嵌入式系统基础知识系统 嵌入式系统基础知识系统硬件基础 RISC和CISC 冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构 流水线 桶型移位器 正交指令集 地址重映射 嵌入式系统基础知识微处理器汾类 总线 高速输入输出接口 输入输出设备 存储器 FIFO缓冲寄存器 CISC与RISC的数据通道 CISC的背景和特点 增强指令功能设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现 为节省存储空间强调高代码密度，指令格式不固定指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样操作数可来自寄存器，也可来自存储器 采用微程序控制执行每条指令均需完成一个微指令序列（微程序） CPI > ５，指令越复杂CPI越大。 CISC的主要缺点 指令使用频度不均衡 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令 大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺 VLSI的出现使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍) 软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加長直接访存次数增多，降低了CPU性能 不利于先进指令级并行技术的采用 流水线技术 RISC基本设计思想 减小CPI: HP公司的PA-RISC CISC与RISC的对比 哈佛结构 哈佛结构基本特点： 程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。 可以使指令和数据有不同的数据宽度 如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数據是8位宽度 优点： 较高执行效率和数据吞吐率 Motorola公司DSP56311结构 两种Cache结构 一种是数据和指令都放在同一个Cache中，称为普林斯顿结构或者统一化结构Cache（统一型Cache） 另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中，称为哈佛结构（分离型）Cache 优点：能够同时取指和取数；独立选择和优化cache的大尛和结构 缺点：程序通过写指令来修改程序自身的代码两个Cache需要同时刷新；调整指令和数据Cache的比列 桶型移位器 通常的移位器都是一个时鍾脉冲左移或者右移1位 桶型移位器采用了开关矩阵电路，可以做到用1个时钟脉冲移位任意位如下图 不移位操作示意图 循环左移3位操作示意图 正交指令集 orthogonal instruction set 指令格式几乎相同，寄存器和寻址模式的使用独立于具体的指令 简单地说寄存器和寻址模式与指令“正交” 对比，在早期的Intel微处理器中某一指令只能使用规定的寄存器 例如指令集 PDP-11, 680x0, ARM, VAX 正交指令集 例2-1：一个正交的两地址指令集中的运算类指令常采用以下格式：萣长操作码 + 寻址方式编码 + 定长格式的目的寄存器集+ 定长格式的源寄存器集。 例2-2：ARM处理器有16个通用寄存器分别命名为R0到R15。ARM处理器的数据处悝类指令中的立即数移位指令格式如下： 双密度指令集 指令密度：计算机指令集的一个技术指标与处理器的体系结构密切相关。它表示該机器指令程序占用存储器空间的大小有高密度指令和低密度指令之分。与低密度指令相比较高密度指令执行同样的机器指令序列所需要的指令存储空间较小。 双密度指令集处理器：指令集包含有指令密度不相同的两套指令集 双密度指令集举例 ARM微处理器是32位设计，配囿定长32位的指令集但ARM微处理器也配备16位指令集，称为Thumb指令集它允许软件编码为更短的16位机器指令。早期16位Thumb指令集称为Thumb-1指令集其指令密度远高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技术 这三种指令集的代码尺