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第二章 嵌入式处理器 可编程逻辑器件与IP（Intellectual Property）核补充 1．EDA与可编程逻辑器件 EDA是一种电子系统设计方法（EDA软件功能，EDA设计的目标电路） 数字系统的硬件抽象 ASIC设计流程（自上而下设计） 流行的硬件描述语言（HDL） 流行的可编程逻辑器件（PLD） Altera Xilinx Lattice 基于PLD的电子系统设计流程 2.系统及芯片（SOC） IP包含内容 SOC与IP核标准化 3．IP核形态与优选原则 形态（软核、固核、硬核） 原则（可重复性，开发周期性） 4．IP核互联与片上总线（OCB） IP互联拓扑结构 流行的片上总线标准结构示例 IBM的coreconnect Altera的Avalon ARM的AMBA 5．低功耗设计 硬件低功耗设计 软件低功耗设计 §2.1嵌入式处理器体系结构 嵌入式处理器是嵌入式系统的硬件核心，内部含有嵌入式CPU、存储器以及不同用途的I/O控制器电路。其体系结构的不同直接影响着嵌入式系统开发工具的选择、应用程序的编写。了解嵌入式处理器内部体系结构对于开发、设计嵌入式系统是必要的。 §2.1.1嵌入式处理器体系结构 目前嵌入式处理器的系统结构有CISC复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）与RISC精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer）。 1、CISC 早期处理器的体系结构基本上是与当时的“小型机”一脉相承的。所谓“体系结构”是指程序员在为特定处理器编制程序时所看到的从而可以在程序中使用的资源及其相互间的关系，其中最重要的就是所提供的指令系统与寄存器组。早期计算机的CPU，包括早期处理器指令系统都是CISC的。 CISC体系结构的处理器特点：是指其指令系统复杂，指令种类繁多，寻址方式灵活，指令功能强大。能够为典型的高级语言成分提供相应的指令，便于编写程序且程序的阅读性好，更重要的是，高级语言的编译过程也随之简化。 随着技术的发展，CISC的缺陷逐步凸现出来了。 为了提高运算速度，在处理器中采用了“预取指令”等“流水线操作”技术。由于CISC的复杂指令的存在使得各种指令的执行时间长短不一致，指令本身长度也不一致，从而导致流水线（特别是较长的流水线）常常不能被有效地充满，影响了运算速度。 处理器的集成规模是受到半导体技术以及生产成本的限制，减小芯片的尺寸和降低功耗又是市场需要，也是电子设计追求的目标，这对于嵌入式系统更有着特殊的意义。由于CISC体系结构的处理器多数采用微程序技术设计指令系统，微程序ROM又是微处理器内部“占地”最大的部分，复杂指令又是其中“大户”。给芯片的微型化和低功耗的实现带了困难。 随着计算机技术的发展而不断引入新的复杂的指令集，为支持这些新增的指令，计算机的体系结构越来越复杂，然而，在CISC指令集的各种指令中，复杂指令集使用频率却相差悬殊，大约有20％的指令会反复使用，而其余80％的指令不经常使用，显然，这种体系结构有它的不合理之处。 2、RISC 基于CISC上述的缺陷，“简约(精简)指令计算机”，即RISC（Reduced Instruction Set Computer）的概念与技术便应运而生。这方面的研究最初由IBM公司开始，后来加州大学伯克利分校（1979年）以及斯坦福大学的研究人员也基本上各自独立进行了研究（其中IBM的John Cocke因为在这方面的贡献而荣获1987年的图灵奖）并各自取得了丰硕的成果。这些成果后来发展成为PowerPC、SPARC、以及MIPS等几种最主要的RISC体系结构。与RISC相对应的、传统的体系结构便成了“复杂指令集计算机”即CISC（Complex Instruction Set Computer）。 RISC系统结构具有的特点： 采用固定长度的指令格式，指令规整、简单基本寻址方式有2～3种，指令系统小。 使用单周期指令，便于流水线操作执行。 大量使用寄存器（一般≥32个寄存器），数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载（LOAD）/存储（STORE）指令可以访问存储器，以提高指令执行效率。 RISC系统结构的处理器都采用流水线，都带有高速缓存（cache）。 3、CISC与RISC的比较 与CISC系统结构相比，RISC系统结构确实有不少优点，特别是RISC处理器的电路简单、速度快、芯片面积小、开发周期短。但是也有缺点，那就是代码的密度不高，使得可执行程序的体积较大，其汇编代码的可读性较差。还有，在Intel的X86系列已经在CPU市场占统治地位的今天，不能与X86指令系统兼容，也给RISC的普及应用带来了不利的影响。 由于