浙江大学嵌入式课件--嵌入式系统3

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微处理器逻辑设计与实现
处理器结构级评价工具总结 寄存器级结构图 指令逻辑寄存器级描述 指令物理寄存器级描述 数据通路设计 控制器设计 中断控制设计 处理器集成
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处理器结构级评价工具总结:指令级模拟
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寄存器级结构图
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微处理器设计
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处理器逻辑设计:数据通路和控制器
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微处理器的系统结构设计 微处理器的执行机制设计 微处理器流水线结构设计 微处理器逻辑设计与实现 处理器逻辑综合(Synopsys) 处理器物理综合(Candence) 处理器的验证与测试
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微处理器的系统结构设计 微处理器的执行机制设计 微处理器流水线结构设计 微处理器逻辑设计与实现 处理器逻辑综合(Synopsys) 处理器物理综合(Candence) 处理器的验证与测试
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
– – – –
–
– – – –
大规模的片上分布式DRAM 深度流水线 8-12 20级以上 Advanced Super-scalar：16-32指令/clock cycle Super-speculative Processor：fine-grain heavy speculation Trace Processor Vector Intelligent RAM Procssor, V-IRAM on-chip multiprocessor Instruction-level Distributed Processing ( ILDP) Clustered Dependence-based Architecture
集成ARM内核的芯片
• • • • • ARM720T－Cirrus Logic公司EP7312 三星：应用于手持设备与网络设备 Intel：StrongArm系列&Xscale系列 Motorola：手持设备（由68改过来） Cirrus Logic：EP7312
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ARM内核
• ARM内核被授权给数百家厂商 • ARM主要应用于无线局域网、3G、手机、 手持设备、有线网络通讯 • 应用形式：集成到专用芯片中作控制器
instruction set
hardware
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指令集体系结构的设计内容
数据格式：硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等 寻址方式：寻址方式的种类、表示方法和地址计算等
寄存器组织：操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器、及专 用寄存器等的定义、数量和使用方法。
指令系统：指令的选取。指令的操作数类型和格式。指令操作 码优化和控制机构等。
• 抽取条件：这一段代码必须决定整个程序的执行时间 • 如Livemore Loops(浮点循环), Linpack等
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测试程序的选择（2）
简单基准测试程序(toy benchmark)
– 事先知道结果的小程序(10~100行) 如快速排序,八皇后问题 等
综合基准程序(synthetic benchmark)
–数据必须装载到寄存器才能运算
–Load从内存装到寄存器
–Store从寄存器存储到内存
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ARM的寄存器
16个通用寄存器
–r0…r15
–r15 同时做PC
1个特殊寄存器：当前程序状态寄存器 CPSR
–在进行运算时被自动设置
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CPSR
高四位为NZCV N:负数 Z:为0 C：进位 V：溢出
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2.2数据运算
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指令执行次序：
–顺序
–跳转
程序计数器Program Counter（PC）
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2、哈佛体系结构
程序与数据有单独的存储器 PC只能指向程序存储器 目前仍然广泛应用
–指令cache与数据cache
–适用于实时信号处理（大部分的DSP）
• 大量数据流入计算机 • 数据必须在精确的时间内处理完成
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3、RISC与CISC
CISC：复杂指令系统计算机 RISC：精简指令系统计算机 RISC一般性能比CISC高
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4、汇编语言种类
1)堆栈型汇编 Push a Push b Add Pop c
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ห้องสมุดไป่ตู้)累加器型汇编
Load a Add b Store c
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3)通用寄存器型汇编
Load $1, A Load $2, B Add $3, $1, $2 Store $3, C
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5）后变址
LDR r0, [r1], #16
把r1为地址的内存数据载入到r0，然后把 r1的值加入16并把新值赋值给r1
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6）例子：x=(a+b)-c;
门级/晶体管级
– 逻辑等式检验
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微处理器的系统结构设计 微处理器的执行机制设计 微处理器流水线结构设计 微处理器逻辑设计与实现 处理器逻辑综合(Synopsys) 处理器物理综合(Candence) 处理器的验证与测试
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6 逻辑综合
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逻辑综合
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工艺库
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嵌入式体系结构
嵌入式指令集 嵌入式CPU 存储器 IO设计 SOC
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二、ARM处理器
属于RISC体系 自己不制造VLSI设备，只提供授权 ARM：只设计内核的英国公司
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ARM内核系列
• ARM720T
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ARM720T特性
• • • • • • • Features: 32/16-bit RISC architecture (ARMv4T) Power-efficient three-stage pipeline 32-bit ALU and high-performance multiplier 8 KByte unified cache Memory Management Unit (MMU) Extensive debug facilities: – Embedded ICE-RT real-time debug unit – JTAG interface unit – Interface for direct connection to 63 Embedded Trace Macrocell (ETM)
微处理器结构与实现技术简介
浙江大学计算机学院 陈天洲
tzchen@ 2005年3月
微处理器的系统结构设计 微处理器的执行机制设计 微处理器流水线结构设计 微处理器逻辑设计与实现 处理器逻辑综合(Synopsys) 处理器物理综合(Candence) 处理器的验证与测试
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今天计算机体系结构的研究内容
进一步提高单个微处理器的性能 基于微处理器的多处理器体系结构。 全面提高计算机的系统性能： 可用性，可维护性，可缩放性。
新型器件的处理器。
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进一步提高单个微处理器的性能
器件技术（2005年的 IC技术）
– 200Mtransistors, 0.1 feature size/onechip; – 2.0-3.5GHz, Pentium 1GHz;
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ARM体系结构
ARM7采用冯.诺依曼体系 ARM9采用哈佛体系 对汇编程序员透明
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ARM基本数据类型
两种：
–32位长的字
–4个8bit的字节
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地址
32位地址长度 可以配置为低序或者高序
– 字的最低位放最低位字节（低序）
– 字的最低位放最高位字节（高序）
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2.1 汇编书写模式
属于通用寄存器型（GPR）汇编 Load－Store结构
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5 行为级/逻辑级验证
功能级验证
–确保处理器与系统结构一致
等价验证
–确保设计结果与功能模型相匹配
电子验证
–确保电路的正确性， 在运行电压温度等环境 下的稳定性
流片前验证 流片后验证
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验证的层次
系统验证 芯片上系统验证 行为级验证
– 验证所实现的与所描述的一致性
寄存器传输级
– 结构验证 – 模拟验证 – 模型检验
– 和核心基准程序有点类似，但它不是从单个实际程序 中提取，而是通过对大量的实际程序的执行情况进行
统计，根据各类操作和操作数的使用频率，人为设计
出来的一段小规模测试程序。 – 如Whetstone, Dhrystone等
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指令系统与处理器结构的关系
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指令系统与处理器结构的关系
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指令系统考虑的问题
1）寄存器型指令： add r0, r1, r2 r1寄存器的内容加r2寄存器的内容，存到 r0
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算术运算
Add加
Adc进位加
Sub减 Sbc进位减 Rsb：逆减 Rsc：进位逆减
Mul：乘
Mla：乘且累加
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逻辑运算
And：按位与 Orr：按位或 EOR：按位异或 BIC：位清除
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移位运算
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
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流水线相关说明
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
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微处理器的执行机制设计
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多线索处理器举例
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微处理器的系统结构设计 微处理器的执行机制设计 微处理器流水线结构设计 微处理器逻辑设计与实现 处理器逻辑综合(Synopsys) 处理器物理综合(Candence) 处理器的验证与测试
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新型器件的处理器
光速极限问题
– IC电路有极限： • 线宽不能无限缩小； • 性能价格 + 低功耗