北航《嵌入式系统》课件第二章.ppt

嵌入式系统硬件基础 RISC和CISC 冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 流水线 嵌入式微处理器体系结果 总线 高速输入输出接口 输入输出设备 存储器 CISC与RISC的数据通道 CISC的背景和特点 背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，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，也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 CPI ５，指令越复杂，CPI越大。 CISC的主要缺点 指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。 大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。 软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。 不利于先进指令级并行技术的采用 流水线技术 RISC基本设计思想 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:减少指令平均执行周期数 CPUtime= Instr_Count *CPI * Clock_cycle ICRISC IC CISC, 30%---40% CCRISC CCCISC CPIRISC CPICISC ， 20% 超标量、超流水线、VLIW等系统结构， 目标在于减小CPI， 可使CPI1 RISC的提出与发展 Load/Store结构提出： CDC6600(1963)--CRAY1(1976) 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RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 CISC与RISC的对比 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 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 分支流水线举例 流水线被阻断 注意:内核运行在ARM状态 高速缓存（CACHE） 总线和总线桥 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 ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族 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 INTEL的Xscale架构处理器 MIPS 从1986年推出R2000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 RISC 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