嵌入式技術(shù)與ARMCPU

1、嵌入式技術(shù)和ARM處理器 Embedded Technology And ARM CPU冉冉 全全 嵌入式系統(tǒng)的概念 IEEE對嵌入式系統(tǒng)的定義： Embedded system is a kind of device used to control, monitor or assist the operation of equipment, machinery or plant. “控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置” 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心和以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)的，并且軟硬件是可裁減的，能滿足應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等指標(biāo)的嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。 嵌入式簡單的

2、講就是把微處理器嵌入各種電子設(shè)備內(nèi)部，實現(xiàn)設(shè)備的智能化。goReader Internet eBookSamsung AnyWebInternet Screen PhoneeRemoteIntelligent Home ControllerTektronix TDS7000 Digital OscilloscopesNixvue Digital AlbumDigital Photo Album 一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例嵌入式技術(shù)：開發(fā)嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分如人的大腦，決定了硬件的操作模式。通過良好的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，把硬件功能發(fā)

3、揮到極至。如人的手、腳、神經(jīng)等部位，決定了嵌入式系統(tǒng)的先天功能。如運算能力和I/O接口等。嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式微處理器 總線 存儲器 輸入/輸出接口和設(shè)備 嵌入式微處理器指令系統(tǒng)CISCCISC：復(fù)雜指令集（：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式，指令長度可變具有大量的指令和尋址方式，指令長度可變8/28/2原則：原則：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC

4、RISC：精簡指令集（：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令長度固定只包含最有用的指令，指令長度固定確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使使CPUCPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器算邏單元輸入輸出中央處理器存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器算邏單元輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)總

5、線 嵌入式系統(tǒng)的總線一般集成在嵌入式微處理器中。 從微處理器的角度來看，總線可分為片外總線和片內(nèi)總線。 選擇總線和選擇嵌入式微處理器密切相關(guān)，總線的種類隨不同的微處理器的結(jié)構(gòu)而不同。存儲器嵌入式系統(tǒng)的存儲器包括cache、主存和外存。大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)都存儲在處理器可直接訪問的存儲空間即主存中。系統(tǒng)上電后在主存中的代碼直接運行。外存是處理器不能直接訪問的存儲器，用來存放各種信息。存儲器分層結(jié)構(gòu)寄存器高速緩存SRAM主存儲器SDRAM本地存儲器 Flash、ROM、磁盤網(wǎng)絡(luò)存儲器 Flash、ROM、磁盤時鐘周期01101010020,000,000嵌入式微處理器的分類嵌入式微處理器種

6、類繁多，按位數(shù)可分為4位、8位、16位、32位和64位。按用途來分，嵌入式微處理器可分為嵌入式DSP和通用的嵌入式微處理器兩種： 嵌入式DSP：專用于數(shù)字信號處理，采用哈佛結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)分開存儲，采用一系列措施保證數(shù)字信號的處理速度。 通用的嵌入式微處理器：一般是集成了通用微處理器的核、總線、外圍接口和設(shè)備的SOC芯片，有些還將DSP作為協(xié)處理器集成。 嵌入式微處理器的性能低端（低價，低性能） 一般低端嵌入式微處理器的性能最多達到50MIPS，應(yīng)用在對性能要求不高但對價格和功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用系統(tǒng)中。 中檔，低功耗 中檔的嵌入式微處理器可達到較好的性能（如150MIPS以上），采用增加時鐘頻

7、率、加深流水深度、增加Cache及一些額外的功能塊來提高性能，并保持低功耗。 高端 高端嵌入式微處理器用于高強度計算的應(yīng)用，使用不同的方法來達到更高的并行度. X86系列(CISC)Motolora系列ARM系列MIPS系列SH/HP-RISC等系列X86系列起源于Intel架構(gòu)的8080，發(fā)展出286、386、486，直至現(xiàn)在的P4、Athlon和AMD的64位處理器。今天的Pentium和當(dāng)初的8080使用相同的指令集。保持兼容性，但限制了CPU性能的提高。例：486DX；Geode SP1SC10；STPC。386EX和80188/186系列目前國內(nèi)在工業(yè)控制、通信領(lǐng)域的應(yīng)用很廣。 Mo

8、torola系列處理器 Motorola公司是世界著名的處理器制造商，其CPU抗干擾能力強，適合工業(yè)控制/軍方應(yīng)用，MC68000微處理器占有美國軍方市場的70%，由此可見其產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性之高。另外QUICC系列通信處理器功能強大，在通信產(chǎn)品中獲得廣泛應(yīng)用。MIPS Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 一種處理器內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)，由MIPS技術(shù)公司開發(fā)。 MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計制造高性能、高檔次的嵌入式32位、64位處理器的廠商。機頂盒設(shè)備、視頻游戲機、Cisco路由器、激光打印機。 ARM系列微處理器 ARM（Advanc

9、ed RISC Machines）是一個CPU內(nèi)核。ARM公司自己并不生產(chǎn)或銷售芯片，它采用技術(shù)授權(quán)模式，通過出售芯片技術(shù)授權(quán)，收取授權(quán)費與技術(shù)轉(zhuǎn)讓費。 RISC：Reduced Instruction Set Computer ARM 公司作為16/32位處理器內(nèi)核的提供者，擁有100多家半導(dǎo)體合作伙伴，ARM core是目前消費類電子市場中市場占有量第一的CPU體系。 隨著ARM/MIPS/ARC等成熟內(nèi)核的推出，很多過去沒有32位CPU研發(fā)能力的半導(dǎo)體公司進入這一行列。 ARM公司以知識產(chǎn)權(quán)核為主營業(yè)務(wù) IP核以三種形式存在。硬核軟核固核 ARM公司研發(fā)的處理器核以上面的三種形式銷售AR

10、M公司大學(xué)/研究所/企業(yè)IC制造商OEM生產(chǎn)商圖例：服務(wù)付款技術(shù)支持ARM公司的IP銷售與服務(wù) ARM發(fā)展簡史 1978年，ARM前身Acorn成立。1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機有限公司誕生，由美國加州San Jose VLSI技術(shù)公司制造。 20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺式機產(chǎn)品，形成英國的計算機教育基礎(chǔ)。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（簡稱ARM公司）。 20世紀(jì)90年代至今，ARM 32位嵌入式RISC處理器擴展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位

11、。 如今成了移動計算的領(lǐng)導(dǎo)者，并把觸角伸向上網(wǎng)本等傳統(tǒng)計算機領(lǐng)域。 ARM處理器系列產(chǎn)品概況ARM處理器當(dāng)前有6個產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。ARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4個通用處理器系列，每個系列提供一套特定的性能來滿足設(shè)計者對功耗、性能和體積的需求。SecurCore是第5個產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計的。來自于合作伙伴的產(chǎn)品例如：早期Intel ，現(xiàn)在的三星，TI，高通，華為等ARM Cortex基本介紹ARM Cortex系列以哈佛式RISC架構(gòu)為基礎(chǔ)，采用適度的硅封裝工藝獲得更高性能，以及代碼和內(nèi)存效率。

12、該架構(gòu)在過去十年間大有進展，擴展出了三種不同的子系列，以滿足特定應(yīng)用的需求： A型系列處理器針對高效能開放應(yīng)用平臺而優(yōu)化設(shè)計。 R型系列處理器注重提升實時應(yīng)用的性能和可靠度。 M型系列處理器特別為采用嵌入式MCU的應(yīng)用而設(shè)計，其性能必須在能源效率和降低解決方案成本之間加以平衡。適用于Cortex M系列的常見應(yīng)用包括智能電表、人機接口設(shè)備、汽車與工業(yè)控制系統(tǒng)、白色家電、消費電子產(chǎn)品和醫(yī)療器材等。ARM Cortex-A 系列處理器ARM Cortex-A 系列應(yīng)用處理器產(chǎn)品線橫跨了好幾代: Cortex-A8ARM 在 2005 年向市場推出 Cortex-A8 處理器，是第一款支持 ARMv

13、7-a 架構(gòu)的處理器。Cortex-A8 是 ARM 實現(xiàn)的第一個基于新ISA(指令集架構(gòu))的超標(biāo)量處理器：它實現(xiàn)了完全雙發(fā)射流水線，這意味著 Cortex-A8 能夠同時發(fā)出在指令流中先后出現(xiàn)的任何兩個沒有數(shù)據(jù)依賴的指令。但是，它不能亂序來發(fā)射或撤銷指令 該功能在之后的設(shè)計中才被實現(xiàn)。當(dāng)推出 Cortex-A8 時，很多人認(rèn)為這款處理器放在移動電話上是大材小用，他們很自然地質(zhì)疑道，“客戶會在手機上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)？不太可能吧?！碑?dāng) Cortex-A8 在 2008 年投入批量生產(chǎn)時，高帶寬無線連接 （3G ） 已經(jīng)問世，大屏幕也用于移動設(shè)備。創(chuàng)新的移動行業(yè)充分利用了該產(chǎn)品。Cortex-A8 芯片

14、的推出正好趕上了智能手機出貨量猛增的大好時機。 Cortex-A9推出 Cortex-A8 之后不久，ARM 又推出了首款多核 ARMv7 CPU：Cortex-a9。Cortex-A9 利用硬件模塊來管理 CPU 集群中一至四個核心之間的高速緩存一致性，加入了一個外部二級高速緩存。在2011 年底和 2012 年初，當(dāng)移動 SoC 設(shè)計人員可以采用多個核心之后，提高性能的突破點從提高單核性能轉(zhuǎn)移到提高核的數(shù)量。旗艦級高端移動 CPU迅速從最初的雙核拓撲結(jié)構(gòu)移至四核 Cortex-A9。除了開啟了多核性能大門之外，與 Cortex-A8 相比，每個 Cortex-A9 處理器的單時鐘周期指令吞

15、吐量提高了大約 25%。這個性能的提升是在保持相似功耗和芯片面積的前提下， 通過縮短流水線并亂序執(zhí)行以及在流水線早期階段集成neon SIMD 和浮點功能而實現(xiàn)的。 Cortex-A15隨著智能手機市場開始加速發(fā)展，ARM 再次預(yù)見到了不斷發(fā)展的移動系統(tǒng)對芯片性能提出的更高要求。為此ARM開發(fā)了一款性能上大幅提升的處理器，用以專門針對新的高端移動市場。在已經(jīng)非常強大的 Cortex-A9 的基礎(chǔ)上，ARM 憑借 Cortex-a15 又將性能提高了 50% 以上。此外，Cortex-A15 引入了一系列架構(gòu)擴展，從而實現(xiàn)了更大物理地址空間、硬件虛擬化支持和擴展一致性。Cortex-A15 集群

16、集成了監(jiān)聽控制單元 （SCU） 以實現(xiàn)硬件一致性，每個集群包含一至四個 CPU 核心，并集成二級高速緩存控制器 。 Cortex-A15 之后的所有 ARM Cortex-A 系列 CPU 都沿用了這種拓撲結(jié)構(gòu)。 一致性擴展機制， 使所謂的big.little的 SoC成為可能。在 big.LITTLE 系統(tǒng)中，通常實現(xiàn)一個“大”CPU 集群，并對其進行調(diào)節(jié)以滿足高性能的要求，同時對“小”的 CPU 集群進行調(diào)節(jié)，滿足對高能效的需要。 在典型工作負載中，LITTLE 處理器可以處理絕大部分工作，而“big”CPU 集群的激活時間不足 10%，在很多情況下還達不到總 CPU 運行時間的 1%。通

17、過 CoreLink 高速緩存一致性互連組件，CPU 集群能夠監(jiān)聽其他集群的高速緩存，從而實現(xiàn)軟件線程從一個集群到另一集群的快速轉(zhuǎn)移。 Cortex-A12隨著智能手機市場的爆炸式增長，SoC 供應(yīng)商和 OEM 將該市場劃分為旗艦高端級別、中端級別、低成本入門級別。隨著這些細分市場的出現(xiàn)，ARM 開始定義專門針對上述三個級別市場的不同處理器。Cortex-A12 是采用全新微架構(gòu)的一個全新處理器，專門面向快速發(fā)展的中端移動市場，以滿足這一細分市場對于芯片面積和功耗的要求。它使用無序雙執(zhí)行流水線，其性能比許多中端移動 SoC 中使用的 Cortex-A9 高出 40%。Cortex-A12 在

18、2013 年中推向市場，它是一款 32 位處理器，具有與 Cortex-A15 相同的物理地址擴展和相關(guān)的架構(gòu)特性。Cortex-A12 能夠在很多（但并非全部）用例中提供接近 Cortex-A15 的性能。Cortex-A12 還針對中端移動設(shè)計進行了優(yōu)化，取消了一些企業(yè)功能，使用略微簡單的流水線，因此在橫跨多個市場的高端設(shè)備上可以找到Cortex-A15的身影，而 Cortex-A12 則專門面向中端移動設(shè)計。 Cortex-A57Cortex-A57 是 ARM 針對 2013 年、2014 年和 2015 年設(shè)計起點的 CPU 產(chǎn)品系列的旗艦級 CPU，它采用 ARMv8-A 架構(gòu)，提

19、供 64 位功能，而且通過 Aarch32 執(zhí)行狀態(tài)，保持與 ARMv7 架構(gòu)的完全后向兼容性。在高于 4GB 的內(nèi)存廣泛使用之前，64 位并不是移動系統(tǒng)真正必需的，即便到那時也可以使用擴展物理尋址技術(shù)來解決，但盡早推出 64 位，可以實現(xiàn)更長、更順暢的軟件遷移，讓高性能應(yīng)用程序能夠充分利用更大虛擬地址范圍來運行應(yīng)用程序，例如視頻編輯、照片編輯和增強現(xiàn)實。新架構(gòu)可以運行 64 位操作系統(tǒng)，并在操作系統(tǒng)上無縫混合運行 32 位和 64 位應(yīng)用程序。ARMv8 架構(gòu)可以實現(xiàn)狀態(tài)之間的輕松轉(zhuǎn)換。除了 ARMv8 的架構(gòu)優(yōu)勢之外，Cortex-A57 還提高了單個時鐘周期性能，比高性能 的Cortex

20、-A15 CPU 還高出了 20% 至 40%。它還改進了二級高速緩存的的設(shè)計以及內(nèi)存系統(tǒng)的其他組件，極大的提高了能效。Cortex-A57 為移動系統(tǒng)提供前所未有的高能效性能水平，而借助 big.LITTLE，SoC 能以很低的平均功耗做到這一點。 高效率產(chǎn)品線：高效率產(chǎn)品線：Cortex-A5、Cortex-A7、Cortex-A53隨著智能手機市場的崛起，最先出現(xiàn)的市場是入門級市場。在 Cortex-A9 發(fā)布之后不久，ARM 試圖開發(fā)一款處理器來滿足這一市場需求，這款產(chǎn)品的尺寸和功耗與舊款 ARM926 等功能性手機處理器大致相同，但性能高于在第一代智能手機中使用的 ARM11 系列。

21、2009 年，ARM發(fā)布了 Cortex-A5，該設(shè)計通過有序單執(zhí)行 8 級流水線實現(xiàn)了上述目標(biāo)。這種簡單流水線設(shè)計，可將功耗保持在非常低的水平。而簡化的功能集，造就了ARM 有史以來最高效的（指每 mW 性能）處理器。在 Cortex-A5 取得成功的基礎(chǔ)上ARM又設(shè)計了目前已在入門級智能手機中得到大量應(yīng)用Cortex-A7 處理器，形成了一個充滿活力的智能手機處理器細分市場。Cortex-A7 通過添加部分雙執(zhí)行，增加TLB 和內(nèi)存結(jié)構(gòu)，同時集成二級高速緩存，將單時鐘周期性能提高了 20%。高能效 CPU 產(chǎn)品線的最新成員Cortex-A53利用了相同的 8 級有序流水線，但通過多種方式顯著提升了性能，包括完全雙執(zhí)行流水線、更寬的內(nèi)部總線、增強浮點和 SIMD 吞吐容量、更大的TLB，以及其他對存儲器系統(tǒng)的