嵌入式系統(tǒng)原理與開發(fā)：第二章 嵌入式處理器

1、第二章嵌入式處理器嵌入式處理器概述嵌入式處理器概述嵌入式微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心。目前32位嵌入式微處理器是市場的主流。 32位嵌入式微處理器市場，我們可以發(fā)現(xiàn)超過100家的芯片供應(yīng)商和近30種指令體系結(jié)構(gòu)。嵌入式處理器概述RISC結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證明是嵌入式處理器最適合的結(jié)構(gòu)。ARM處理器是真正意義上的RISC結(jié)構(gòu)的處理器，且具有處理速度快、功耗低、價(jià)格便宜等方面的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛使用2.1 引言本章以ARM處理器為例來介紹嵌入式處理器。在概要介紹處理器背景知識(shí)的基礎(chǔ)上，主要內(nèi)容偏重于介紹處理器的指令系統(tǒng)和基于處理器的編程基礎(chǔ)。第二章 嵌入式處理器2.1 引言 2.2 嵌入式處理器概述 2.3A

2、RM處理器基礎(chǔ) 2.4ARM指令系統(tǒng)2.5ARM程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2.2 嵌入式處理器概述 2.2.1 嵌入式處理器的分類 2.2.2 典型的嵌入式處理器 2.2.1 嵌入式處理器的分類2.2 嵌入式處理器概述 嵌入式處理器嵌入式微控制器（MCU）嵌入式微處理器（MPU）嵌入式DSP（DSP）嵌入式片上系統(tǒng)（SoC）典型的嵌入式處理器在1996年以前，最成功的嵌入式微處理器是Motorola公司的68000系列。此外嵌入式微處理器市場還包括其它體系結(jié)構(gòu)，如Intel公司的I960，Motorola公司的Coldfire，Sun公司的Sparc，以及嵌入式X86系列平臺(tái)。當(dāng)然，最引人注目的還是ARM公

3、司的ARM系列、MIPS公司的MIPS系列，以及Hitachi公司的SuperH系列（其中ARM和MIPS都知識(shí)產(chǎn)權(quán)公司，把他們的微處理器IP技術(shù)授權(quán)給半導(dǎo)體廠商，由他們生產(chǎn)形態(tài)各異的微處理器芯片）。 典型的嵌入式處理器ARM處理器PowerPC處理器MIPS處理器Sparc處理器龍芯處理器1. ARM處理器2.2.2 典型的嵌入式處理器 英國先進(jìn)RISC機(jī)器公司（Advanced RISC Machines，ARM）是全球領(lǐng)先的16/32位RISC微處理器知識(shí)產(chǎn)權(quán)（Intellectual Property，IP）供應(yīng)商。 ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，而是依靠轉(zhuǎn)讓微處理器、外圍和系統(tǒng)芯

4、片的設(shè)計(jì)技術(shù)給合作公司，由合作公司使用這些技術(shù)來生產(chǎn)各具特色的芯片。 1. ARM處理器 ARM已成為移動(dòng)通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費(fèi)等嵌入式解決方案事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)。 ARM進(jìn)入中國幾年以來，已經(jīng)與中興、華為、東南大學(xué)、上海集成電路設(shè)計(jì)中心、中芯國際以及大唐簽訂了芯片核心技術(shù)授權(quán)協(xié)議。2.2.2 典型的嵌入式處理器 1. ARM處理器 ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集 。 ARM的Jazelle技術(shù)提供了Java加速，可得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)高得多的性能。 ARM采用DSP指令集的擴(kuò)充提供了增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性 。 ARM還提供了兩個(gè)前

5、沿特性嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核系列，用以輔助帶嵌入式核的、高集成的SoC器件的調(diào)試。 2.2.2 典型的嵌入式處理器 1. ARM處理器 基于ARM核嵌入式芯片的典型應(yīng)用主要有：2.2.2 典型的嵌入式處理器 ARM應(yīng)用消費(fèi)娛樂產(chǎn)品 數(shù)字影像產(chǎn)品 軍事電子工業(yè)控制產(chǎn)品 移動(dòng)存貯無線產(chǎn)品 存儲(chǔ)產(chǎn)品 汽車產(chǎn)品 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品 安全產(chǎn)品 2. PowerPC處理器 PowerPC處理器品種很多，既有通用的處理器，又有嵌入式控制器和內(nèi)核。 PowerPC的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。 PowerPC的應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從消費(fèi)電子到大型通信設(shè)備等各個(gè)方面。

6、 2.2.2 典型的嵌入式處理器 2. PowerPC處理器 PowerPC處理器的主頻從25MHz700MHz不等，它們的能量消耗、大小、整合程度、價(jià)格等差別懸殊，主要產(chǎn)品的芯片型號(hào)有PowerPC 750、PowerPC 405和PowerPC440。 2.2.2 典型的嵌入式處理器 3. MIPS處理器 MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的縮寫，即“無內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”。 MIPS的機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題，最早在80年代初期由斯坦福（Stanford）大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)

7、的研究小組研制出來的。 2.2.2 典型的嵌入式處理器 3. MIPS處理器 在嵌入式應(yīng)用方面，MIPS系列微處理器是目前僅次于ARM的使用最廣泛的處理器之一，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋機(jī)頂盒、游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。 MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提供性能，同時(shí)簡化硬件設(shè)計(jì)。 MIPS IDF(MIPS Integrated Development Framework)集成開發(fā)工具，特別適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。2.2.2 典型的嵌入式處理器 4. Sparc處理器 Sparc處理器是由著名的Sun公司自行研發(fā)的微處理器芯片。 Sun在64位UltraSpar

8、c處理器方面，主要有3個(gè)系列：可擴(kuò)展的s系列主要用于高性能、易擴(kuò)展的多處理器系統(tǒng)；集成式i系列將多種系統(tǒng)功能集成在一個(gè)處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益；嵌入式e系列為用戶提供理想的性能價(jià)格比，其嵌入式應(yīng)用包括瘦客戶機(jī)、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)接口等。2.2.2 典型的嵌入式處理器 5. 龍芯一號(hào)處理器 龍芯一號(hào)處理器是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式處理器特點(diǎn)的新一代32位處理器。 龍芯一號(hào)的投片成功，并通過了以SPEC CPU2000為代表的一批性能和功能測試程序的嚴(yán)格測試，標(biāo)志著我國在現(xiàn)代通用微處理器設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了零的突破，打破了我國長期依賴國外CPU產(chǎn)品的無芯的歷史，也標(biāo)志著國產(chǎn)安全服務(wù)器CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。2.2.2 典型的嵌入式處理器 5. 龍芯一號(hào)處理器 龍芯一號(hào)在通用CPU體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用了許多先進(jìn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)，尤其在動(dòng)態(tài)流水線的具體實(shí)現(xiàn)和硬件對系統(tǒng)安全性的支持方面，有獨(dú)特創(chuàng)新并申請了專利。 龍芯一號(hào)在片內(nèi)提供了一種特別設(shè)計(jì)的硬件機(jī)制，可以抗御緩沖區(qū)溢出攻擊，在硬件上根本抵制了緩沖區(qū)溢出類攻擊的危險(xiǎn)，從而大大的增加的服務(wù)器的安全性。 2.2.2 典型的嵌入式處理器 5. 龍芯一號(hào)處理