嵌入式處理器體系結構

　　從應用對象上加以定義，嵌入式系統是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。下面是小編整理的關(guān)于嵌入式處理器體系結構，歡迎大家參考!

　　嵌入式處理器體系結構

　　這個(gè)階段課程淵源已久。上世紀90年代時(shí)單片機的大行其道是計算機單芯片化的開(kāi)端。隨著(zhù)集成電路技術(shù)的發(fā)展，單芯片上集成的功能越來(lái)越強，終于在本世紀初發(fā)展出現了在單芯片上集成復雜計算機系統的技術(shù)(System-on-Chip SOC)。這使得原本需要獨立運行在單獨的計算機上的復雜的軟件系統可以運行在(嵌入)小型的設備上。這就是“嵌入式系統”。這種系統的核心處理器被稱(chēng)為“嵌入式處理器”。

　　在講授這部分課程時(shí)，講師應當讓學(xué)生同時(shí)接觸到Intel架構以及ARM架構的指令。學(xué)生應當首先學(xué)習編寫(xiě)在操作系統環(huán)境下運行的匯編語(yǔ)言程序，然后在無(wú)操作系統環(huán)境下運行的裸板程序。歸根結底，這個(gè)階段課程教給學(xué)員分析和編寫(xiě)匯編語(yǔ)言程序的一般性方法，而非僅僅針對某個(gè)體系結構和匯編器。學(xué)員將學(xué)到超越某個(gè)具體指令集的匯編語(yǔ)言能力以及建立在此之上的自底向上的思考整個(gè)計算機體系的能力。

　　傳統誤區

　　完全地學(xué)習處理器體系結構需要具備大量的先修課程(主要是電路類(lèi)課程)，今天的學(xué)生不具備這些先修課程能力。傳統的方式是首先講解處理器體系結構，然后講解指令集，再然后講解匯編程序語(yǔ)法，再然后像C語(yǔ)言階段一樣寫(xiě)一些小程序，再然后...。但是很不幸，教學(xué)實(shí)踐表明，由于無(wú)法安排足夠的課時(shí)，這種方式的教學(xué)甚至無(wú)法讓學(xué)員獲得最基本的分析和使用匯編代碼的能力。同時(shí)由于處理器能力的增強導致嵌入式軟件體系的復雜度大大提升的結果是芯片廠(chǎng)商包辦了底層的諸如Bootloader之類(lèi)的底層軟件。同時(shí)大部分的嵌入式產(chǎn)品都通過(guò)運行某種操作系統環(huán)境提供應用層支持。直接在無(wú)操作系統環(huán)境下編程的程序員崗位在嵌入式行業(yè)中大大減少。這樣一來(lái)，講授裸機匯編的傳統課程體系和最新工程實(shí)踐嚴重脫節。

　　問(wèn)題分析

　　問(wèn)題的根源在于現代程序員對于匯編語(yǔ)言的需求是很獨特的。即使是在操作系統核心級別的代碼中，用匯編語(yǔ)言寫(xiě)成的代碼總量也不會(huì )很多。而當程序員開(kāi)始和這些代碼打交道時(shí)，往往意味著(zhù)他碰到了關(guān)鍵的核心問(wèn)題。這個(gè)時(shí)候問(wèn)題的核心在于整體的軟硬件結構而不是具體的匯編指令�，F代的程序員在處理構成系統關(guān)鍵部分的匯編代碼時(shí)，并不需要像計算機發(fā)展的早期時(shí)的匯編程序員那樣精通某種匯編語(yǔ)言的每一個(gè)角落。只要“框架”清晰，指令集的障礙自然可以通過(guò)臨時(shí)查閱相關(guān)體系結構的手冊邁過(guò)。但是框架卻不是臨時(shí)能夠建立起來(lái)的。

　　應當徹底改變這部分課程以適應最新的工程實(shí)踐。壓縮繁瑣的匯編指令教學(xué)，增加在操作系統環(huán)境下的關(guān)鍵匯編代碼分析和設計，把原本放在匯編程序上的精力轉移到SOC的體系結構和操作系統的底層機制上。

　　教師應當在C、內核這幾個(gè)課程階段展開(kāi)多架構匯編語(yǔ)言視角的討論。這樣能夠讓學(xué)生在很長(cháng)的時(shí)間跨度上去習慣用匯編語(yǔ)言的視角分析問(wèn)題。在本階段的教學(xué)中，首先在Linux環(huán)境下寫(xiě)匯編，然后才是裸板的匯編。這是因為經(jīng)過(guò)前期的學(xué)習，學(xué)生對于Linux和C是比較熟悉的，使用匯編語(yǔ)言和這兩種環(huán)境打交道會(huì )降低學(xué)習的難度梯度。

　　消除了學(xué)生對指令集的恐懼之后，再展開(kāi)用匯編和C語(yǔ)言直接操作硬件的SOC課程環(huán)節。他們將通過(guò)這個(gè)環(huán)節了解到基于A(yíng)RM的SOC體系結構特點(diǎn)，包括總線(xiàn)、地址、外設以及中斷等等硬件知識。由于已經(jīng)熟悉了匯編語(yǔ)言，所以此時(shí)的學(xué)生能夠把精力集中在SOC體系結構本身上。這是組織課程的一種“超級技巧”，尤其用來(lái)解決那些復雜的課程環(huán)節：盡量避免在課程中同時(shí)出現兩個(gè)或多個(gè)學(xué)生之前并不熟悉的知識體系(在這里就是匯編和SOC芯片)。通過(guò)重新規劃這課程，甚至動(dòng)用其它環(huán)節的課程以呼應這一階段課程的方式降低學(xué)習的難度梯度。

　　嵌入式微處理器(Micro Processor Unit，MPU)

　　嵌入式微處理器是由通用計算機中的CPU演變而來(lái)的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價(jià)格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現嵌入式應用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。目前主要的嵌入式處理器類(lèi)型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。其中Arm/StrongArm是專(zhuān)為手持設備開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。

　　Power PC：

　　由IBM、Apple和Motorola聯(lián)合開(kāi)發(fā)，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構具有可伸縮性好、方便靈活的特點(diǎn)。主要有以下產(chǎn)品使用Power PC微處理器

　　蘋(píng)果公司：Power Macintosh系列、PowerBook系列(1995年以后的產(chǎn)品)、iBook系列、iMac系列(2005年以前的產(chǎn)品)、eMac系列產(chǎn)品。

　　任天堂：GameCube 和 Wii。

　　Sony：PlayStation 3。

　　MIPS：

　　MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思“無(wú)內部互鎖流水級的微處理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線(xiàn)中的數據相關(guān)問(wèn)題。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導的研究小組研制出來(lái)的。MIPS公司的R系列就是在此基礎上開(kāi)發(fā)的RISC工業(yè)產(chǎn)品的微處理器。這些系列產(chǎn)品為很多計算機公司采用構成各種工作站和計算機系統。MIPS技術(shù)公司是美國著(zhù)名的芯片設計公司，它采用精簡(jiǎn)指令系統計算結構(RISC)來(lái)設計芯片。和英特爾采用的復雜指令系統計算結構(CISC)相比，RISC具有設計更簡(jiǎn)單、設計周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應用更多先進(jìn)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)更快的下一代處理器。MIPS是出現最早的商業(yè)RISC架構芯片之一，新的架構集成了所有原來(lái)MIPS指令集，并增加了許多更強大的功能。MIPS處理器是八十年代中期RISC CPU設計的一大熱點(diǎn)。MIPS是賣(mài)的最好的RISC CPU，可以從任何地方，如Sony， Nintendo的游戲機，Cisco的路由器和SGI超級計算機，看見(jiàn)MIPS產(chǎn)品在銷(xiāo)售。目前隨著(zhù)RISC體系結構遭到x86芯片的競爭，MIPS有可能是起初RISC CPU設計中唯一的一個(gè)在本世紀盈利的。和英特爾相比，MIPS的授權費用比較低，也就為除英特爾外的大多數芯片廠(chǎng)商所采用。

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