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1、嵌入式硬件基础,成都研究所操作系统团队,目录,CPU 总线 存储器 接口,RISC和CISC,基本概念 RISC和CISC 冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构 流水线 CPU 体系结构,CISC和RISC,CISC(Complex Instruction Set Computer) 复杂指令集 具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行 RISC(Reduced Instruction Set Computer) 简单指令集 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令 使CPU硬件结构设计变得更为简
2、单,CISC的特点,增强的指令功能， 常用功能用硬件的指令系统来实现 指令格式不固定 指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样 操作数可来自寄存器和存储器 采用微程序控制 执行每条指令需完成一个微指令序列 CPI大于5,RISC基本的设计思想,减小CPI CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle 精简指令集 保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令 采用Load/Store结构， 有助于减少指令格式，统一存储器访问方式 采用硬接线控制代替微程序控制,RISC的提出与发展,Load/Store结构提出 CDC6600(1963)-CRAY1(1976
3、) RISC思想最早在IBM公司提出 但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。 1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。 1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。 85年后推出商品化RISC MIPS1(1986)和SPARC V1(1987),典型的高性能RISC处理器,SUN公司的SPARC(1987) MIPS公司的SGI:MIPS(1986) HP公司的PA-RISC, IBM, Motorola公司的PowerPC DEC、Compac公司的Alpha AXP IBM的R
4、S6000(1990)第一台Superscalar RISC机,CISC与RISC的对比,冯诺依曼体系结构,冯诺依曼体系结构,数据1,哈佛体系结构,流水线技术,流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动,指令流水线以ARM为例,为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。,PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令,最佳流水线,该例中用6个时钟周期执行了6条指令 所有的操作都在寄存器中（单周期执行） 指令周期数 (CPI) = 1,操作,周期,1 2 3 4 5 6,Decode,
5、Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,Execute,Decode,fetch,LDR 流水线举例,该例中，用6周期执行了4条指令 指令周期数 (CPI) = 1.5,fetch,Decode,fetch,fetch,Execute,Decode,fetch,Execute,Execute,data,writeback,Decode,Decode
6、,fetch,Decode,分支流水线举例,流水线被阻断 注意:内核运行在ARM状态,Decode,fetch,Decode,Execute,Linkret,Adjust,fetch,fetch,fetch,fetch,Decode,Decode,Execute,Execute,Decode,fetch,fetch,超标量执行,超标量(Superscalar)执行 超标量CPU采用多条流水线结构,嵌入式处理器体系结构,按体系结构的不同可分为五大类 ARM MIPS POWER PC X86 SH系列,嵌入式处理器单元,嵌入式处理器单元,ARM RISC,MIPS RISC,POWER PC,X
7、86,SH/HP RISC,ARMXX,ARMX,XScale,strongarm,（ARM11, ARM10E）,64bit,32bit,（20kc, 5kx）,(24k, pro, 4kx, M4k),（ARM9E,ARM9,ARM7）,Motorola,IBM,（603e, e300, e500）,（ppc405, ppc440）,Intel,AMD,VIA,Transmeta,（186/386/486）,（Geode）,（Nehemiah）,（Efficeon）,（SH5）,（SH1/SH2/SH3/SH4）,arm,ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族
8、ARM 9 Thumb 家族 ARM 10 Thumb 家族 ARM 11 Thumb 家族 Intel StrongARM StrongARM 110 StrongARM 1100 StrongARM 1110 StrongARM 1111,ARM,INTEL的Xscale架构处理器 基于ARM V5TE体系结构 兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集） 在处理器内核周围提供了 指令和数据存储器管理单元 指令、数据和微小数据缓存 写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器 电源管理 性能监控 调试 JTAG单元以及协处理器接口 MAC协处理器 内核存储总线,MIPS,从1986年推出R2
9、000处理器以来，MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。 之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。 1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。 此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。,MIPS,MIPS,在MIPS的32位内核中 4K系列对应于SOC应用设计； M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计； 4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标； 4KS系列由于采
10、用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等； 5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核 5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。 20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。,MIPS,嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量 2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。 在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录
11、像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。 MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商,Power PC,Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 IBM PowerPC750 PowerPCG3 Motorola MPC MC,x86,Intel X86体系结构 AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 CISC指令集,SH,SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加
12、指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间,SH,1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。 SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。 此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。 在美国，SH系列占有较大的市场份额 型号 SH1-4（32位） SH5(64位),MIPS,MIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced Instruction Set Compute
13、r)处理 器之一，起源于Stanford Univ的电机系. 其创始人 John L. Hennessy在1984年在硅谷创立 了MIPS INC. 公司()。 MIPS的名字为“Microcomputer without interlocked pipeline stages“的缩写。另外一个通常的非正式的说法是”Millions of instructions per second“.,目录,CPU 总线 存储器 接口,总线,总线的主要参数有 总线的带宽 总线的位宽 总线的工作时钟频率,总线机制,微处理器（CPU）是嵌入式系统硬件平台的核心构件，但不是全部。按照冯诺依曼体系结构思想，计算机
14、的硬件是由CPU、存储器和I/O设备三部分组成的。总线是把CPU与存储器、I/O设备相连接的信息通道，但总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。按照使用场合的不同，总线分成芯片级总线（CPU总线）、板卡级总线（内总线）和系统级总线（外总线）。,ISA,IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。 IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。 由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的
15、“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。 6.66MHZ至26.66MHZ ，典型8MHz EISA总线，32位,PCI,优点 即插即用 中断共享 地址总线与数据总线是分时复用的 分类 32bit 33mhz 64bit or 66mhz,PCI,1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。 Intel联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互
16、连专业组)，简称PCISIG。 93年发布PCI2.0，32位，33MHz。5个以上PCI插槽 AGP（图形加速处理） 90年代后期，PCI-X，64位/66MHz,PCI-力不从心,南桥/北桥 Intel 440系列以后 PCI地位大大降低,I2C,PHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit ) 最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40个设备,目录,CPU 总线 存储器 接口,存储器系统,分层结构,存储器种类,RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比D
17、RAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 4）DRM需要周期性刷新 ROM：只读存储器 EPROM EEPROM FLASH：闪存,闪存存储器(FLASH),相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM 它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速,电子盘,电子盘采用半导体芯片来存储数据,具有体积小,功耗低和级强的抗震性等特点. NandFlash DOC DOM CF SM MS MMC
18、 SD,常见的存储器扩充装置,CF扩充装Compact Flash 所有Windows CE 支持,常见的存储器扩充装置,SD扩充装置（Secure Digital） Panasonic Scandisk Toshiba,常见的存储器扩充装置,Memory Stick Sony,目录,CPU 总线 存储器 接口,接口,介绍红外 蓝牙 USB 以太网 1394 LCD显示 触摸屏,高速输入与输出接口,IrDA/FastIrDA（Infrared Data Association ） 红外线发光二极管 发射 硅晶PIN光检二极管 接受 控制电路 IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误
19、码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux （勒克斯）,红外传输特点,距离 小于一米 低速 9.6115K bps 高速 14M bps 工业高速 16M bps,Ethernet/Fast Ethernet,802.3 10M/100M Ethernet 100m，RJ45接口 MAC层协议 CSMA/CD,Bluetooth,功耗低 100M，100mW 10M，2.5mW 1M，1mW 2.4-2.4835 GHz (使用ISM频段) 优势: 世界范围内可用 劣势: 与IEEE 802.11b产品相互干扰 声音和数据传输，总带宽为1Mbps 成本低 低于US$5/蓝牙芯片,红外和蓝
20、牙接口的比较,USB（Universal Serial Bus ）,IBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel以及Microsoft联合 距离5 米，Hub30米 树拓扑结构，127个点，4线（2根电源线，2根数据线） 低速 USB1.1，1.5 M bps USB 2.0 速率高达480Mbps 支持热插拔和即插即用,IEEE1394,起源于APPLE公司1986年提出的FireWire MPU与多媒体设备连接接口 20400M bps，高速串行总线 P1394b 1.6Gbps, 100米 支持63个器件，长度4.5米 热插拔，即插即用 Sony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWire,谢 谢,