浙江大学高级嵌入式体系结构课件8 Pipeline I

晶体管密度：由于芯片上单位面积晶体管数目由 单个晶体管表面积大小决定，所以晶体管密度 与特征尺寸大小的平方成反比
与晶体管性能改进相比，连线延迟改进空间更大
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1.5 集成电路功耗的发展趋势
器件升级会对功耗产生影响 动态功率：主要能耗来自开关晶体管 动态功率计算：与电容电压频率有关
移动设备关注电池寿命，用能量单位度量：
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1.3 计算机系统结构定义
2）存储器寻址 使用字节形式访问存储器中的操作数
3）寻址方式 寻址方式需要明确指出操作数的地址（特殊寄存器和 常量除外），有多种方式寻址，如寄存器寻址、立即数 寻址、相对寻址和变址寻址等
4） 操作数类型及大小 操作数大小有8位（ASCII码）、16位（unicode码或 半字）、32位（整型或字）和64位（长整型或双字）
带宽的提高速度明显优于时延的提高速度（P10 图1.8），带宽有了1000-2000倍的提高，时 延则改进20-40倍，经验法则是带宽的提高速 度至少相当于时延改进速度的平方

1.4 实现技术的发展趋势
晶体管性能与连线的规模
特征尺寸：表征集成电路的加工工艺，是晶体管 或连线在x或y方向上的最小尺寸，从1971年 到2006年，特征尺寸从10微米降到0.09微米
由于电容不变，电压的平方和频率之比为：
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1.4 实现技术的发展趋势
4）网络实现技术 交换和传输的性能决定了网络的性能，网络的发展趋势 参考附录E
以上四种技术的快速发展，可使计算机设计 的生存周期延长至5年或更长
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1.4 实现技术的发展趋势
性能的发展趋势：带宽优于时延
带宽或吞吐量：给定的时间内完成的工作总量 时延或响应时间：从事件开始到完成所需要的时间

ARM处理器结构和选型
RISC体系结构 ARM微处理器的寄存器结构 ARM微处理器的指令结构 ARM微处理器的选型
RISC体系结构
RISC：Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机的缩写，与CISC对应。占 20%的精简指令在程序中占80%，占80%的复 杂指令在程序中占20%。
uCos-II
uCos-II是一个典型的实时操作系统，目前流 行的是第二个版本，即uCos-II。该操作系统 短小精悍，是研究和学习实时操作系统的首 选。
特点：结构简单，源代码公开、代码结构清 晰、注释详细、组织有条理、可移植性好、 可裁减和可固化等，非常容易学习，非免费。
嵌入式操作系统的选择
RISC结构优先选取使用频率最高的简单指令， 避免复杂指令；将指令长度固定，减少指令格 式和寻址方式（2~3种）的种类；使用单周期 指令，便于流水线操作执行；数据处理只对寄 存器操作，只有加载/存储指令可以访问存储 器；采用特别的技术以降低功耗。
ARM微处理器的寄存器结构
共37个寄存RM处理器的处理能力。
芯片内存储器的容量，一般都不大，需外扩存 储器。
片内外围电路的选择和扩展。不同的ARM根 据不同的应用领域，内部集成了部分功能模块， 称之为片内外围电路。可简化系统设计，提高 系统的可靠性。
典型的嵌入式操作系统
Linux、WinCE、VxWorks、 Uclinux-II、Palm OS、 QNX、LynxOS、OS-9、 Windows XP Embedded、eCos、 NucleusPLUS等。
支持两种指令结构：ARM指令集（32位指令） 和Thumb指令集（16位指令）。
Thumb指令集位ARM指令集的功能子集，但 与等价的ARM代码相比较，可节省30%~40% 的空间，同时具备32位代码的优点。

二 . 实现技术的三大发展趋势

IC逻辑技术
–晶体管密度 /3年 50% /年 约 4倍

半导体DRAM
–密度 约 4倍/3年 –访问周期 60% 1/3 /年
离散性
每 10年 50% /年

磁盘技术
–密度 约 4倍/3年 –访问周期
设计时应采用机器投放市场时的技术, 成本下降速度 == 密度提高速度 这样的产品才会有价格性能优势
四.局部性原理
90/10局部性规则
代码的局部性特征更明显
90%的运行时间是花费在执行10%的指令上
时间局部性
若某一数据被引用,则不久以后它可能被再次引用
空间局部性
若某一数据被引用,则它附近的数据不久也将被引用
1.5 性能测量与分析报告
一.常用性能指标
MIPS----百万条指令数
程序执行所用的CPU时钟周期数
程序动态执行的指令总条数
由此可得公式的另一种表示方式: CPUtime = IC * CPI * CC (2)
= IC * CPI / CR
CPUtime 计算公式的意义:
1. CPU性能依赖于三个参量: IC, CPI, CC;
2. 说明改进CPU性能的三种途径.
尽管同时缩小三个参数是不可能的,而且改变其
二.Amdahl定律
提高部件性能后计算机的整机性能 Speedup = 原计算机的整机性能
整个任务在原计算机上的执行时间 = 整个任务在部件性能改进后的计算机上的执行时间
Told = Tnew
(1)
[例] 春游
翻山步行 浙大本部 1小时 灵隐 20公里 经少年宫 浙大本部
速度 交通工具 (km/h) 4 步行 10 自行车

Why线程？
【案例】编写一个MP3播放软件。核心功能 模块有三个：（1）从MP3音频文件当中读取 数据；（2）对数据进行解压缩；（3）把解 压缩后的音频数据播放出来。
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单进程的实现方法
main( )
{
while(TRUE）
{
I/O
Read( );
CPU
Decompress( );
Play( );
程序2 main( ) {
while(TRUE） {
Decompress( ); } } Decompress( ) { … }
程序3 main( ) {
while(TRUE） {
Play( ); } } Play( ) { … }
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单体结构
最常用的组织结构；
整个系统只有一个可 执行文件，包含所有 的操作系统组件；
系统的结构就是无结 构，由一组函数组成 ，相互之间可以随意 地调用。
应用软件
单体内核
文件I /O 存储管理 进程管理 I/O驱动 存储驱动 中断驱动
硬件
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分层结构
在分层结构（layered）中 ，一个操作系统被划分为 若干个层次（0..N），各 个层次之间的调用关系是 单向的，即某一层次上的 代码只能调用比它低层的 代码。
}
}
Read( ) { … }
Decompress( ) { … }
Play( ) { … }
问题： • 播放出来的声音能 否连贯？ • 各个函数之间不是 并发执行，影响资 源的使用效率；
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多进程的实现方法
程序1 main( ) {
while(TRUE） {
Read( ); } } Read( ) { … }

[MEM] (Rd)
运算类指令只能对寄存器中 的数据或立即数进行直接操
作
将指定地址的存储单元或I/O 端口的值读入寄存器Rd
(Rs)[MEM]
将寄存器Rs的值写入指定地址 的存储单元或I/O端口
(Rs)(Rd)
Lable(PC) If X为真/假，则 Lable (PC)
Sub-Lable(PC)
调用子程序
STR
寄存器访问 MOV
无条件跳转 JMP
跳转类
条件跳转 过程调用
JX/JNX CALL
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd
2021-12-21
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RISC的特点及设计思想
RISC机的设计应当遵循以下五个原则：
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计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。
著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC 而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。
Rs, Rd
[MEM], Rd
Rs, [MEM]
Rs, Rd Imm, Rd
Lable
Lable
Sub-L(Rs2)Rd (Rs)+ImmRd
(Rs1)-(Rs2)Rd (Rs)-ImmRd
(Rs1)˄(Rs2)Rd (Rs)˄ImmRd

每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器，称为 SPSR（Saved Program Status Register，备份的程序状态寄 存器），当异常发生时，SPSR用于保存CPSR的当前值，从异常 退出时则可由SPSR来恢复CPSR。 由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有SPSR，当 在这两种模式下访问SPSR，结果是未知的。


CPSR

CPSR（当前程序状态寄存器）在所有的模式 下都是可以读写的，它主要包含：

条件标志


中断使能标志
当前处理器的模式 其它的一些状态和控制标志
ARM微处理器：程序状态寄存器
条件标志 中断标志
ARM/Thumb 控制标志
Overflow Carry Zero Negative
IRQ中断的响应: 置1：禁止响应 置0：允许响应 FIQ中断的响应: 置1：禁止响应 置0：允许响应


所有模式下，R0-R7所对应的物理寄存器都是相 同的
这八个寄存器是真正意义上的通用寄存器，ARM 体系结构中对它们没有作任何特殊的假设，它 们的功能都是等同的。 在中断或者异常处理程序中一般都需要对这几 个寄存器进行保存。

分组寄存器R8～R14

访问的物理寄存器取决于当前的处理器模式，若要访问特 定的物理寄存器而不依赖当前的处理器模式，则要使用规 定的名字。


程序计数器PC(R15)



用作程序计数器(PC)，可以被读写 ARM state: bits [1:0]为0，bits[31:3]即为 PC. THUMB state：bit [0]为0，bits[31:1]即为 PC
3.ARM状态下的状态寄存器R16

Linux驱动程序的加载方式
驱动程序直接编译入内核
驱动程序在内核启动时就已经在内存中 可以保留专用存储器空间
驱动程序以模块形式存储在文件系 统里，需要时动态载入内核
驱动程序按需加载，不用时节省内存 驱动程序相对独立于内核，升级灵活
Linux驱动程序模块加载
Linux驱动程序开发的任务
应用程序通过dev文件节点访问驱动 程序
应用程序通过proc文件节点可以查 询设备驱动的信息
驱动程序位置
驱动程序位于drivers目录下 通常驱动程序占kernel代码的50% Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，
源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。 在Linux内核的不断升级过程中，驱动程序的结构还是相对
“自底向上”地实现BSP中的初始化操作 “自顶向下”地设计硬件相关的驱动程序
BSP设计方法的不足与改进
目前BSP的设计与实现主要是针对某些特定的 文件进行修改
直接修改相关文件容易造成代码的不一致性， 增加软件设计上的隐形错误，从而增加系统调 试和代码维护的难度
解决这个问题的一个可行办法是：设计实现一 种具有图形界面的BSP开发设计向导，由该向 导指导设计者逐步完成BSP的设计和开发，并 最终由向导生成相应的BSP文件，而不再由设 计人员直接对源文件进行修改。
Linux驱动程序的开发环境
本机编译调试
开发环境配置简单 无需网络环境 适用于配置较高的x86机器
主机+目标机
主机可以自由选择Linux或Windows+Cygwin 主机和目标机通过网络共享文件系统 内核崩溃不会影响主机
Linux驱动程序的开发环境（续）
主机+目标机环境包括 主机运行的工具链∶cross gcc + glibc + gdb， 如果是windows主机还要有cygwin仿真环境 主机运行远程服务，常用的有tftp用来传送内 核映像、initrd，NFS用来共享文件系统 目标机运行ssh或telnet等远程登陆服务，用来 调试驱动程序

GPRMC
• <消息 ID>,<UTC 时间>,<数据有效性状态>,<纬 度>,<南北指示示>,<经度>,<东⻄西指示示>,<运动速度 >,<运动方方向>,<UTC 日日期>,<磁场变动>,<数据模 式>,<校验和><行行尾> • $GPRMC,004319.00,A,3016.98468,N, 12006.39211,E,0.047,,130909,,,D*79
GPRS接口口
• ⻄西⻔门子子MC52i • 内置TCP/IP协议栈 • GPRS上的socket通信是一一种代理方方式 • tcp的链路保持是由GSM信令实现而而非非socket层 • AT指令接口口
AT指令
• DTE向DCE主动发送指令 • 指令以AT开头 • AT+CSMS=1 • DCE回答结果，并以OK或ERROR结束 • 所有的通信都是文文本的，以0D0A结束
定时器
• 硬件上通常具有多个定时器 • 程序逻辑上需要定时器用用于： • 等待一一定时间后再做某事 • 某个等待（如串口口的回答）不能超时 • 一一定时间后需要做某事（不等待）
EE vs CS
• EE习惯为每一一个定时需要开启一一个硬件定时器 • 定时器时间到了产生生中断，中断响应程序去做事， 或设标志，在主程序中读到标志做事 • CS习惯用用一一个硬件定时器产生生时间，在每个时间 节拍判断有什么挂着要做的事情的时间到了 • 因为1970年代的PDP11只有一一个硬件定时器！
STM32 F0 SERIES - ARM CORTEX™-M0 ENTRY-LEVEL MCUS