《嵌入式系统三》PPT课件.ppt
嵌入式系统,第三讲ARM简介,西安电子科技大学计算机学院,本节内容,计算机体系结构影响CPU性能的因素CISC和RISCARM的发展历史ARM特点ARM体系结构版本Thumb技术ARM处理器家族,西安电子科技大学计算机学院,3.1 计算机体系结构,计算机体系结构是机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。,西安电子科技大学计算机学院,两种体系结构,冯诺依曼体系结构,西安电子科技大学计算机学院,两种体系结构,哈佛体系结构,西安电子科技大学计算机学院,冯诺依曼体系结构的特点,数据与指令都存储在存储器中被大多数计算机所采用ARM7 冯诺依曼体系,西安电子科技大学计算机学院,哈佛体系结构的特点,程序存储器与数据存储器分开指令和数据可有不同的数据宽度 提供了较大的数据存储器带宽适合于数字信号处理大多数DSP都是哈佛结构ARM9是哈佛结构,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,流水线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,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,高速缓存（CACHE）微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性能高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,总线和总线桥,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,寻址位宽 是指微处理器一次执行指令的数据宽 注：显然，在工作频率相同的情况，位宽越宽，速度越快,西安电子科技大学计算机学院,3.2 影响CPU性能的因素,指令集指令集是CPU所能执行的所有指令的集合复杂指令集精简指令集,西安电子科技大学计算机学院,3.3 CISC与RICS,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式 大多数程序只使用少量的指令就能够运行RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令 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单,西安电子科技大学计算机学院,3.3.1 CISC的缺点,20与80的问题20的简单指令利用率达到8080的复杂指令的使用概率只有20指令复杂度对处理器VLSI实现性能的影响CISC中指令长度不统一，高性能的VLSI实现难度大软硬件的协同设计问题CISC多采用微指令技术，增强指令系统的功能，简化了目标软件的设计，但增加了硬件（微程序）复杂度程序执行时间不一定短,西安电子科技大学计算机学院,3.3.2 RISC的特点,硬连线的指令译码逻辑RISC指令格式和长度固定，指令类型少，功能简单，寻址方式少，译码控制器可采用规则的硬布线逻辑（组合逻辑型）CISC大多使用微码ROM进行指令译码（存储逻辑型）减少指令和寻址方式的种类大多数指令单周期执行分开的Load/Store结构的存取指令固定指令格式,西安电子科技大学计算机学院,3.3.3 CISC与RISC的数据通道,CISC 复杂,RISC 简单,西安电子科技大学计算机学院,3.3.4 RISC的优势,处理器管芯面积小开发时间少，开发成本低容易实现高性能,西安电子科技大学计算机学院,3.3.5 RISC的缺点,与CISC比，代码密度低不能执行X86代码给优化编译程序带来了困难,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础1990年成立了Advanced RISC Machines LimitedARM即Advanced RISC Machines的缩写,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,20世纪90年代，ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set Computer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位，特别是ARM嵌入式微处理器系列ARM公司虽然只成立10多年，但在1999年因移动电话市场火爆，其32位RISC处理器占市场份额超过了50%，2001年初，ARM公司的32位RISC处理器市场占有率超过了75%。ARM公司是知识产权供应商，是设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过100个合作伙伴-包括半导体工业的著名公司。ARM公司专注于设计，其内核耗电少、成本低、功能强，特有16/32位双指令集。ARM已成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的RISC标准在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处理器作为内核生产芯片的公司最多,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,ARM的含义：ARM是公司名称ARM是一种处理器架构ARM是一种技术ARM是注册商标,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,1991-ARM 推出第一款RISC嵌入式微处理器ARM61993-ARM 推出ARM7 1995 ARM的Thumb扩展指令集结构为16位系统增加了32位的性能,提供业界领先的代码密度,西安电子科技大学计算机学院,3.4 ARM的发展历史,西安电子科技大学计算机学院,3.5 ARM的特点,ARM处理器的特点如下小体积、低功耗、低成本、高性能Load/Store体系结构16位/32位双指令集3地址指令格式全球众多的合作伙伴（自己只设计高性能的IP核，授权给别人生产）,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V1基本数据处理字节,字以及多字load/store软件中断26 bit 地址总线V2 Multiply&Multiply-accumulate支持协处理器支持线程同步26 bit 地址总线,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V3推出32位寻址能力增加两种异常模式增强型乘法器,产生全64位结果(32X3264or32X32+64 64)V4增加了半字load和store指令T16位压缩指令集,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,V5提高了ARM和Thumb之间的交互效率增加了前导零计数指令增加了BKPT（软件中断）指令V6降低耗电量强化图形处理性能支持多微处理器内核,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,体系结构的演变T变种-16位压缩指令集M变种-增强型乘法器,产生全64位结果(32X3264or32X32+64 64)E变种-增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作J变种-支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功能SIMD变种-媒体功能扩展D变种-支持片上DebugI变种-EmbededICE硬件，以支持片上断点和观察点S-表示可综合的“软”IP核,西安电子科技大学计算机学院,3.6 ARM体系结构版本,西安电子科技大学计算机学院,3.7 Thumb技术,Thumb开发背景RISC代码密度低（需要比较大的存储器空间）高端消费类产品需要32位RISC处理器的性能和更优于16位CISC处理器的代码密度Thumb技术概述16位的指令长度32位的执行效率,西安电子科技大学计算机学院,3.7 Thumb技术,Thumb技术特点支持Thumb的核有2套独立的指令集ARM32位指令的性能Thumb16位的代码密度设计者可在性能和代码密度之间取得平衡,西安电子科技大学计算机学院,3.8 ARM处理器家族,微处理器核ARM7系列 ARM9系列 ARM9E系列 ARM10系列 ARM11系列SecurCore系列 StrongARM系列 Xscale系列,西安电子科技大学计算机学院,3.8.1 ARM7系列,该系列主要微处理器包括：ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJ-S采用ARMV4T（Neuman）结构，分为三级流水，支持16位的Thumb指令集 主要应用于工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等嵌入式应用,西安电子科技大学计算机学院,3.8.2 ARM9系列,该系列微处理器包含：ARM920TARM922TARM940T采用ARMV4T（Harvard）结构，五级流水处理以及分离的Cache结构 主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等,西安电子科技大学计算机学院,3.8.3 ARM9E系列,该系列微处理器包括ARM926EJ-SARM946E-SARM966E-S使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案 主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域,西安电子科技大学计算机学院,3.8.4 ARM10E系列,该系列微处理器包含：ARM1020EARM1022EARM1026EJ-S 采用了新的体系结构，与相同工艺条件下的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50%主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域,西安电子科技大学计算机学院,3.8.5 ARM11系列,ARM11是ARM家族中性能最好的一个系列增加了是静、动态组合的跳转预判ARM11囊括了Thumb-2，CoreSight，TrusZone 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展，为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台,西安电子科技大学计算机学院,3.8.6 SecurCore系列,该系列微处理器包含：SecurCoreSC100SecurCoreSC110SecurCoreSC200SecurCoreSC210 提供了基于高性能32位RISC技术的安全解决方案 主要应用于一些安全产品及应用系统，包括电子商务、电子银行业务、网络、移动媒体和认证系统等,西安电子科技大学计算机学院,3.8.7 StrongARM系列,StrongARM系列微处理器融合了Intel公司的设计和处理技术以及ARM体系结构 特点Intel StrongARM系列处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品,西安电子科技大学计算机学院,3.8.8 Xscale系列,Xscale系列处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器。它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，己经使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscale系列处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器。,西安电子科技大学计算机学院,小结,哈佛结构代表了先进的计算机体系结构RISC是高性能处理器的发展方向流水线是提高系统性能的重要手段超标量是进一步提高系统性能的重要手段ARM几乎是RISC的代名词ARM是高性能嵌入式处理器的代名词,西安电子科技大学计算机学院,谢谢！,
