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嵌入式微处理器 微处理器（CPU）概念 CPU，即中央处理单元(Central Process Unit)，简称微处理器 CPU核心部分由运算器、控制器、寄存器组和内部总线等构成 CPU是计算机的核心 ，在嵌入式系统中也不例外 CPU主要特征 指令系统：指令功能、效率对系统性能影响很大 工作主频：同等条件下，主频越高速度越快 CPU的字长：也就是CPU内部总线的宽度，字长有4位、8位、16位、32位、64位等类型，一般字长越大，性能越强 CPU的体系结构：片内总线速度、cache设计、指令流水线设计等 工作电压 外部总线带宽 寻址能力 性价比 CPU的Big endian和Little endian 在计算机中，内存可寻址的最小存储单位是字节 多字节数存放在内存时存在字节顺序的问题，既高位字节在前，还是低位字节在前？ Motorola的PowerPC系列CPU和Intel的x86系列CPU是两个不同字节序的典型代表 PowerPC系列中低地址存放高位字节，既所谓用Big endian方式 x86系列中则低地址存放最低位字节，既所谓Little endian方式 Big endian和Little endian CPU的指令系统 指令是CPU能理解并执行的命令单元，规定了计算机能完成的某一操作 计算机硬件只识别“0”和“1”两个数字，所有的CPU指令都由这两个数字进行编码 有机组合在一起的一串指令就是程序 不同CPU支持的指令不同，CPU支持的所有指令的集合就是该CPU的指令系统 指令的例子 指令的几种主要类型 算术运算指令 实现加、减、乘、除等数的计算 逻辑运算指令 实现逻辑数的与、或、非、异或等逻辑运算 数据传送指令 实现寄存器与寄存器、寄存器与存储单元以及存储单元与存储单元之间数据的传送 移位操作指令 实现对操作数左移、右移一位或若干位 其它指令 堆栈操作指令、转移类指令、输入输出指令、多处理器控制指令、空操作指令等 CPU的两种类型 CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机） RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机） 可变长指令发展 在计算机发展之初，CPU指令系统指令较少 为了软件编程方便和提高程序运行速度，在CPU的设计中不断增加可实现复杂功能的指令 指令系统的指令数量由操作码的位数决定 ，编码宽度不可能随意增加，促使操作码扩展技术出现 操作码为2位，则正常情况可表示四个指令，分别是00、01、10、11。把编码“11”作为扩展码，并把操作码扩展到4位，则该指令系统就有00、01、10、1100、1101、1110、1111等七条指令，这就是长度可变的操作码编码方式 CISC指令集 具有大量复杂指令、指令长度可变、且寻址方式多样的指令系统就是传统CISC指令系统 采用复杂指令系统的计算机有着较强的处理高级语言的能力，有益于提高计算机的性能 复杂的指令、变长的编码、灵活的寻址方式大大增加了指令解码的难度，复杂指令所带来的速度提升已不及在解码上浪费的时间 CISC指令系统的2/8规律 CISC计算机中，典型程序的运算过程所使用的80％指令，只占处理器指令系统的20％，最频繁使用的是取、存和加这些最简单的指令，而占指令数80%的复杂指令却只有20%机会用到 复杂的指令系统必然带来结构的复杂性，增加了设计、制造的难度，妨碍单片计算机的发展 复杂指令需要完成复杂的操作，这类指令多数是某种高级语言的直接翻版，因而通用性差，采用二级的微码执行方式，降低了那些被频繁调用的简单指令系统的运行速度 RISC处理器设计思想 针对CISC的弊病，业界提出了精简指令的设计思想 指令系统应当主要包含那些使用频率很高的少量指令 RISC处理器指令特点 指令长度固定 指令种类少 寻址方式种类少 大多数是简单指令且能在一个时钟周期内完成 易于设计高效率的流水线 寄存器数量多，大量操作在寄存器之间进行 RISC处理器优点 芯片面积小 实现精简的指令系统需要的晶体管少，芯片面积自然就小一些，有利于提高功能集成度 开发时间短 开发一个结构简洁的处理器在人力、物力上的投入要更少，整个开发工作的开发时间更易于预测可控制。 性能高 完成同样功能的程序时，RISC处理器需要更多的指令，但RISC单个指令执行效率高，而且RISC处理器容易实现更高的工作频率，从来使整体性能得到提高 CISC、RISC技术应用 个人电脑大多采用CISC结构的x86处理器 嵌入式处理器中，RISC技术则得到普遍的应用，如MIPS处理器、