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2008年6月19日 南京大学计算机系 《嵌入式系统原理与开发》 第3讲 南京大学计算机系 俞建新主讲 第3章 嵌入式微处理器技术基础 本章主要介绍以下内容： 嵌入式微处理器典型技术 主流嵌入式微处理器 嵌入式处理器的调试技术 边界扫描测试技术JTAG 3.1 嵌入式微处理器典型技术 I/O端口统一编址与特殊功能寄存器 哈佛结构 桶型移位器 正交指令集 指令密度 看门狗定时器 地址对准与端序 地址重映射 FIFO缓冲寄存器 主存控制器 3.1.1 I/O端口统一编址 与特殊功能寄存器 计算机的两种I/O端口地址空间 独立编址 x86处理器系列 统一编址 8051系列和ARM系列处理器 特殊功能寄存器（SFR） 接口控制器的端口寄存器 实际为片上（片内）的物理存储单元 三星公司嵌入式处理器S3C44B0X存储器地址映射图 3.1.2 哈佛结构 哈佛结构是一种计算机体系结构 哈佛结构基本特点： 程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。 可以使指令和数据有不同的数据宽度。 如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。 优点： 较高执行效率和数据吞吐率 哈佛结构示意图 冯?诺依曼结构示意图 Motorola公司DSP56311型数字信号处理器的存储系统结构 哈佛结构Cache 片内Cache分为两类。 一种是数据和指令都放在同一个Cache中，称为普林斯顿结构或者统一化结构Cache（统一型Cache）。 另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中，称为哈佛结构Cache。这后一种Cache也叫做分离型Cache。 3.1.3 桶型移位器 通常的移位器都是一个时钟脉冲左移或者右移1位。 桶型移位器采用了开关矩阵电路，可以做到用1个时钟脉冲移位任意位。 参看下面的开关矩阵工作示意图。 不移位操作示意图 循环左移3位操作示意图 3.1.4 正交指令集 正交指令集（ orthogonal instruction set ） An instruction set where all (or most) instructions have the same format and all registers and addressing modes can be used interchangeably. The choices of op code, register, and addressing mode are mutually independent. loosely speaking, the choices are orthogonal. This contrasts with some early Intel microprocessors where only certain registers could be used by certain instructions. ? Examples include the PDP-11, 680x0, ARM, VAX. 正交指令集 例3-1：一个正交的两地址指令集中的运算类指令常采用以下格式：定长操作码 + 寻址方式编码 + 定长格式的目的寄存器集+ 定长格式的源寄存器集。 例3-2：ARM处理器有16个通用寄存器，分别命名为R0到R15。ARM处理器的数据处理类指令中的立即数移位指令格式如下： 例3-2的说明 其中的执行条件字段是该指令执行的条件，共有15种条件，加上无条件，一共有16种可能，用4位二进制数表示，可以取其中一种；操作码字段有4位，表示执行的是哪一种算术逻辑运算，一共有16种运算，可以取其中任何一种；SH字段表示移位类型，可以有5种移位指令的编码可供选择，这些指令都用到了桶型移位器；Rn、Rd、Rm字段是操作数寄存器字段，可以取16个寄存器R0~R15中的任何一个；#shift是立即数移位长度值。 3.1.5 双密度指令集 指令密度：计算机指令集的一个技术指标，与处理器的体系结构密切相关。它表示该机器指令程序占用存储器空间的大小。有高密度指令和低密度指令之分。与低密度指令相比较，高密度指令执行同样的机器指令序列所需要的指令存储空间较小。 双密度指令集处理器：指令集包含有指令密度不相同的两套指令集。 双密度指令集举例 ARM微处理器是32位设计，配有定长32位的指令集。但ARM微处理器也配备16位指令集，称为Thumb指令集。它允许软件编码为更短的16位机器指令。早期16位Thumb指令集称为Thumb-1指令集，其指令密度远高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技术 。这三种指令集的代码尺寸比较与性能比较请参看下图。 3.1