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1、No. 12013第二讲 嵌入式微处理器原理和ARM7TDMI 第一讲 嵌入式系统概述复习 微处理器基本概念 ARM处理器的历史和设计思想 ARM7TDMI 处理器体系架构No. 22013嵌入式系统的组成模式嵌入式系统是面向特定应用的计算机系统,具有和通用计算 机类似的体系架构硬件复杂嵌入式系统操作系统中间件应用程序硬件简单嵌入式系统应用软件No. 32013嵌入式系统完全架构嵌入式处理器为核心的硬件平台硬件抽象层（HAL），硬件驱动程序启动代码文件系统各种网络协议 PPP,TCP/IP IEEE802.15嵌入式 数据库多媒体 编解码库 其他中间件操作系统内核：任务调度：中断管理：内存管理
2、：任务同步和通信：时钟管理图形用户界面（GUI）用户开发的各种应用程序开发工 具包：编辑器 调试器 编译器 链接器 汇编器下载工具No. 42013嵌入式 处理器可编程 逻辑器件存储器电源模块 解决方案人机接口嵌入式系统必备接插件PowerPC 微处理器 ARM内核微处理器 TMS320C6000系列DSP Intel公司 Xscale PXA255 Microchip PIC24XXVirtexII Platform FPGA Virtex（E）系列 FPGA Spartan（XL）系列FPGA SpartanII（E）系列FPGA XC95(XL)系列 CPLD CoolRunner系列
3、CPLD嵌入式系统硬件构成XilinxTI Power Trend嵌入式电源方案 MAXIM 电源芯片 Liner 公司电源芯片 NS 公司电源芯片怀特电子高可靠性存储器系列 IDT公司FIFO及双口RAM Cypress公司高速SRAM系列 现代电子公司SDRAM系列 Intel公司 大容量Flash系列AMP公司接插件系列 AI公司PCB插座系列AMP No. 702013RISC机器的特点2、RISC机器的特点使用等长指令格式。 寻址方式少且简单。 只有取数指令、存数指令访问存储器，其它指令使用寄 存器。 指令集中的指令数目少、功能简单。 多采用硬布线控制器，以期更快的执行速度。 指令的
4、执行时间一般为一个处理周期。 通用寄存器多，且强调优化使用。 支持指令流水并强调指令流水的优化使用。 基于RlSC技术的软件系统开发时间比CISC长。No. 712013RISC的特点RISC与CISC的主要特征对比No. 722013CPU性能评价CPU性能公式 性能评价标准No. 732013CPU性能公式1、根据时钟周期数计算TCPU 设NC表示一个程序所花的CPU时钟周期数，t表 示时钟周期，f表示时钟频率，t=1/f。一个程序所花的CPU时间TCPU可以用以下表达式 来描述：TCPU=NCt=NC/f No. 742013CPU性能公式2、根据指令条数计算TCPU 设NC表示一个程序
5、所花的CPU时钟周期数， In 表示全部指令条数。每条指令的平均时钟周期数CPI为： CPI=NC/In 一个程序所花的CPU时间TCPU可以用以下表达式 来描述： TCPU=InCPIt=(InCPI)/f No. 752013CPU性能公式3、根据指令种类计算TCPU 设Ii表示第i种指令的条数，CPIi表示第i种指 令的平均时钟周期数。一个程序的时钟周期总数Nc为： 一个程序所花的CPU时间TCPU为：每条指令的平均时钟周期数CPI为：No. 762013性能评价标准时间（即速度）时间(即速度)是衡量计算机性能的主要指 标。同样的工作量，花费的时间越少，速度就 越快。程序的执行时间越少，
6、意味着计算机的 性能就越好。因此，衡量机器性能的惟一固定而且可靠 的标准是真正执行程序的时间。No. 772013性能评价标准2、每秒百万条指令数MIPS 设IN表示执行程序中的指令总数，TE表示执行该程序所 需时间，t为时钟周期长度，f为时钟频率，则有：3、每秒百万次浮点运算FLOPS设IFN表示程序中的浮点运算操作次数，TE表示执行程 序所需时间，则有：No. 782013第二讲 ARM处理器体系结构和编程 第一讲 嵌入式系统概述复习 微处理器基本概念 ARM处理器的历史和设计思想 ARM7TDMI 处理器体系架构No. 792013ARM公司背景Advance RISC Machines
7、(ARM),由 Acorn, Apple和VLSI公司1990年11 月联合成立 ARM是32位嵌入式RISC处理器提供 商的领导企业 主要提供高性能，低价位，低功耗的 RISC处理器、外围设备和SOC系统芯 片设计给相关的芯片企业。不是芯片公司！ ARM对完整系统的开发提供了广泛的 支持No. 802013 英国的Acorn公司 p教育用电脑的开发 p由于没有找到符合低价格、高性能、低功耗 的CPU、从而决定自己开发。 ARM1的开发 pARM=Acorn RISC Machines p32bit RISC CPU p以当时电脑10倍的性能，价格和功耗保持不变 为开发目标 pARM1没有达到
8、预期的性能，真正的销售是从 ARM2开始的ARM公司背景No. 812013 ARM p1. 公司名（正式名称 ARM Ltd.）。前称 Advanced RISC Machines Ltd. 。 p2. 微处理器系列的名称。比如ARM7、ARM11之类。 Cortex p系列名。传说是由于ARM13的数字不吉利而换的名字？ ？ 命令构架 p32bitARM、16bitThumb 命令为基础 pv4T、v7之类的扩充版本 AMBA p内部BUS构架。Advanced Microcontroller Bus Architecture的简称。 pAHB、APB、AXI 3种类型。从AMBA 3.0
9、开始AXI被追加ARM相关名词No. 822013ARM的特征 硬件和软件的平衡 p 少量的寄存器、无延迟分析的取舍选择 低功耗 p 电池的长使用时间 小Chip面积 p 良率的提高、高速化、单价减少 高效的命令Set p 高密度的Code 商业化的模型 p 跟很多企业结盟、提供综合解决方案No. 832013作为RISC处理器的特点 RISC的特征 p一个大的、统一的寄存器文件 p通过Load/Store在寄存器和内存中进行数据传递，数据处理的操作只针 对寄存器的内容，而不直接对存储器进行操作。 p简单的寻址模式，所有Load/Store的地址都只由寄存器内容和指令域决 定 p统一和固定长度
10、的指令域，简化了指令的译码 此外，ARM体系结构还提供 p每一条数据处理指令都对算术逻辑单元（ALU）和移位器控制，以实现 对ALU和移位器的最大利用。 p多寄存器装载和存储指令实现最大数据吞吐量 p所有指令的条件执行实现了最快速的代码执行 p地址自动增加和自动减少的寻址模式实现了程序循环的优化No. 842013ARM系统版本结构 系统结构版本 p Version1，2（已经不用） l 基本的数据处理指令(无乘法) l 字节、半字和字的 LOAD/STORE指令 l 转移指令,包括子程序调用及链 接指令 l 软件中断指令 l 26位地址总线 p Version3 l 32位地址总线 l 增加
11、了CPSR,SPSR寄存器 l 增加了处理器工作模式 (ABOUT和UNDef) l 增加了MRS/MSR指令,以访问 新增的CPSR/SPSR寄存器 l 增加了从异常处理返回的指令 功能。系统结构版本 pVersion4(ARM7,9） l THUMB指令集 l 增加了特权模式 l PC距离当前指令为2个字 ，三级流水线 l 这是第一个正式结构 pVersion5 l 改进了ARM,THUMB的交 互执行 l 增加了软件断点 l 加强了对协处理器的支持 pVersion6 l 增加了并行处理能力 l 增加了SIMD指令（音视 频）No. 852013ARM 指令集ARM 有三种指令集状态pA
12、RM 指令集 l 处理器处于“ARM”状态的时候，ARM指令集有效 pTHUMB 指令集 l 把32位指令集的一个子集进行重新编码16位指令集 l 16位总线宽度的情况下具有更高的性能，而在32位总线结构下性能 差，多用于存储器受限的情况 l Thumb指令集的最大优点：代码密度（一个可执行的程序在内存中 的空间），完成同样的程序，Thumb的指令减少30 l Thumb指令是针对编译器的 pJazelle指令集 l 8位指令，加速JAVA字节码的执行No. 862013ARM 与THUMB 指令集的比较项目ARM(cpsr T=0)Thumb （cpsr T=1) 指令长度3216内核指令5
13、8条30条条件执行大多数指令只有分支指令数据处理指令访问桶型移位器和ALU独立的桶型移位器和ALU指令程序状态寄存器特权模式下访问不能直接访问寄存器使用15个通用寄存器PC8个通用寄存器7个高位寄存器+pcNo. 872013ARM and Thumb 性能比较05000100001500020000250003000030000Dhrystone 2.1 / sec 20MHzARMThumb32 bit16 bit16 bit with 32 bit stackMemory width (zero wait state)No. 882013Instruction StreamExecute
14、 UnitARMThumbDecode StageExecute StageFetch StageJazelleARM Jazelle 指令集 Jazelle-enabled ARM cores 执行8位JAVA指令 p 95% 指令执行 由硬件完成 l Normal JVM:1.0 Caffeinemarks/MHz l ARM9EJ:5.5 Caffeinemarks/MHz p 功耗显著降低 p 12K extra gates ARM JTEK (Java Technology Enabling Kit) provides support codeNo. 892013处理器的Variat
15、ion 处理器的名称規則ARM 处理器名Core编号Memory关联机能的构成 CacheMMU 改良型MMU CacheMPU 无Cache、MMU/MPUMemory variation Cache Size variation 1Cache Size variation2TCM构架機能TThumb機能DDebug機能M乘算机能强化IEnbedded ICEEDSP演算机能JJazelle机能-S論理合成CoreNo. 902013ARM内核的变化和构架 ARMCore系列和构架的关系。同一系列的Core也存在着不同的系统构架 No. 912013ARM系统构架的发展 Jazelle, N
16、EON, TrustZone, Thumb-2 之类的新技术security代码效率高效的多媒体和 DSP处理Memory的使用环 境的改善低价的微控制器No. 922013ARM7性能特征Cache大小 （指令/ 数据）存储储器 管理AHB 总线总线 接 口ThumbDSPJazelle体系 结结构 版本ARM7TDMI 无 无 有 有 无 无v4TARM7TDMI-S 无 无 有 有 无 无v4TARM7EJ-S 无 无 有 有 有 有v5TEJARM720T 8KMMU 有 有 无 无v4TNo. 932013The ARM7TDMI Processor Core ARM7TDMI featuresp 3 stage pipeline p Von Neumann architecture p CP
