嵌入式系统体系结构与开发嵌入式处理器介绍和运行模式
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– 从信号线功能和性质分，数据线、地址线 和控制线。
• 嵌入式系统的总线
系统总线参数
• 总线宽度
– 又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的 位数。如16位总线就是具有16位数据传送能力。
• 总线频率
– 总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高， 速度越快。
– 通常用MHz表示。
• 总线带宽
– 又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总 线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据 量来衡量。
寄存器较多
指令流水线
• 3级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行
• 5级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行 – 存储 –写
系统总线
• 总线
– 是CPU与存储器和设备通信的机制，是计 算机各部件之间传送数据、地址和控制信 息的公共通道。
• 总线分类
– 从微处理器的角度来分，总线可分为片外 总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如： AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE 等）。
– 总线带宽越宽，传输率越高。
总线带宽(单位:MB/s) =（总线宽度/8）× 总线频率
多总线结构
– 数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。
– 成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接 器。
– 桥允许总线独立操作，在I/O操作中可提供某些
并行性。CPU
低速设备
高速总线 桥
低速总线
存储器 高速设备
– 从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。
– 从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如外存接口、总线桥接口以 及任何内存都可以是从单元，系统的其他外设也包含在AHB的从单元中。
冯.诺依曼结构
• 计算机系统五大部件 – ALU
传统的微处理器采用的 冯·诺依曼结构将指令和数
– Controller
据存放在同一存储空间中，
– Memory – Input – Output
统一编址，指令和数据通过 同一总线访问。
• 核心部件
– 早期是CPU
– 后来是Memory,存储程序(stored program)：程序以数字形式存在，可以 与数据一样被读写
低速设备
AMBA总线规范
• AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是ARM 公司研发的一种总 线规范，目前为3.0 版本。
• 在AMBA总线规范中，定义了3种总线:
– AHB(Advanced High-performance Bus)：用于 高性能系统模块的连接，支持突发模式数据传 输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上 和片外存储器，支持流水线操作。
复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址
微码
寄存器较少
RISC
由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低 使用流水线降低指令的执行周期数， 增加代码尺寸
简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的CISC微代码指令
软件完成 简单的寻址模式，仅允许LOAD和 STORE指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器 直接执行
• 指令执行次序：
– 顺序
– 跳转
• 程序计数器Program Counter（PC）
哈佛体系结构
• 程序与数据有独立的存储器 • PC只能指向程序存储器 • 独立编址运行
– 指令cache与数据cache – 适用于实时信号处理（大部分的DSP）
• 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种 并行体系结构，其主要特点是程序和数据 存储在不同的存储空间中，即程序存储器 和数据存储器是两个相互独立的存储器， 每个存储器独立编制、独立访问。与之相 对应的是系统中设置的两条总线（程序总
– ASB（Advanced System Bus）：也用于高性 能系统模块的连接，由AHB总线替代；
– APB（Advanced Peripheral Bus）：用于较低 性能外设的简单连接，一般是接在AHB或ASB
AMBA
• S3C2410内部结构图
AMBA S3C2410多总线结构
高性能 总线
• 总线结构
– 总线原理 – AMBA总线
• 存储结构 • 外部设备
计算机体系结构
• 计算机体系结构据不完全统计，目前全世 界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千 种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流 的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86 等。
• 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也可能具有不同的时钟速度 和总线数据宽度、集成不同的外部接口和 设备。
嵌入式系统体系结构与开发 嵌入式处理器介绍和运行模式
ARM 体系结构
计算机组成与结构 体系结构——冯.偌依曼与哈佛 指令系统——精简指令与复杂指令 总线结构——单总线与多总线结构 存储结构——多级存储结构
计算机组成结构
• 体系结构
– 冯.诺依曼结构 – 哈佛体系结构
• 指令系统
– CISC：复杂指令系统计算机 – RISC：精简指令系统计算机
冯.诺依曼结构与哈佛体系结构
• 两种体系结构比较
主存储器
地址 数据
CPU
MOV
PC
r8,#8
冯•诺依曼结构
地址 数据存储器 数据
地址 程序存储器
MOV PC
RISC与CISC
• 嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集 系统和复杂指令集系统。
• 拼写:
– RISC（Reduced Instruction Set Computer） – CISC（Complex Instruction Set Computer）
桥与 DMA 仲裁器
外设 总线
AMBA-AHB总线
• 主单元
– 只有主单元可在任何时刻使用总线。AHB可以有一个或多个主单元。 – 主单元可以是RISC处理器、协处理器以及DMA控制器，以启动和控制总线操作。
• 从单元
– 可以响应（并非启动）读或写总线操作。
– 总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。
指令系统
RISC与CISC特点比较
价格 性能 指令集
高级语言支持
寻址模式 控制单元 寄存器数目
CISC
由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高 减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数 大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language） 硬件完成
• 嵌入式系统的总线
系统总线参数
• 总线宽度
– 又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的 位数。如16位总线就是具有16位数据传送能力。
• 总线频率
– 总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高， 速度越快。
– 通常用MHz表示。
• 总线带宽
– 又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总 线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据 量来衡量。
寄存器较多
指令流水线
• 3级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行
• 5级指令流水线
– 取指 – 译码 – 执行 – 存储 –写
系统总线
• 总线
– 是CPU与存储器和设备通信的机制，是计 算机各部件之间传送数据、地址和控制信 息的公共通道。
• 总线分类
– 从微处理器的角度来分，总线可分为片外 总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如： AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE 等）。
– 总线带宽越宽，传输率越高。
总线带宽(单位:MB/s) =（总线宽度/8）× 总线频率
多总线结构
– 数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。
– 成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接 器。
– 桥允许总线独立操作，在I/O操作中可提供某些
并行性。CPU
低速设备
高速总线 桥
低速总线
存储器 高速设备
– 从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。
– 从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如外存接口、总线桥接口以 及任何内存都可以是从单元，系统的其他外设也包含在AHB的从单元中。
冯.诺依曼结构
• 计算机系统五大部件 – ALU
传统的微处理器采用的 冯·诺依曼结构将指令和数
– Controller
据存放在同一存储空间中，
– Memory – Input – Output
统一编址，指令和数据通过 同一总线访问。
• 核心部件
– 早期是CPU
– 后来是Memory,存储程序(stored program)：程序以数字形式存在，可以 与数据一样被读写
低速设备
AMBA总线规范
• AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是ARM 公司研发的一种总 线规范，目前为3.0 版本。
• 在AMBA总线规范中，定义了3种总线:
– AHB(Advanced High-performance Bus)：用于 高性能系统模块的连接，支持突发模式数据传 输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上 和片外存储器，支持流水线操作。
复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址
微码
寄存器较少
RISC
由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低 使用流水线降低指令的执行周期数， 增加代码尺寸
简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的CISC微代码指令
软件完成 简单的寻址模式，仅允许LOAD和 STORE指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器 直接执行
• 指令执行次序：
– 顺序
– 跳转
• 程序计数器Program Counter（PC）
哈佛体系结构
• 程序与数据有独立的存储器 • PC只能指向程序存储器 • 独立编址运行
– 指令cache与数据cache – 适用于实时信号处理（大部分的DSP）
• 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种 并行体系结构，其主要特点是程序和数据 存储在不同的存储空间中，即程序存储器 和数据存储器是两个相互独立的存储器， 每个存储器独立编制、独立访问。与之相 对应的是系统中设置的两条总线（程序总
– ASB（Advanced System Bus）：也用于高性 能系统模块的连接，由AHB总线替代；
– APB（Advanced Peripheral Bus）：用于较低 性能外设的简单连接，一般是接在AHB或ASB
AMBA
• S3C2410内部结构图
AMBA S3C2410多总线结构
高性能 总线
• 总线结构
– 总线原理 – AMBA总线
• 存储结构 • 外部设备
计算机体系结构
• 计算机体系结构据不完全统计，目前全世 界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千 种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流 的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86 等。
• 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也可能具有不同的时钟速度 和总线数据宽度、集成不同的外部接口和 设备。
嵌入式系统体系结构与开发 嵌入式处理器介绍和运行模式
ARM 体系结构
计算机组成与结构 体系结构——冯.偌依曼与哈佛 指令系统——精简指令与复杂指令 总线结构——单总线与多总线结构 存储结构——多级存储结构
计算机组成结构
• 体系结构
– 冯.诺依曼结构 – 哈佛体系结构
• 指令系统
– CISC：复杂指令系统计算机 – RISC：精简指令系统计算机
冯.诺依曼结构与哈佛体系结构
• 两种体系结构比较
主存储器
地址 数据
CPU
MOV
PC
r8,#8
冯•诺依曼结构
地址 数据存储器 数据
地址 程序存储器
MOV PC
RISC与CISC
• 嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集 系统和复杂指令集系统。
• 拼写:
– RISC（Reduced Instruction Set Computer） – CISC（Complex Instruction Set Computer）
桥与 DMA 仲裁器
外设 总线
AMBA-AHB总线
• 主单元
– 只有主单元可在任何时刻使用总线。AHB可以有一个或多个主单元。 – 主单元可以是RISC处理器、协处理器以及DMA控制器，以启动和控制总线操作。
• 从单元
– 可以响应（并非启动）读或写总线操作。
– 总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。
指令系统
RISC与CISC特点比较
价格 性能 指令集
高级语言支持
寻址模式 控制单元 寄存器数目
CISC
由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高 减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数 大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language） 硬件完成