Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
CISC与RISC的对比
类别
CISC
RISC
指令系统 指令数量很多，通常>200 较少，通常少于100
执行时间
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统
如人的大脑，决定了硬件的操作模 式。通过良好的操作系统以及应用 程序，把硬件功能发挥到极至。
嵌入式系统软件部分 嵌入式系统硬件部分
如人的手、脚、神经等部位，决定 了嵌入式系统的先天功能。如运算 能力和I/O接口等。
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
嵌入式系统硬件组成
• 该例中用6个时钟周期执行了6条指令
• 所有的操作都在寄存器中（单周期执行）
• 指令周期数 (CPI) = 1
LDR 流水线举例
嵌入式微处理器的集成度
单芯片方式
单芯片方式：三星44B0X芯片的内部结构
嵌入式微处理器的集成度
芯片组方式
芯片组方式：两芯片组的手持PC方案
嵌入式微处理器的体系结构
• 算术格式（Arithmetic Format） • 功能单元（Functional Units） • 流水线（Pipeline）
• 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放各种信息。
存储器
分层结构
寄存器
高速缓存 SRAM
主存储器 SDRAM
本地存储器 Flash、 ROM、磁盘
网络存储器 Flash、 ROM、磁盘
0
时
钟 周
1—10
期
10—100
20,000,000
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
哈佛结构
地址 产生单元
DMA 控制器
Y 数据存储器地址总线 X 数据存储器地址总线 程序地址总线
处理器核
存 程序 储 RAM 器 Bank
X 数据 RAM Bank
Y 数据 RAM Bank
程序数据总线 X 数据总线 Y 数据总线
Motorola公司DSP56311结构
18位 地址线
外 部
13位 控制线
– 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。 ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC-2
Decode
PC - 8 PC - 4
Execute
解码指令
寄存器读（从寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器写（到寄存器Bank ）
• PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
接
口
24位 数据线
5位 测试线
总线
• 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。
• 从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线和片内总线。
• 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结 构而不同。
存储器
• 嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存 。
• 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理 器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电 后在主存中的代码直接运行。
– 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水 线
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
Add
取指
Sub Cmp
时间
译码 取指
执行add 译码 取指
执行sub 译码
执行cmp
指令流水线—以ARM为例
• 为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水 线.
嵌 入式微处理器指令系统
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
算逻单元
输入
输出
中央处理器
存储器
程序
指令0 指令1 指令2 指令3 指令4
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
算逻单元
输入
输出
地址
CPU
数据
程序存储器
指令0 指令1 指令2
数据存储器
数据0 数据1 数据2
– 嵌入式微处理器 – 总线 – 存储器 – 输入/输出接口和设备
嵌 入式微处理器指令系统
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set
没有较长执行时间的指令
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑操
算术和逻辑操作
作，Load/Store体系结构
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效的
的目标代码程序
目标代码程序
嵌入式微处理器的分类
• 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8 位、16位、32位和64位。
• 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP 和通用的嵌入式微处理器两种：
– 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛 结构，程序和数据分开存储，采用一系列措 施保证数字信号的处理速度。
– 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC 芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。
最佳流水线
周期
1
2
3
4
5
6
操作
ADD
Fetch Decode Execute
SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB
Fetch
Decode Execute Fetch Decode Execute
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch
嵌入式微处理器的特点
• 集成度 • 体系结构 • 指令集 • 性能 • 功耗和管理
嵌入式微处理器的集成度
嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目 和种类是由它的市场定位决定的。
在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：
– 片内存储器：部分嵌入式微处理器 – 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) – LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 – 中断控制器，DMA控制器，协处理器 – 定时器，A/D、D/A转换器 – 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 – 总线 – 其他标准接口或外设