5.嵌入式系统
对于嵌入式系统来说
首先有硬件 例如 处理器 计时器 中断控制器 输入输出设备 记忆 和接口
然后有软件 可以同时（concurrently）执行一系列任务或多个任务
还有实时操作系统RTOS （real-time operating system）RTOS决定着这个系统的工作方式
它超过了应用软件，小型的嵌入式系统不需要RTOS，它在应用程序执行期间设置规则
一个嵌入式系统的软件设计主要由以下三个限制（constraints）
可获得的系统记忆 可获得的处理速度 可控的能量散耗（dissipation）
不同的处理器
1.GPP（general purpose processor）通用处理器
微处理器 （microprocessor） 微控制器（microcontroller）嵌入式处理器（EP）
数码信号处理器（digital signal processor）
2.ASSP（application specific system processor）
3.multi-processor system
微控制器包含微处理器 微控制器如下图所示，剩下的多种通用处理器可以参考教材
peripheral是外围设备
EP的实例设备有ARM7 INTEL i960 AMD29050
ARM Processor ARM处理器
ARM Cortex-M3结构
用于指令和数据的不同总线–哈佛体系结构
ICode总线：从闪存ROM获取指令
DCode总线：从闪存ROM获取数据或调试信息
系统总线：从RAM或I/O端口读取/写入数据
ISA指令集结构对一个简单电脑
指令作为程序存储在RAM或ROM中
下一条指令的地址由程序计数器（PC）提供program counter
PC和相关控制逻辑是控制单元的一部分
典型的指令指定：
要使用的操作数
待执行的操作
将结果放置在何处，或下一步执行哪条指令
（program status register）程序状态寄存器（PSR）包含有关指令结果的信息，例如，结果是否为零
执行一个指令的步骤
（effective address register）有效地址寄存器（EAR）：包含用于获取当前指令所需数据的内存地址
RISC（精简指令集计算）和CISC（复杂指令集计算）比较
RICS
指令不能读取和写入内存中的
同一总线周期
? 只有加载和存储（store）指令才能访问内存（memory）
? 小型指令集
? 固定尺寸指令
? 极少数寻址模式
? 许多相同的通用寄存器
CISC
长度可变的复杂指令
? 大指令集
? 多种寻址方式(addressing mode）
? 许多指令可以访问内存
? 指令可以在同一总线周期中读取和写入内存
? 越来越多的专用寄存器（仅数据或仅地址）
易于流水线 easy topipeline
ISA例子
RISC
ARM??
Sun SPARC??
MIPS RX000（使用32位微控制器）
IBM PowerPC（过去在Macintosh中使用）
?Microchip PIC16（通常八位微控制器）
CISC
英特尔（Intel)x86和奔腾（Pentium）系列
Motorola 68000(用于原始Macintosh)
DEC VAX
微处理器
SHARC是来自模拟设备的数字信号处理器（digital signal processor）（DSP）的一个例子。这是一个专门的设备，可以非常快速地为DSP进行计算
流水线可以增加吞吐量，但不会减少总吞吐量任务的计算时间
?每200ps就有一个答案，但是
?一次计算仍然需要1ns
?限制：
?计算必须可分为阶段大小
?管道寄存器增加了开销
（了解内容）
为什么使用ARM
世界上许可证最多、使用最广泛的处理器内核之一
核心用于不同类型的嵌入式系统
用于PDA、手机、多媒体播放器、手持游戏机、数字电视和照相机
ARM7:GBA，iPod，2000年左右的手机
ARM9:NDS、PSP、索尼爱立信、明基
ARM11：苹果iPhone、诺基亚N93、N800
75%的32位嵌入式处理器
Cortex-M3使用三级管道进行
指令执行
? 获取=>解码=>执行
? 管道设计允许有效的吞吐量
增加到每个时钟周期一条指令
? 允许在静止时提取下一条指令
解码或执行上一条指令
不同ARM版本
ARM体系结构已扩展到几个版本。
?ARM7TDMI
?ARM9-包括“Thumb”指令集
?ARM10-用于多媒体（图形、视频等）
?ARM11-高性能+Jazelle（Java）
?SecureCore-用于安全应用程序（智能卡片）
?Cortex-M-为微控制器优化
?Cortex-A-高性能（多媒体系统）
?Cortex-R-针对实时应用程序的
?StrongARM-便携式
通信设备
Cortex-M系列
Cortex-M家族有几个成员：
?Cortex-M0–最小，仅56条指令
?Cortex-M0+–功能更强，但MCU的成本低于40
?Cortex-M3–原始版本，用于我们的mbed平台
?Cortex-M4–更强大的数字信号处理功能；也许包括浮点（M4F）
?Cortex-M7–功能更强大新设计更简单，耗电更少。粗略比较：
?ARM7TDMI大约有45k个门，每兆赫使用1兆瓦时钟速度
?Cortex-M0+至少需要12k门，最多需要3个微瓦每兆赫的时钟速度（部分原因是较少的门和现代设计，但主要是更小的晶体管）
5.嵌入式系统
对于嵌入式系统来说
首先有硬件 例如 处理器 计时器 中断控制器 输入输出设备 记忆 和接口
然后有软件 可以同时（concurrently）执行一系列任务或多个任务
还有实时操作系统RTOS （real-time operating system）RTOS决定着这个系统的工作方式
它超过了应用软件，小型的嵌入式系统不需要RTOS，它在应用程序执行期间设置规则
一个嵌入式系统的软件设计主要由以下三个限制（constraints）
可获得的系统记忆 可获得的处理速度 可控的能量散耗（dissipation）
不同的处理器
1.GPP（general purpose processor）通用处理器
微处理器 （microprocessor） 微控制器（microcontroller）嵌入式处理器（EP）
数码信号处理器（digital signal processor）
2.ASSP（application specific system processor）
3.multi-processor system
微控制器包含微处理器 微控制器如下图所示，剩下的多种通用处理器可以参考教材
peripheral是外围设备
EP的实例设备有ARM7 INTEL i960 AMD29050
ARM Processor ARM处理器
ARM Cortex-M3结构
用于指令和数据的不同总线–哈佛体系结构
ICode总线：从闪存ROM获取指令
DCode总线：从闪存ROM获取数据或调试信息
系统总线：从RAM或I/O端口读取/写入数据
ISA指令集结构对一个简单电脑
指令作为程序存储在RAM或ROM中
下一条指令的地址由程序计数器（PC）提供program counter
PC和相关控制逻辑是控制单元的一部分
典型的指令指定：
要使用的操作数
待执行的操作
将结果放置在何处，或下一步执行哪条指令
（program status register）程序状态寄存器（PSR）包含有关指令结果的信息，例如，结果是否为零
执行一个指令的步骤
（effective address register）有效地址寄存器（EAR）：包含用于获取当前指令所需数据的内存地址
RISC（精简指令集计算）和CISC（复杂指令集计算）比较
RICS
指令不能读取和写入内存中的
同一总线周期
? 只有加载和存储（store）指令才能访问内存（memory）
? 小型指令集
? 固定尺寸指令
? 极少数寻址模式
? 许多相同的通用寄存器
CISC
长度可变的复杂指令
? 大指令集
? 多种寻址方式(addressing mode）
? 许多指令可以访问内存
? 指令可以在同一总线周期中读取和写入内存
? 越来越多的专用寄存器（仅数据或仅地址）
易于流水线 easy topipeline
ISA例子
RISC
ARM??
Sun SPARC??
MIPS RX000（使用32位微控制器）
IBM PowerPC（过去在Macintosh中使用）
?Microchip PIC16（通常八位微控制器）
CISC
英特尔（Intel)x86和奔腾（Pentium）系列
Motorola 68000(用于原始Macintosh)
DEC VAX
微处理器
SHARC是来自模拟设备的数字信号处理器（digital signal processor）（DSP）的一个例子。这是一个专门的设备，可以非常快速地为DSP进行计算
流水线可以增加吞吐量，但不会减少总吞吐量任务的计算时间
?每200ps就有一个答案，但是
?一次计算仍然需要1ns
?限制：
?计算必须可分为阶段大小
?管道寄存器增加了开销
（了解内容）
为什么使用ARM
世界上许可证最多、使用最广泛的处理器内核之一
核心用于不同类型的嵌入式系统
用于PDA、手机、多媒体播放器、手持游戏机、数字电视和照相机
ARM7:GBA，iPod，2000年左右的手机
ARM9:NDS、PSP、索尼爱立信、明基
ARM11：苹果iPhone、诺基亚N93、N800
75%的32位嵌入式处理器
Cortex-M3使用三级管道进行
指令执行
? 获取=>解码=>执行
? 管道设计允许有效的吞吐量
增加到每个时钟周期一条指令
? 允许在静止时提取下一条指令
解码或执行上一条指令
不同ARM版本
ARM体系结构已扩展到几个版本。
?ARM7TDMI
?ARM9-包括“Thumb”指令集
?ARM10-用于多媒体（图形、视频等）
?ARM11-高性能+Jazelle（Java）
?SecureCore-用于安全应用程序（智能卡片）
?Cortex-M-为微控制器优化
?Cortex-A-高性能（多媒体系统）
?Cortex-R-针对实时应用程序的
?StrongARM-便携式
通信设备
Cortex-M系列
Cortex-M家族有几个成员：
?Cortex-M0–最小，仅56条指令
?Cortex-M0+–功能更强，但MCU的成本低于40
?Cortex-M3–原始版本，用于我们的mbed平台
?Cortex-M4–更强大的数字信号处理功能；也许包括浮点（M4F）
?Cortex-M7–功能更强大新设计更简单，耗电更少。粗略比较：
?ARM7TDMI大约有45k个门，每兆赫使用1兆瓦时钟速度
?Cortex-M0+至少需要12k门，最多需要3个微瓦每兆赫的时钟速度（部分原因是较少的门和现代设计，但主要是更小的晶体管）