嵌入式程序设计ch2-微处理器体系架构

嵌入式系统设计-微处理器体系架构

一.嵌入式微处理器体系架构

冯 · 诺依曼结构 vS 哈佛结构（每节课都在提）

🔷冯 · 诺依曼结构

• 由中央处理器（CPU）和存储器组成
• 通过一组总线（包括地址总线和数据总线）连接
• 指令和数据以同等地位存储在同一存储器中
• 对指令和数据的访问都是通过这组总线来实现的
• 存储器访问通过分时复用的方式进行

🔷哈佛结构

• 两个独立的存储模块，分别存储数据和指令
• 两套独立的总线，分别作为CPU和两个存储器通信
• 指令和数据的访问可以同时进行，并且指令和数据可 以有不同的带宽
• Microchip 公司的 PIC16 芯片的指令是 14 位宽度， 而数据是 8 位宽度

CISC&RISC(又又又出现了)

复杂指令集计算机（CISC）

• 依靠增加指令的复杂度，来改善计算性能
• 指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少
• CPU寻址方式复杂多样
• 采用微程序控制
• 每条指令执行平均时钟周期数CPI超过5个时钟周期

CISC指令的使用频率不均衡，且相差悬殊，20%/80%定律

CISC依靠增加指令数目，来改善其性能缺点

RISC

• RISC 统一了计算机的体系结构
• 指令非常少，通常只有几十条
• 每条指令长度统一，CPU寻址方式少
• 便于应用流水线技术
• 大部分指令是单时钟周期完成

嵌入式微处理器特点

• 实时性：在处理器设计上要求有较短的响应时间
• 多任务：不相关的过程需要计算机同时处理，降低系统复杂性，保证实时性
• 存储保护：提高系统可靠性

嵌入式微处理器分类

嵌入式微控制器（MCU）

• 微控制器是将一个计算机集成到一个芯片，形成单片机
• 通过单片机控制嵌入式设备
• 片内可以集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、ADC、DAC、Flash RAM、EEPROM 等各种必要的功能部件和外设
• 芯片尺寸大大减小，系统总功耗和成本下降，可靠性提高

嵌入式微处理器(MPU)

• 由通用计算机中的 CPU 发展而来，只保留和嵌入式应用紧密相关的的功能硬件
• 低功耗和低资源实现嵌入式应用的特殊要求
• 主要面向结构更复杂、功能更丰富、性能要求更高的嵌入式应用

嵌入式微处理器分类

数字信号处理器（DSP）

• 专门用于信号处理的处理器

• 具有很高的编译效率和指令执行速度

• 应用在数字滤波、快速傅里叶变换、谱分析、语音编码、视频编

• 码、数据编码和雷达目标提取类型

• 单片化设计

• 集成在微控制器、微处理器、片上系统中的 DSP 协处理器

嵌入式片上系统（SOC）

• 实现一个完整的硬件和软件系统
• 具有集成度高、处理能力强、功能组件丰富、体积小、重量轻、低功耗等特性

RISC-V架构

• 基于RISC原理建立的免费开放指令集架构
• 指令集完全开源、设计简单、易于移植Linux系统、采用模块化设计、拥有完整工具链
• 基本指令集共47条，可分为：整数运算指令、分支转移指令、加载/存储指令、控制与状态寄存器访问指令、系统调用指令

人工智能芯片

• 人工智能时代的基础设施
• 在数据中心部署的云端和在消费者终端部署的终端
• 任务：训练和推理
  • 训练需要极高的计算性能、较高的精度以及处理海量数据的能力
  • 推理对性能的要求并不高，对精度要求也更低，在特定的场景下，对通用性要求也低，能完成特定任务即可

多核处理器

• 在一枚处理器中集成多个完整的计算内核，由总线控制器提供所有总线控制信号和命令信号
• 需解决的问题：器件资源分配策略、任务调度策略、节能策略、软硬件协同设计策略等

二.ARM微处理器体系架构

ARM 的经营模式

• 出售其知识产权，将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和 OEM 厂商，并提供技术服务

ARM的版本：内核版本和处理器版本

• 内核版本：ARM架构

  • ARMv1, ARMv2, ARMv3 …ARMv8

• 处理器版本：ARM处理器

  • ARM1, ARM9, Cortex A …

ARM 是从 ARM7TDMI 开始的，在嵌入式系统领域得到广泛应用

ARM产品路线图

• 经典系列，包括 ARM7、ARM9、ARM11 系列
• Cortex-R 系列，提供非常高的性能和吞吐量
• Cortex-A 系列，面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用
• Cortex-M 系列，用于注重成本节约的微处理器
• 本书将以ARM Cortex-M4为主，介绍嵌入式的开发设计

ARM v7体系架构

• 支持Thumb-2技术：单指令多数据
• 在ARM的Thumb上发展的，保持了代码兼容性。
• 比纯32位代码少使用 31％的内存
• 比Thumb技术高出38％的性能
• ARMv7架构还采用了NEON技术
• 将DSP和媒体处理能力提高了近4倍
• 支持改良的浮点运算，满足3D图形、游戏以及传统嵌入式控制应用的需求
• ARMv7支持JIT(Just In Time)技术
• DAC(DynamicAdaptive Compilation)技术的使用

CORTEX-M4系统架构

• ARMv7ME哈佛架构，带分支预测的3级流水
• 低成本、小管脚数和低功耗，并具有极高的运算能力和极强的中断响应能力
• 采用纯Thumb-2指令，具有32位高性能，ARM内核达到16位代码存储密度
• 可配置1-240个中断源，中断延迟最大12个，最小6个时钟周期
• 1.25DMIPS/Mhz的性能和0.19mW/Mhz的功耗
• 可选配的调试和跟踪模块

CORTEX-M4微处理器架构

两种处理器模式：

• 线程(Thread)模式
• 处理(Handler)模式

软件的两种执行方式：

• 特权级
• 用户级（非特权级）

操作模式与执行特权方式的关系

特权级可以访问处理器的所有资源，用户级是受限

对于用户级线程模式

• 有限制地使用 MSR 和 MRS 指令，不能使用CPS指令禁止或使能中断
• 不能访问系统时钟、NVIC 或者系统控制模块。
• 可以受限制地访问内存或外设。
• 使用 SVC 指令通过系统调用，将控制转换到特权级。

CORTEX-M4内核流水线

• 三级流水：取指、译码、执行
• 32位系统，总线宽度32位，一次取一条32位的指令
• 若是16位的thumb指令，处理器每隔一个周期做一次取指
• 当执行调转指令，整个流水线会刷新，从目的地取指
• 分支预测，减少流水线气泡过大

可编程模式

• 处理器模式和软件执行的特权级别
• 核心寄存器
• 堆栈
• 异常中断所涉及到的寄存器
• 数据类型

CORTEX-M4寄存器

核心寄存器R0-R15

• 通用寄存器R0~R12：用于数据操作，thumb-2的32位指令可访问
• 低组寄存器R0~R7：thumb16位指令可访问
• 高组寄存器R8~R12
• 堆栈指针R13(SP)：指示系统的栈空间
• 主栈指针MSP
• 进程栈指针PSP
• 链接寄存器R14(LR)
• 程序计数器R15(PC)

特殊寄存器

程序状态寄存器PSR：只有在特权级下才可访问

• 应用状态寄存器APSR
• 中断状态寄存器IPSR
• 执行状态寄存器EPSR

三.中断机制

🔷绝大部分的处理器都支持中断机制

🔷中断由硬件电路产生，并改变 CPU 执行顺序

🔷类型

• 外部中断/硬件中断：外部硬件设备为获得CPU的执行而产生的异步事件
• 软件中断/陷阱：程序中特殊指令产生的同步事件
• 内部中断/异常：出现一些异常情况下，CPU自发生成的同步事件

Cortex-M4处理器的异常来源

CORETEX-M4处理器的系统异常方式

• Reset复位：异常模式复位
• NMI非屏蔽中断：除复位以外最高优先级的异常
• 硬件故障：异常处理错误或一种异常不能被其他异常机制管理
• 存储器管理故障：与内存保护相关的异常
• 总线故障：指令和数据内存处理相关的故障
• 用法故障：指令执行相关的故障
• SVC：SVC指令触发的异常
• PendSV：中断驱动的系统级服务请求
• SysTick：系统定时器递减到0产生
• Interrupt (ISQ)：外部中断,240个

中断优先级

• 较小的值表示较高的优先级
• 除复位、硬错误和NMI以外所有的异常或中断都可配置优先级
• NVIC支持优先级分组，可配置的优先级在0~15范围
  • 中断优先级寄存器项分为两个字段：上部字段和下部字段
  • 上部字段定义组优先级
  • 下部字段定义组中的子优先级
  • 组优先级确定中断异常的抢占

中断管理

中断前的准备工作：

​ ▪ 设置所需的中断优先级（可选）

​ ▪ 使能外设中可以触发中断产生

​ ▪ 使能NVIC中的中断

异常/中断处理过程

满足以下各条件，处理器会接收异常/中断请求：

• 处理器正在运行（未被暂停或复位状态）
• 异常/中断处理使能状态
• 异常/中断的优先级高于当前的等级
• 异常/中断未被屏蔽

进入异常/中断服务前需完成以下工作：

• 将多个寄存器和返回地址入栈
• 取出异常/中断向量（异常/中断对应的ISR入口地址）
• 取出将执行异常/中断处理的指令
• 更新多个NVIC寄存器和内核寄存器（包括PSP, LR, PC, SP, 内核状态信息）
• SP值自动调整，PC更新为异常/中断处理的入口地址，LR被特殊值EXC_RETURN更新

执行异常/中断服务：

• 进入特权级处理模式
• 执行中断服务子例程

异常/中断返回操作：

• 由特殊地址EXC_RETURN触发
• EXC_RETURN在进入中断时被存入LR
• EXC_RETURN写入PC时，触发异常/中断返回操作

四.嵌入式汇编语言

使用汇编程序编写代码的优点：
针对性强
程序执行效率高
设备驱动程序精简
占用资源少
汇编语言能够更好地理解高级语言

ARM 微处理器

• 传统 ARM 处理器支持 32 位和 16 位的 Thumb指令集
• Cortex-A 和 Cortex-R 系列处理器支持这两种运行状态
• ARM 的 Cortex-M 系列处理器采用了 Thumb-2 技术，且只支持 Thumb 运行状态，不支持 ARM 指令集

汇编程序的结构

• 由段组成，段是相对独立的指令或数据单位，具有特定的名称
• 每个段由AREA伪指令定义
• 段属性可定义为READONLY(只读)或READWRITE(读 写)
• 段可分为：
  • 代码段：执行代码
  • 数据段：存放运行所需的数据

CORTEX-M4汇编语言

与机器指令通常是一对一.

基本特点:

• 每行写一条指令.
• 标签提供地址的内容(通常从一行的第一列开始).
• 指令开始于后续列.
• 一条指令到一行的结束.
• 注释以分号开始，到一行的结束

汇编程序的结构

AREA HELLO, CODE, READONLY
ENTRY ; 伪指令标识程序的入口点
Start ; Start函数的入口地址
LDR R0, =0x1
MOV R1, #1
...
END ; 伪指令表示代码段结束

指令格式

▪Cortex-M4指令的助记符格式如下：

< opcode >，{< cond >}， {S}，< Rd >, < Rn >，{ < oprand2 > }

• <>为必选项，{}为可选项
• opcode：操作码，即指令助记符，如：ADD, LDR, STR等
• cond：条件码，描述指令执行的条件，如：EQ, LE等
• S：指令后加S，指令执行完成后自动更新状态寄存器的条件标志位
• Rd：目标寄存器
• Rn：第一个操作数寄存器
• operand2：第二个操作数，可以是寄存器、立即数等

例：LDR R0, [R1] ; 将存储器地址为R1的字数据加载到寄存器R0中

寻址方式

立即寻址

也叫做立即数寻址，立即数以#为前缀如：

MOV R0, #4           ;R0 ← 4
ADD R0, R0, #0x10    ;R0 ← R0+0x10

寄存器寻址

把寄存器中的数值作为操作数，也称为寄存器直接寻址如：

ADD R0, R1, R2 ; R0 ← R1+R2

寄存器偏移寻址

将第二个操作数，进行移位操作后赋值给第一个操作数如：

MOV R0, R1, LSL #2 ;R0 ← R1 << 2

寄存器间接寻址

把寄存器中的值作为操作数的地址，通过该地址从存储器取出操作数如：

LDRB R0, [R1] ; read byte value from [R1]
; extending to 32bits on load R0 
STRB R0, [R1] ;[R1] ← R0

基址变址寻址

将寄存器的值与地址偏移量相加得到地址

• 感叹号表示前增量寻址模式
• [R1], #2 表示后增量寻址模式

如：

LDR R0, [R1, #2] ;R0 ← [R1+2]
LDR R0, [R1, #2]! ;R0 ← [R1+2], R1 ← R1+2
LDR R0, [R1], #2 ;R0 ← [R1],R1 ← R1+2
LDR R0, [R1, R2] ;R0 ← [R1+R2]

数据处理指令

寄存器与寄存器之间，寄存器与特殊寄存器之间，把立即数加载到寄存器

算数运算指令

基本的算数运算指令包括：加法、减法运算，反向减法指令，有符号无符号加减法指令

乘法指令、乘加指令和除法指令

逻辑运算指令

移位指令

逻辑移位，算术移位，循环移位

比较与测试指令

更改条件标志位

位域操作指令

跳转指令

无条件跳转，函数跳转，条件跳转，IT-THEN指令块，查表跳转等

存储器访问指令

批量加载/存储数据指令

进栈出栈指令

汇编程序设计

例1：C语言赋值语句对应的汇编程序：x=a*b+c;

对应的汇编程序：

例2：C语言逻辑表达式对应的汇编程序：

𝑧 = 𝑎 ⊕ 𝑐 ||(𝑏&𝑐); 

对应的汇编程序：

ARM控制流

▪所有操作可通过测试PSR，有条件执行:

▪EQ, NE, CS, CC, MI, PL, VS, VC, HI, LS, GE, LT, GT, LE

▪分支操作:

条件码：

例3：C语言条件语句对应的汇编程序：

if (a==1) b=2;

对应的汇编程序：

例4：C语言经典条件语句对应的汇编程序

if (a>1) b=2; else b=b-a;

对应的汇编程序：

例5：C语言循环语句对应的汇编程序：

while(a!=b){
	if(a>b)
		a=a-b;
	else 
		b=b-a;		
}
gcd=a;

对应汇编：

五.流水线技术

• 通过多个功能部件并行工作来缩短指令的运行时间，提高系统的效率和吞吐率
• 指令执行以分解为多个阶段，各阶段使用硬件部件不同，这样指令执行就可重叠，实现指令并行
• 延迟：指一条指令从进入流水线到流出流水线所花费的时间
• 吞吐量：是指单位时间内执行的指令数
• 流水线技术增加了 CPU 的吞吐量，但并没有减少每条指令的延迟

三级流水线：包括取指、译码、执行三个阶段

实现逻辑最简单

五级流水线：取指、译码、执行、缓冲/数据、回写五个阶段，实现逻辑最经典

超流水线超过了通常的5到6级，实现逻辑最复杂.

CORTEX-M4的三级流水

• 取指阶段：
  • 取指用来计算下一个预取指令的地址，从指令存储空间取出指令，或者自动加载中断向量
  • 包含一个预取指缓冲区，避免流水线“断流”
• 译码阶段：
  • 译码对之前取指阶段送入的指令进行解码操作，分解出指令中的操作数和执行码
  • 再由操作数相应的寻址方式生成操作数的地址，产生寄存器值
• 执行阶段：
  • 用于执行指令，产生LSU的回写执行结果

影响流水线性能的因素

• 数据冲突
• 跳转指令
• 流水线深度

本章小结

• 冯·诺依曼结构和哈弗结构
• 复杂指令集和简单指令集
• Cortex-M4体系结构及汇编指令
• 流水线技术