嵌入式系統(tǒng)二、微處理器

1、嵌入式微處理器微處理器（CPU）概念CPU，即中央處理單元(Central Process Unit)，簡稱微處理器 CPU核心部分由運算器、控制器、寄存器組和內(nèi)部總線等構(gòu)成 CPU是計算機的核心 ，在嵌入式系統(tǒng)中也不例外CPU主要特征指令系統(tǒng)：指令功能、效率對系統(tǒng)性能影響很大工作主頻：同等條件下，主頻越高速度越快CPU的字長：也就是CPU內(nèi)部總線的寬度，字長有4位、8位、16位、32位、64位等類型，一般字長越大，性能越強CPU的體系結(jié)構(gòu)：片內(nèi)總線速度、cache設計、指令流水線設計等工作電壓外部總線帶寬尋址能力性價比CPU的Big endian和Little endian 在計算機中，內(nèi)存

2、可尋址的最小存儲單位是字節(jié)多字節(jié)數(shù)存放在內(nèi)存時存在字節(jié)順序的問題，既高位字節(jié)在前，還是低位字節(jié)在前？Motorola的PowerPC系列CPU和Intel的x86系列CPU是兩個不同字節(jié)序的典型代表PowerPC系列中低地址存放高位字節(jié)，既所謂用Big endian方式 x86系列中則低地址存放最低位字節(jié)，既所謂Little endian方式Big endian和Little endian字節(jié)地址00010203字節(jié)0 x120 x340 x560 x78字節(jié)地址00010203字節(jié)0 x780 x560 x340 x12以16進制四字節(jié)數(shù)為例：0 x12345678存放的起始地址為0Big

3、endian字節(jié)序的字節(jié)存儲方式 Little endian字節(jié)序的字節(jié)存儲方式 CPU的指令系統(tǒng)指令是CPU能理解并執(zhí)行的命令單元，規(guī)定了計算機能完成的某一操作計算機硬件只識別“0”和“1”兩個數(shù)字，所有的CPU指令都由這兩個數(shù)字進行編碼 有機組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該CPU的指令系統(tǒng) 指令的例子0000010 00000100 00000001 00000110 操作碼操作數(shù)（地址）減法被減數(shù)減數(shù)差指令的幾種主要類型算術運算指令 實現(xiàn)加、減、乘、除等數(shù)的計算 邏輯運算指令 實現(xiàn)邏輯數(shù)的與、或、非、異或等邏輯運算 數(shù)據(jù)傳送指令 實

4、現(xiàn)寄存器與寄存器、寄存器與存儲單元以及存儲單元與存儲單元之間數(shù)據(jù)的傳送 移位操作指令 實現(xiàn)對操作數(shù)左移、右移一位或若干位 其它指令 堆棧操作指令、轉(zhuǎn)移類指令、輸入輸出指令、多處理器控制指令、空操作指令等 CPU的兩種類型 CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）可變長指令發(fā)展在計算機發(fā)展之初，CPU指令系統(tǒng)指令較少為了軟件編程方便和提高程序運行速度，在CPU的設計中不斷增加可實現(xiàn)復雜功能的指令 指令系統(tǒng)的指令數(shù)量由操作碼的位數(shù)決定 ，編碼寬度不可能

5、隨意增加，促使操作碼擴展技術出現(xiàn) 操作碼為2位，則正常情況可表示四個指令，分別是00、01、10、11。把編碼“11”作為擴展碼，并把操作碼擴展到4位，則該指令系統(tǒng)就有00、01、10、1100、1101、1110、1111等七條指令，這就是長度可變的操作碼編碼方式 CISC指令集具有大量復雜指令、指令長度可變、且尋址方式多樣的指令系統(tǒng)就是傳統(tǒng)CISC指令系統(tǒng)采用復雜指令系統(tǒng)的計算機有著較強的處理高級語言的能力，有益于提高計算機的性能 復雜的指令、變長的編碼、靈活的尋址方式大大增加了指令解碼的難度，復雜指令所帶來的速度提升已不及在解碼上浪費的時間 CISC指令系統(tǒng)的2/8規(guī)律CISC計算機中，

6、典型程序的運算過程所使用的80指令，只占處理器指令系統(tǒng)的20，最頻繁使用的是取、存和加這些最簡單的指令，而占指令數(shù)80%的復雜指令卻只有20%機會用到復雜的指令系統(tǒng)必然帶來結(jié)構(gòu)的復雜性，增加了設計、制造的難度，妨礙單片計算機的發(fā)展復雜指令需要完成復雜的操作，這類指令多數(shù)是某種高級語言的直接翻版，因而通用性差，采用二級的微碼執(zhí)行方式，降低了那些被頻繁調(diào)用的簡單指令系統(tǒng)的運行速度 RISC處理器設計思想針對CISC的弊病，業(yè)界提出了精簡指令的設計思想指令系統(tǒng)應當主要包含那些使用頻率很高的少量指令 RISC處理器指令特點指令長度固定指令種類少尋址方式種類少大多數(shù)是簡單指令且能在一個時鐘周期內(nèi)完成易于

7、設計高效率的流水線寄存器數(shù)量多，大量操作在寄存器之間進行 RISC處理器優(yōu)點 芯片面積小 實現(xiàn)精簡的指令系統(tǒng)需要的晶體管少，芯片面積自然就小一些，有利于提高功能集成度 開發(fā)時間短 開發(fā)一個結(jié)構(gòu)簡潔的處理器在人力、物力上的投入要更少，整個開發(fā)工作的開發(fā)時間更易于預測可控制。 性能高 完成同樣功能的程序時，RISC處理器需要更多的指令，但RISC單個指令執(zhí)行效率高，而且RISC處理器容易實現(xiàn)更高的工作頻率，從來使整體性能得到提高 CISC、RISC技術應用個人電腦大多采用CISC結(jié)構(gòu)的x86處理器 嵌入式處理器中，RISC技術則得到普遍的應用，如MIPS處理器、ARM處理器等 CPU結(jié)構(gòu) CPU典

8、型組成部分包括運算器、控制器、寄存器陣列及連接各個部分的內(nèi)部總線 影響處理器性能的因素主頻 指令效率與單指令執(zhí)行所需要的時間處理器的字長內(nèi)存總線速度高速緩存（Cache）設計 CPU的系統(tǒng)架構(gòu)嵌入式處理器微處理器分為通用處理器與嵌入式處理器兩類通用處理器也可能用于嵌入式系統(tǒng)通用處理器針對通用計算機的需要進行設計，追求更快計算速度、更大數(shù)據(jù)吞吐率 嵌入式系統(tǒng)有應用針對性的特點，不同的系統(tǒng)對處理器要求千差萬別，全世界嵌入式處理器的種類已經(jīng)超過1000種 嵌入式處理器特點 嵌入式處理器種類繁多、功能多樣、性能跨度大 不同的系統(tǒng)對處理器的功能、性能、功耗、工作環(huán)境、封裝等要求不同，適應千奇百怪的應用需

9、要，嵌入式處理器發(fā)展出極其豐富的產(chǎn)品類型 嵌入式處理器功耗低 嵌入式系統(tǒng)往往作為一個部件“嵌入”在一個設備/系統(tǒng)中，因供電限制或散熱的限制，功耗必須得到有效控制 提供靈活的地址空間尋址能力 嵌入式系統(tǒng)地址空間的分配有很大的自由度，為了適應嵌入式系統(tǒng)的這個特點，嵌入式處理器一般有靈活的地址空間尋址能力 嵌入式處理器特點（續(xù)）支持靈活的功耗控制 嵌入式處理器一般有嚴格的功耗設計，除了降低正常工作的功耗外，還有很多降低功耗的措施，如可變工作頻率、降低工作電壓，還可以設置多種工作模式 功能集成度高，提供豐富的外部接口 嵌入式處理器中功能模塊的集成度越來越高，除了處理器核心外，很多的傳統(tǒng)的外部控制器被集

10、成到微處理器中嵌入式處理器種類嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor， EDSP）嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip，SOC）嵌入式微處理器嵌入式微處理器在通用性上類似通用處理器，但前者在功能、價格、功耗、芯片封裝、溫度適應性、電磁兼容方面更適合嵌入式系統(tǒng)應用要求 嵌入式微處理器通用性好、處理能力強、可擴展性好、尋址范圍大、支持各種靈活的設計，不限于某個具體的應用領域 嵌入式微處理器字長一般為16位或32位Int

11、el、AMD、Motorola、ARM、MIPS等公司提供很多這樣的處理器產(chǎn)品，如XScale、Geode、Power PC、MIPS、ARM等處理器系列嵌入式微控制器 又稱單片機，已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展歷史，目前在嵌入式系統(tǒng)中仍然有著極其廣泛的應用 內(nèi)部集成RAM、ROM、總線控制器、Timer、Watch dog、I/O、串行口、A/D、D/A等 適合各種控制應用：洗衣機、交通燈、電視機、微波爐。嵌入式DSP DSP處理器是專門用于數(shù)字信號處理的處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設計，能實現(xiàn)高性能的數(shù)字信號處理計算DSP是一種嵌入式處理器，實際應用中有兩種形式：作為主處理器的協(xié)處理器

12、、作為系統(tǒng)的主處理器 DSP的特點支持密集的乘法運算采用哈佛結(jié)構(gòu) 支持零開銷循環(huán) 多采用定點計算 支持特殊的尋址方式 應用具有實時性要求 開發(fā)環(huán)境有特殊要求 DSP的協(xié)處理器應用DSP的主處理器應用嵌入式片上系統(tǒng) 把微處理器和某一大類應用中常用的模塊集成在一個芯片上SOC根據(jù)適用的范圍，分為通用SOC和專用SOC 微控制器：內(nèi)部集成了RAM和ROM存儲器、主要用于控制SOC：則沒有內(nèi)置的存儲器，以嵌入式微處理器為核心、具有較強的計算性能 SOC優(yōu)點充分利用IP技術，減少產(chǎn)品設計復雜性和開發(fā)成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間單芯片集成電路可以有效地降低系統(tǒng)功耗減少芯片對外引腳數(shù)，簡化系統(tǒng)加工的復雜性減少外

13、圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快了數(shù)據(jù)傳輸和處理的速度內(nèi)嵌的線路可以減少電路板信號傳送時所造成的系統(tǒng)信號串擾SOPC一種特殊的SOCSOPC（System On Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）是一種特殊的SOC 是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能 是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能 SOPC的特點 至少包含一個嵌入式處理器內(nèi)核具有小容量片內(nèi)高速RAM資源豐富的IP Core資源可供選擇足夠的片上可編程邏輯資源處理器調(diào)試接口和FPGA編程接口可能包含部分可編程模擬電路單芯片、低功耗、微

14、封裝。嵌入式處理器的JTAG調(diào)試接口 JTAG調(diào)試技術也即邊界掃描技術在靠近芯片的輸入、輸出引腳上插入一個移位寄存器，通過這些寄存器，可以把外部信號（數(shù)據(jù)）加載到該管腳上，也可以“捕獲”該管腳上的輸出信號，從而完全控制芯片的工作，達到調(diào)試的目的 這些邊界掃描寄存器單元相互串接，在芯片周圍形成一條鏈，稱掃描鏈 數(shù)據(jù)通過掃描鏈從JTAG的TDI引入，TDO引出，它一方面將JTAG電路與內(nèi)核邏輯電路聯(lián)系起來，另一方面又隔離內(nèi)核電路與芯片引腳 JTAG接口信號 TRST，復位信號。實現(xiàn)JTAG接口控制器的復位 TCK，時鐘信號。為JTAG接口控制器提供了一個獨立的、基本的時鐘信號TMS ，模式選擇信號。通過 TMS信號，可以控制JTAG接口在不同的狀態(tài)間相互轉(zhuǎn)換TDI，數(shù)據(jù)輸入的接口。所有要輸入到JTAG特定寄存器的數(shù)據(jù)都通過TDI接口在TCK的同步下一位一位地串行輸入TDO，數(shù)據(jù)輸出的接口。所有要從JTAG特定寄存器中輸出的數(shù)據(jù)都通過TDO接口在TCK的同步一位一位串行輸出JTAG工作原理電路中的JTAG接