程序，但通用计算机的主板BIOSBIOS一般不会有这些东西。一般不会有这些东西。第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍

13、2 2、嵌入式操作系统、嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，是嵌入式系统的嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，是嵌入式系统的灵魂。经历了灵魂。经历了4 4个比较明显的阶段：个比较明显的阶段：第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语言编程对系统进第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。行直接控制。第二阶段：以嵌入式第二阶段：以嵌入式CPUCPU为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，该阶段以嵌入式操作系第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，该

14、阶段以嵌入式操作系为核心。为核心。第四阶段：以基于第四阶段：以基于InternetInternet为标志的嵌入式系统，这还是一个正在发为标志的嵌入式系统，这还是一个正在发展的阶段。展的阶段。嵌入式操作系统一般具有体积小、嵌入式操作系统一般具有体积小、实时性强实时性强、可剪裁、可靠性高、功、可剪裁、可靠性高、功耗低等特点。耗低等特点。实时性是嵌入式系统最重要的要求之一。实时操作系统又分为软实时实时性是嵌入式系统最重要的要求之一。实时操作系统又分为软实时和硬实时两种。和硬实时两种。常用的嵌入式操作系统有：常用的嵌入式操作系统有：VxWorksVxWorks、Windows CEWindows CE

15、、嵌入式、嵌入式LinuxLinux、嵌、嵌入式实时内核入式实时内核uC/osuC/os等。等。第一章嵌入式系统介绍第一章嵌入式系统介绍3 3、应用软件、应用软件 嵌入式系统领域的应用软件是为了解决某些特定的应用性问题而设计嵌入式系统领域的应用软件是为了解决某些特定的应用性问题而设计出来的软件，如浏览器、播放器等。嵌入式系统的应用软件与通用计算出来的软件，如浏览器、播放器等。嵌入式系统的应用软件与通用计算机软件相比，由于嵌入式系统的资源有限，致使对应用软件有更多苛求机软件相比，由于嵌入式系统的资源有限，致使对应用软件有更多苛求，要求尽量做到高效、低耗。而且嵌入式系统的应用软件还存在着操作，要求

16、尽量做到高效、低耗。而且嵌入式系统的应用软件还存在着操作系统的依赖性，一般情况下，不同操作系统之间的软件必须进行修改才系统的依赖性，一般情况下，不同操作系统之间的软件必须进行修改才能移植，甚至需要重新编写。能移植，甚至需要重新编写。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。实际上，处理单元的种类很多，包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制实际上，处理单元的种类很多，包括嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器、可编程器件及其组合。嵌入式处理器运行嵌入式器、数字信号处理器、可编程器件及其组合。嵌入式处理器运行嵌入式

17、系统的系统的系统软件系统软件和和应用软件应用软件。嵌入式处理器有如下的共性：嵌入式处理器有如下的共性：1 1、处理器内核（内部）；、处理器内核（内部）；2 2、地址总线；、地址总线；3 3、数据总线；、数据总线；4 4、控制类总线；、控制类总线；5 5、处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位等；、处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位等；6 6、片上、片上I/OI/O接口电路。接口电路。注：注：有的嵌入式微控制器上集成了存储器和有的嵌入式微控制器上集成了存储器和I/OI/O接口电路，不需要扩展接口电路，不需要扩展，因此没有地址总线、数据总线、控制总线扩展接口。，因此没有地址总线、数据总线、控制

18、总线扩展接口。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器总线总线嵌入式处理器嵌入式处理器数字数字I/OI/OLEDLED显示显示程序存储器程序存储器数据存储器数据存储器通信接口通信接口LCDLCD显示显示时钟与复位电路时钟与复位电路A/DA/D和和D/AD/A嵌入式系统的硬件体系结构嵌入式系统的硬件体系结构嵌入式系统的硬件子系统包括处理器子系统、存储器子系统、附属电路、嵌入式系统的硬件子系统包括处理器子系统、存储器子系统、附属电路、I/O子系统，它们之间子系统，它们之间通过系统总线连接在一起，形成一个专用的计算机系统通过系统总线连接在一起，形成一个专用的计算机系统嵌入式系统。嵌入式系统硬件的设计嵌

19、入式系统。嵌入式系统硬件的设计围绕嵌入式处理器进行。围绕嵌入式处理器进行。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器从各种外部设备接收到输入数据，进行必要的计算和处嵌入式处理器从各种外部设备接收到输入数据，进行必要的计算和处理工作，并把计算结果送到输出接口，驱动外部设备。嵌入式处理器的理工作，并把计算结果送到输出接口，驱动外部设备。嵌入式处理器的数据处理功能与普通的处理器是相同的，其内核和普通处理器的内核也数据处理功能与普通的处理器是相同的，其内核和普通处理器的内核也是相同的。例如：在是相同的。例如：在Intel 80 x86Intel 80 x86系列处理器中，系列处理器中，808

20、68086、8028680286、8038680386、8048680486、PentiumPentium、P2P2、P3P3、P4P4及其以上是通用处理器，及其以上是通用处理器，8018680186是嵌入式处是嵌入式处理器；理器；80386SX80386SX、80386DX80386DX是通用处理器，是通用处理器，80386EX80386EX是嵌入式处理器。是嵌入式处理器。嵌入式处理器和通用处理器的内核相同、指令系统相同、所不同的是嵌入式处理器和通用处理器的内核相同、指令系统相同、所不同的是嵌入式处理器集成了大量的嵌入式处理器集成了大量的I/OI/O模块单元（如中断控制器、通信控制器等模块单

21、元（如中断控制器、通信控制器等）和存储器（）和存储器（FLASHFLASH和和RAMRAM等）。等）。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2.1 2.1 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 1 1、嵌入式微控制器（、嵌入式微控制器（EMCUEMCU）嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定时、计数器、总线、总线逻辑、定时

22、、计数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O、串、串行口、脉宽调制输出、行口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。目前，比较知名的嵌入式微控制器有目前，比较知名的嵌入式微控制器有IntelIntel公司的公司的MCS-51MCS-51系列、系列、FreescaleFreescale公司的公司的68HCXX68HCXX系列、系列、MicrochipMicrochip的的PICPIC系列等。系列等。嵌入式微控制器在小系统应用时，通常是控制应用的一种理想解决方嵌入式微控制器在小系统应用时，通常是控制应用

23、的一种理想解决方案，因为可以利用它以及很少的附加电路来构建一个嵌入式系统。案，因为可以利用它以及很少的附加电路来构建一个嵌入式系统。8 8位微位微控制器可用于过程控制应用，比如用在电动玩具、智能卡、仪表中。如控制器可用于过程控制应用，比如用在电动玩具、智能卡、仪表中。如果对处理能力和存储器容量的要求很高，就需要选择果对处理能力和存储器容量的要求很高，就需要选择1616位或位或3232位微控制位微控制器。器。嵌入式微控制器处理能力差一些，功能比较全，但是指标较低、价格嵌入式微控制器处理能力差一些，功能比较全，但是指标较低、价格比较低，适合应用于简单控制系统，如家用电器、工业仪表与简单的自比较低，

24、适合应用于简单控制系统，如家用电器、工业仪表与简单的自动化装置。动化装置。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2 2、嵌入式微处理器（、嵌入式微处理器（EMPUEMPU）嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPUCPU。与嵌入式微控制器相。与嵌入式微控制器相比，嵌入式微处理器的处理能力比较强，字长一般是比，嵌入式微处理器的处理能力比较强，字长一般是1616位或位或3232位，如位，如ARMARM、AtmelAtmel、IntelIntel、FreescaleFreescale、National SemiconductorsNational Semicond

25、uctors等公司推出了等公司推出了许多可用的嵌入式微处理器。许多可用的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的特点如下：嵌入式微处理器的特点如下：1 1、需要扩展。要使用嵌入式微处理器来设计开发嵌入式系统，一般、需要扩展。要使用嵌入式微处理器来设计开发嵌入式系统，一般需要大量的外围电路，包括存储器和需要大量的外围电路，包括存储器和I/OI/O接口电路。接口电路。2 2、处理能力一般大于微控制器。由于集成的外部接口比较少，通常、处理能力一般大于微控制器。由于集成的外部接口比较少，通常嵌入式微处理器的处理能力较强，芯片上集成了处理器内核，通常具有嵌入式微处理器的处理能力较强，芯片上集成了处理器内核，通常

26、具有更高的时钟频率和较宽的字长。更高的时钟频率和较宽的字长。3 3、寻址能力大于微控制器。、寻址能力大于微控制器。4 4、一般适用于高端应用。、一般适用于高端应用。5 5、型号多。、型号多。6 6、通用性强。、通用性强。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器3 3、嵌入式、嵌入式DSPDSP处理器（处理器（EDSPEDSP）DSPDSP是特别为处理信号设计的处理器，而不是为一般应用设计的。对是特别为处理信号设计的处理器，而不是为一般应用设计的。对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSPDSP算法，编译效率较算法，编译效率较高，指令执行速度也

27、较高。高，指令执行速度也较高。DSPDSP体系结构需要具备以下特点：体系结构需要具备以下特点：1 1、能够非常快速地计算出总和的乘加（、能够非常快速地计算出总和的乘加（MACMAC）模块，而通用处理器可）模块，而通用处理器可能要花费多个周期才能计算出一个乘积。能要花费多个周期才能计算出一个乘积。2 2、支持通过移位操作完成对位的处理。、支持通过移位操作完成对位的处理。3 3、独立的地址生成单元产生存储器单元的地址，这样使访问存储器、独立的地址生成单元产生存储器单元的地址，这样使访问存储器变得更加快速。变得更加快速。4 4、专门的硬件实现循环。通过硬件可以增加循环计数器，将计数值、专门的硬件实现

28、循环。通过硬件可以增加循环计数器，将计数值与最终目标值进行比较，执行循环之后再转到循环顶部等。与最终目标值进行比较，执行循环之后再转到循环顶部等。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器4 4、可编程器件、可编程器件 现在可编程器件的集成度达到了百万门电路或更多，甚至片上集成了现在可编程器件的集成度达到了百万门电路或更多，甚至片上集成了处理器、数字信号处理器等。利用可编程器件实现嵌入式系统的处理器处理器、数字信号处理器等。利用可编程器件实现嵌入式系统的处理器子系统可以提高系统的集成度，复杂的外部电路都可以集成在可编程器子系统可以提高系统的集成度，复杂的外部电路都可以集成在可编程器件上，甚至包括件

29、上，甚至包括CPUCPU，这样的系统通常称为，这样的系统通常称为SoCSoC。可编程器件的最大优点是提高了嵌入式系统硬件电路板的集成度，同可编程器件的最大优点是提高了嵌入式系统硬件电路板的集成度，同时减小了电路板的面积。传统的嵌入式系统的硬件除了时减小了电路板的面积。传统的嵌入式系统的硬件除了CPUCPU和存储器之外和存储器之外，在电路板上还大面积地安装了，在电路板上还大面积地安装了I/OI/O逻辑电路、译码器等。通过可编程器逻辑电路、译码器等。通过可编程器件的使用，即可减少外部逻辑电路，从而缩减电路板的面积，增加系统件的使用，即可减少外部逻辑电路，从而缩减电路板的面积，增加系统的可靠性。的可

30、靠性。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2.2 2.2 嵌入式处理器的构架嵌入式处理器的构架 标准的嵌入式系统架构有两大体系：标准的嵌入式系统架构有两大体系：精简指令集计算机（精简指令集计算机（reduced instruction set computer,RISCreduced instruction set computer,RISC）处理）处理器复杂指令集计算机（器复杂指令集计算机（complex instruction set computer,CISCcomplex instruction set computer,CISC）处理）处理器器.这两种指令集结构的重要区别之一是其指

31、令功能的强弱不同。这两种指令集结构的重要区别之一是其指令功能的强弱不同。2.2.1 CISC2.2.1 CISC计算机指令集计算机指令集 CISCCISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，从而达结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，从而达到提高性能的目的。到提高性能的目的。CISCCISC体系的设计思想就是基于使用大量的指令，包括复杂指令。它的体系的设计思想就是基于使用大量的指令，包括复杂指令。它的优点是进行程序设计比较容易，因为每一个简单的或者复杂的操作都有优点是进行程序设计比较容易，因为每一个简单的或者复杂的操作都有相应的指令。如为了适应所处理数据的不同长度，相

32、应的指令。如为了适应所处理数据的不同长度，CISCCISC设计有设计有8 8位、位、1616位位甚至甚至3232位的指令，还有专门用于浮点数运算的指令。对程序设计者来书，位的指令，还有专门用于浮点数运算的指令。对程序设计者来书，CISCCISC系统可用简单的指令组合解决一个比较复杂的问题。系统可用简单的指令组合解决一个比较复杂的问题。CISCCISC指令系统趋于多用途、强功能化，且面向高级语言发展。但它又指令系统趋于多用途、强功能化，且面向高级语言发展。但它又把指令系统带向庞大化、复杂化，使得设计处理器的电路非常复杂，设把指令系统带向庞大化、复杂化，使得设计处理器的电路非常复杂，设计周期长、难

33、保正确性、维护困难。计周期长、难保正确性、维护困难。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2.2.2 RISC2.2.2 RISC计算机指令集计算机指令集 在对各条指令使用频率的统计分析中发现，最常使用的是一些比较简在对各条指令使用频率的统计分析中发现，最常使用的是一些比较简单的指令，而这些指令数占指令总数的单的指令，而这些指令数占指令总数的20%20%，但它们在程序中出现的频率，但它们在程序中出现的频率却占却占80%80%。这个结论后来被称为。这个结论后来被称为“20%20%对对80%80%率率”。因此如果从指令系统中去掉一些不常用的指令，特别是那些复杂的指因此如果从指令系统中去掉一些不常用

34、的指令，特别是那些复杂的指令就可以降低处理器电路的复杂程度，使处理器以更快的速度、更高的令就可以降低处理器电路的复杂程度，使处理器以更快的速度、更高的频率运行，从而提高整个计算机的执行速度。根据这个设计指导思路设频率运行，从而提高整个计算机的执行速度。根据这个设计指导思路设计出来的处理器被称为精简指令集计算机系统即计出来的处理器被称为精简指令集计算机系统即RISCRISC。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器RISCRISC机的特点：机的特点：选取一些使用频率高、很有用但不复杂的简单指令。选取一些使用频率高、很有用但不复杂的简单指令。指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。指令长度固定

35、，指令格式种类少，寻址方式种类少。只有取数只有取数/存数指令会访问存储器，其余指令的执行都在寄存器之间进存数指令会访问存储器，其余指令的执行都在寄存器之间进行，即限制内存访问。行，即限制内存访问。CPUCPU中通用寄存器数量相当多。中通用寄存器数量相当多。大部分指令在一个机器周期内完成。大部分指令在一个机器周期内完成。采用流水线组织。采用流水线组织。以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微程序控制。以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微程序控制。特别重视编译工作，以简单有效的方式支持高级语言，减少程序执行特别重视编译工作，以简单有效的方式支持高级语言，减少程序执行时间。时间。第二章第二章 嵌入式处理器嵌

36、入式处理器RISCRISC和和CISCCISC的差异：的差异：指令系统：指令系统：RISCRISC设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。它们具有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在因此，在RISCRISC机器上实现特殊功能时，效率可能比较低。但可以利用机器上实现特殊功能时，效率可能比较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISCCISC计算机的指令系统比计算机的指令系统比较丰富，由专用指令完成特定

37、的功能。因此，处理特殊任务效率较高。较丰富，由专用指令完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。存储器操作：存储器操作：RISCRISC对存储器操作有限制，使控制简单化；而对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISCCISC机器的机器的存储器操作指令多，操作直接。存储器操作指令多，操作直接。程序：程序：RISCRISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而序复杂，不易设计；而CISCCISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。复杂操作

38、的程序设计相对容易，效率较高。中断：中断：RISCRISC机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISCCISC机器机器是在指令执行结束后相应中断。是在指令执行结束后相应中断。CPUCPU：RISCRISC处理器包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而处理器包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISCCISC处理器包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。处理器包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器设计周期：设计周期：RISCRISC微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且

39、易于采微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，且易于采用最新技术；用最新技术；CISCCISC微处理器结构复杂，设计周期长。微处理器结构复杂，设计周期长。用户使用：用户使用：RISCRISC微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；用；CISCCISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。应用范围：由于应用范围：由于RISCRISC指令系统的确定与特定的应用领域有关，故指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISCRISC机机器更适合于专用机，主要应用于器更适合于专用机，主要应用于A

40、RMARM系列；而系列；而CISCCISC机器则更适合于通用机器则更适合于通用机，主要应用于机，主要应用于Intelx86Intelx86系列。系列。从以上的比较来看，从以上的比较来看，RISCRISC与与CISCCISC各有优势，而各有优势，而RISCRISC的实用性则更强一的实用性则更强一些，应该是未来处理器架构的发展方向。但事实上，由于早期的很多软些，应该是未来处理器架构的发展方向。但事实上，由于早期的很多软件是根据件是根据CISCCISC设计的，单纯的设计的，单纯的RISCRISC将无法兼容，此外，现代的将无法兼容，此外，现代的CISCCISC结构结构CPUCPU已经融合了很多已经融合

41、了很多RISCRISC的成分，如超长指令集的成分，如超长指令集CPUCPU就是融合了就是融合了RISCRISC和和CISCCISC的优势，其性能差距已经越来越小，而复杂的指令可以提供更多的功能，的优势，其性能差距已经越来越小，而复杂的指令可以提供更多的功能，这是程式设计所需要的，因此，这是程式设计所需要的，因此，CISCCISC与与RISCRISC的融合应该是未来的发展方向。的融合应该是未来的发展方向。目前目前RISCRISC的架构主要有：的架构主要有：ARCARC架构、架构、ARMARM架构、架构、MIPSMIPS架构、架构、PowerPCPowerPC架构架构以及以及TensilicaTe

42、nsilica架构。架构。CISCCISC的架构主要有的架构主要有:x86:x86架构、架构、AMDAMD架构。架构。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2.3 2.3 嵌入式处理器的技术指标嵌入式处理器的技术指标主要从以下几方面考虑：主要从以下几方面考虑：1 1、功能：主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种、功能：主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种类。类。2 2、字长：指参与运算的数的基本位数，决定了寄存器、运算器和数据总、字长：指参与运算的数的基本位数，决定了寄存器、运算器和数据总线的位数，因而直接影响硬件的复杂程度。处理器的字长越长，它包含线的位数，

43、因而直接影响硬件的复杂程度。处理器的字长越长，它包含的信息量越多，能表示的数值有效位数越多，计算精度也越高。通常处的信息量越多，能表示的数值有效位数越多，计算精度也越高。通常处理器可以有理器可以有4 4、8 8、1616、3232、6464位等不同的字长。位等不同的字长。3 3、处理速度：目前普遍采用在单位时间内各类指令的平均执行条数，即、处理速度：目前普遍采用在单位时间内各类指令的平均执行条数，即根据各种指令的使用额度和执行时间来计算。根据各种指令的使用额度和执行时间来计算。取其倒数即得到该处理器的运算速度指标，其单位为百万条指令每秒，表取其倒数即得到该处理器的运算速度指标，其单位为百万条指

44、令每秒，表示为示为MIPSMIPS。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器4 4、工作温度：从工作温度方面考虑，嵌入式处理器通常分为民用、工业、工作温度：从工作温度方面考虑，嵌入式处理器通常分为民用、工业用、军用、航天等几个温度级别。用、军用、航天等几个温度级别。5 5、功耗：嵌入式处理器通常给出几个功耗指标，如工作功耗、持机功耗、功耗：嵌入式处理器通常给出几个功耗指标，如工作功耗、持机功耗等。许多嵌入式处理器还给出功耗与工作频率之间的关系，表示为等。许多嵌入式处理器还给出功耗与工作频率之间的关系，表示为Mw/HzMw/Hz或或W/HzW/Hz。6 6、寻址能力：嵌入式处理器的寻址能力取决于处

45、理器地址线的数目，处、寻址能力：嵌入式处理器的寻址能力取决于处理器地址线的数目，处理器的处理能力与寻址能力有一定的关系。注：对于嵌入式微控制器理器的处理能力与寻址能力有一定的关系。注：对于嵌入式微控制器而言，寻址能力的意义不大，因为嵌入式微控制器通常集成了程序存而言，寻址能力的意义不大，因为嵌入式微控制器通常集成了程序存储器和数据存储器，一般不能进行扩展。储器和数据存储器，一般不能进行扩展。7 7、平均失效间隔时间（、平均失效间隔时间（MTBFMTBF）：是指在相当长的运行时间内，机器工作）：是指在相当长的运行时间内，机器工作时间除以运行期间故障次数。它是一个统计值，用来表示嵌入式系统时间除以

46、运行期间故障次数。它是一个统计值，用来表示嵌入式系统的可靠性。的可靠性。MTBFMTBF值越大，表示可靠性越高。值越大，表示可靠性越高。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2.4 2.4 典型的嵌入式处理器典型的嵌入式处理器 目前，用户接触得最多的应该是目前，用户接触得最多的应该是ARMARM、MIPSMIPS、PowerPCPowerPC这三类处理器。这三类处理器。2.4.1 ARM2.4.1 ARM处理器处理器1 1、ARMARM简介简介 ARMARM（advanced RISC machineadvanced RISC machine）,既可认为是一个公司的名称，又可既可认为是一个公司

47、的名称，又可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名称。以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名称。ARMARM公公司成立于司成立于19911991年，主要出售芯片设计技术。目前，采用年，主要出售芯片设计技术。目前，采用ARMARM技术知识产权技术知识产权（IPIP）核的微处理器，即通常所说的）核的微处理器，即通常所说的ARMARM处理器，已遍及工业控制、消费处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARMARM技术的微处理器应用占据技术的微处理器应用占据323

48、2位位RISCRISC微处理器微处理器75%75%以上的市场份额。目前，以上的市场份额。目前，全世界有几十家大的半导体公司使用全世界有几十家大的半导体公司使用ARMARM公司的授权，因此既使得公司的授权，因此既使得ARMARM技技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，从而使产品更容易进入市场被消费者所接受。这样产品更具有竞争力。，从而使产品更容易进入市场被消费者所接受。这样产品更具有竞争力。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器2 2、ARMARM处理器的应用领域及特点处理器的应用领域及特点ARMARM处理

49、器系列提供的解决方案包括以下处理器系列提供的解决方案包括以下3 3点：点：（1 1）在无线、消费类电子和图像应用方面的开放平台。）在无线、消费类电子和图像应用方面的开放平台。（2 2）存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统。）存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统。（3 3）智能卡和）智能卡和SIMSIM卡的安全应用。卡的安全应用。ARMARM处理器一般具有如下特点：处理器一般具有如下特点：（1 1）小体积、低功耗、低成本、高性能。）小体积、低功耗、低成本、高性能。（2 2）支持）支持ThumbThumb（1616位）位）/ARM/ARM（3232位）双指令集，能很好地兼容位）双指

50、令集，能很好地兼容8 8位位/16/16位器件。位器件。（3 3）大量使用寄存器，指令执行速度更快。）大量使用寄存器，指令执行速度更快。（4 4）大多数数据操作都在寄存器中完成。）大多数数据操作都在寄存器中完成。（5 5）寻址方式灵活简单，执行效率高。）寻址方式灵活简单，执行效率高。（6 6）指令长度固定。）指令长度固定。第二章第二章 嵌入式处理器嵌入式处理器3 3、ARMARM处理器系列处理器系列 ARMARM处理器当前有以下产品系列：处理器当前有以下产品系列：ARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10、ARM11ARM11和和SecurCoreSecur