第2章 嵌入式系统硬件基础

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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)
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ARM处理器的线路图
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Arm 处理器的2020预期
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ARM V4

ARMV4是目前支持的最老的架构,是基于32-bit地址空 间的32-bit指令集。ARMv4除了支持ARMv3的指令外 还扩展了：




支持halfword的存取 支持byte和halfword的符号扩展读 支持Thumb指令 提供Thumb和Normal状态的转换指令 进一步的明确了会引起Undefined异常的指令 对以前的26bits体系结构的CPU不再兼容
ARM720T
ARM7TDMI
ARM7TDMI
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目前较为高端的处理器
系列 相应产品 性能特点 8级流水线(9级ARM1156T2(F)-S)，独立的loadstore和arithmetic流水线，支持分支预测和返 回栈（Return Stack）。强大的ARMv6 指令集， 支持DSP，SIMD (Single Instruction Multiple Data) 扩展 Cortex-A系列: 面向用于复杂OS和应用的应用处 理器（applications processors），支持ARM, Thumb and Thumb-2指令集。 Cortex-R系列：面向嵌入式实时领域的嵌入式处 理器，支持ARM, Thumb,和Thumb-2 指令 用于Smart Card和Secure IC的32-bit解决方案。支 持ARM和Thumb 指令集，软核。 具有安全特征和低成本安全存储保护单元


IBM, Motorola公司的PowerPC
DEC、Compac公司的Alpha AXP IBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机
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CISC与RISC的对比
类别 CISC RISC
指令系统 指令数量很多
较少，通常少于100
执行时间 有些指令执行时间很长，如 没有较长执行时间的指令 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器 编码长度 编码长度可变，1-15字节 寻址方式 寻址方式多样 操作 编译 编码长度固定，通常为4个字节 简单寻址
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ARMv4T


ARMv4T增加了16-bit Thumb 指令集，这样使 得编译器能产生紧凑代码（相对于32-bit代码， 内存能节省到35%以上)并保持32-bit系统的好 处。 Thumb在处理器中仍然要扩展为标准的32位 ARM指令来运行。用户采用16位Thumb指令集 最大的好处就是可以获得更高的代码密度和降 低功耗。
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按应用特征分类 应用处理器 Application Processor 实时控制处理器 Real-time Controller 微控制器 Micro-controller
版本标号的区别



v1: 只是sample prototype v2: 就是v1的進版，多了一些instruction v3: 多了CPSR/SPSR這些重要的register v4: 常見的架構，arm7,9，strong arm都是這個版本。 有16 bit的thumb instruction set，SWI v5: 又多了些instruction，比如說BLX，CLZ.。arm 10，xscale是這個版本 v6: SIMD多媒體加速，endian alignment
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑 算术和逻辑操作 操作，Load/Store体系结构 难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效 的目标代码程序 的目标代码程序
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总线

从微处理器的角度来看，总线可分为：
片外总线(如：PCI、ISA等)和 片内总线（如：AMBA、 AVALON、OCP、 WISHBONE等）。
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ARMv5TEJ


2000年推出ARMv5TEJ，增加了Jazelle扩展以 支持Java加速技术。 Jazelle技术比仅仅基于软件的JVM性能提高近 8倍的性能减少了80％的功耗。
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ARMv6



2001年推出ARMv6，它在许多方面做了改进如内存系 统、异常处理和较好地支持多处理器。 SIMD扩展使得广大的软件应用如Video和Audio codec 的性能提高了4倍。 Thumb-2和TrustZone 技术也用于ARMv6中。ARMv6 第一个实现是2002年春推出的ARM1136J(F)-STM处理 器，2003年又推出了 ARM1156T2(F)-S 和 ARM1176JZ(F)-S处理器。
500 DMIPS
ARM1136J ARM1176JZ
ARM1156T2
ARM10™ Family
300 DMIPS
ARM1026E
ARM1026E
ARM9™ Family
150DMIPS
ARM920T/ARM922T ARM926EJ
ARM946E
ARM966E ARM968E
ARM7™ Family
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ARM V5TE

1999 年 推 出 ARMv5TE 其 增 强 了 Thumb 体 系 , 增 强 的 Thumb 体 系 增 加 了 一 个 新 的 指 令 同 时 改 进 了 Thumb/ARM 相互作用、编译能力和混合及匹配 ARM 与Thumb例程，以更好地平衡代码空间和性能

并 在 ARM ISA 上 扩 展 了 增 强 的 DSP 指 令 集 : 增 强 的 DSP 指 令 包 括 支 持 饱 和 算 术 （ saturated arithmetic）, 并且针对Audio DSP应用提高了70%性能。 ‘E’扩展表示在通用的CPU上提供DSP能力。
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ARM处理器的分类

结构体系版本（Architecture） ARM v4T

ARM v5TE ARM v6 ARM Cortex (v7)

Processor Family ARM7 ARM9 ARM10 ARM11 ARM Cortex
特征：MMU, Cache 最快频率、最高性能、合理功耗 特征：MPU, Cache 实时响应、合理性能、较低功耗 特征：no sub-memory system 一般性能、最低成本、极低功耗
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RAM和ROM
ROM存储器模块 RAM存储器模块。从上往下依次为： SIMM、DIMM 和SODIMM
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输入/输出接口和设备


嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设 备已经集成在嵌入式微处理器中。 输入/输出接口主要有中断控制器、DMA、串 行和并行接口等，设备主要有定时器 （Timers）、计数器（counters）、看门狗 （watchdog timers）、RTC、UARTs、PWM （Pulse width modulator）、AD/DA、显示器、 键盘和网络等。
第2章 嵌入式系统硬件基础
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嵌入式系统硬件构成

嵌入式系统的硬件架构，是以嵌入式处理器为 中心，由存储器、I/O设备、通信模块以及电 源等必要的辅助接口组成。

嵌入式微处理器 CPU 总线 PCI-Express 存储器 Memory 输入/输出接口和设备 UART/USB （传感器） Temperature
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ARM Family
ARM Architecture Application Processor
Cortex A
Embedded RT Controller
Cortex R
Microcontroller
Cortex M
ARM Cortex ™ Family
1000 DMIPS
ARM11™ Family
目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外 存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各 种信息，相对主存而言具有价格低、容量大的特 点。 在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做 外存，电子盘的主要种类有NandFlash、 SD （Secure Digital）卡、CompactFlash、 SmartMedia、Memory Stick、 MultiMediaCard、、 DOC（Disk On Chip）等。
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嵌入式处理器前五名（按出货量排名）
Leabharlann ARM X86 Power PC MIPS DSP
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ARM简介
ARM(Advanced RISC Machines)，既可以 认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微 处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售 芯片设计技术的授权。 90%的移动电话、大量的游戏机、手持PC和 机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯 片厂商都是ARM的授权用户（License），如 Intel、Samsung、TI、Motorola、ST等，ARM 已成为业界公认的嵌入式微处理器标准。
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MMU的功能
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存储器

嵌入式系统的存储器包括主存和外存。

大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器 可直接访问的存储空间即主存中。 系统上电后在主存中的代码直接运行。主存储器 的特点是速度快，一般采用 ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。