嵌入式系统体系结构课程复习

AMBA-AHB总线
主单元（AHB）

只有主单元可在任何时刻使用总线。AHB可以有一个或多个主单元。


从单元(APB)

主单元可以是RISC处理器、协处理器以及DMA控制器，以启动和控制 总线操作。
可以响应（并非启动）读或写总线操作。 总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。 从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。 从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如外存接口 、总线桥接口以及任何内存都可以是从单元，系统的其他外设也包含在 AHB的从单元中。 用来确定控制总线是哪个主单元，以保证在任何时候只有一个主单元可以 启动数据传输。 一般来说仲裁协议都是固定好的，例如最高优先级方法或平等方法，可根 据实际的情况选择适当的仲裁协议。 总线译码器用于传输译码工作，提供传输过程中从单元的片选信号。
ARM微处理器的特点
大量使用寄存器
31个通用寄存器，包括程序计数器（PC 指针），均为 32位的寄存器； 6个状态寄存器，用以标识CPU的工作状态及程序的运 行状态，均为32位。
高效的指令系统
ARM微处理器支持两种指令集：ARM指令集和 Thumb指令集。 ARM指令为32位的长度，Thumb指令为16位长度。 Thumb指令集为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％以上的存储空间 ，同时具备32位代码的所有优点。
指令执行次序：

程序计数器Program Counter（PC）
哈佛体系结构
程序与数据有单独的存储器 PC只能指向程序存储器 独立编址运行
指令cache与数据cache 适用于实时信号处理（大部分的DSP）
哈佛结构是不同于冯· 诺依曼结构的一种并行体系结构 ，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中， 即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器， 每个存储器独立编址、独立访问。 与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数 据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。
冯.诺依曼结构
计算机系统五大部件
ALU Controller Memory Input Output
传统的微处理器采用的冯· 诺依 曼结构将指令和数据存放在同一 存储空间中，统一编址，指令和 数据通过同一总线访问。
核心部件

早期是CPU Memory存储程序(stored program)：程序以数字节形式存在 ，可以与数据一样被读写 顺序 跳转
嵌入式系统的总线
一般集成在嵌入式微处理器中。
系统总线参数
总线宽度 又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的位数。如16位 总线就是具有16位数据传送能力。 总线频率 总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。 通常用MHz表示。 总线带宽 又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总线上可传送的数 据总量，用每秒最大传送数据量来衡量。 总线带宽越宽，传输率越高。 总线带宽(单位:MB/s) =（总线宽度/8）× 总线频率
存储方式和存储空间 实现方式：软件、硬件 指令集：多周期、单周期 寄存器：多少

AMBA总线规范
S3C2410（ARM920T）处理器组成 AHB ——连接高性能控制器 APB——连接低速的外设和控制器
复习——基本概念
处理器
ARM微处理器特点 低功耗、低成本、高性能 采用RISC指令集 使用大量的寄存器,31个通用寄存器，6个状态寄存器 ARM/THUMB指令支持，分别对应32位和16位 三/五级流水线，固定长度的指令格式，指令归整、简单、 基本寻址方式有2～3种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行； 数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可 以访问存储器


AHB(Advanced High-performance Bus)：用于高性 能系统模块的连接，支持突发模式数据传输和事务分割；可以 有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。
ASB（Advanced System Bus）：也用于高性能系统模 块的连接，由AHB总线替代； APB（Advanced Peripheral Bus）：用于较低性能外 设的简单连接，一般是接在AHB或ASB系统总线上的第二级 总线。
ARM微处理器的特点
低功耗、低成本、高性能
采用RISC指令集 使用大量的寄存器 ARM/THUMB指令支持 三/五级流水线
采用RISC体系结构
固定长度的指令格式，指令归整、简单、基 本寻址方式 有2～3种； 使用单周期指令，便于流水线操作执行； 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作， 只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行 效率。
System模式 FIQ模式
特权模式 可以存取 系统中的 任何资源
系统模式与User模式的运行环境一样 但是它可以不受任何限制的访问任何资源 该模式主要用于运行系统中的一些特权任务
IRQ模式 Supervisor模式
异常模式：主要是在外部中断或者程序 执行非法操作时会触发
Abort模式
Undefined模式
计算机体系结构据不完全统计，目前全世界嵌入式微处 理器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理 器体系，主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、 SH、 X86等。 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使在同一体系中 也可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同 的外部接口和设备。
基本概念
嵌入式linux系统构建，移植配置，交叉编译 体系结构，冯.诺依曼体系，哈佛体系 指令系统，精简指令，复杂指令 存储器类型，NorFlash，NandFlash，I-Cache，DCache 存储器控制器和NandFlash控制器， 系统总线，桥，AMBA，APB，AHB 工作模式：用户模式，特权模式，系统模式 指令和数据存储方式 分组寄存器，未分组寄存器，PC寄存器，子程序连接寄存器， 状态寄存器 嵌入式系统，通用计算机系统
复习——基本概念
处理器
ARM微处理器工作模式
用户模式 特权模式 系统模式 异常模式：fiq、irq、svc、abt和und ARM工作模式切换的三种方法 软件控制 异常中断 外部中断
ARM微处理器工作模式
用户模式 用户程序不能访问有些受保护的资源 User模式 只能通过异常的形式来改变CPU的当前运行模式


2 LINUX操作系统概述
LINUX建构和配置
虚拟机环境 基本操作命令 内核管理 存储管理 启动与初始化 交叉编译 引导程序bootloader 内核移植 Linux映像固化
LINUX系统开发基础
嵌入式linux系统开发
计算机体系结构
用户模式和特权模式
用户模式与特权模式
除了用户模式之外的其他6种处理器模式称为特权模式
用户模式

应用程序不能够访问一些受操作系统保护的系统资源 应用程序也不能直接进行处理器模式的切换用户程序不能访问有些受 保护的资源 特权模式下，程序可以访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理 器模式的切换 系统模式下，操作系统管理 异常模式下，在 用户模式下，当需要进行处理器模式切换时，应用 程序可以产生异常处理，在异常处理中进行处理器模式的切换。
寻址模式 控制单元 寄存器数目
系统总线
总线
是CPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之 间传送数据、地址和控制信息的公共通道。
总线分类
从微处理器的角度来分，总线可分为片外总线(如：PCI 、ISA等)和片内总线（如：AMBA、 AVALON、OCP 、WISHBONE等）。 从信号线功能和性质分，数据线、地址线和控制线。
价格 性能 指令集
高级语言支持
由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高 减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数 大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language） 硬件完成 复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址 微码 寄存器较少
多总线结构

数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。
成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。 桥允许总线独立操作，在I/O操作中可提供某些并行性。
CPU 高速总线 桥 低速设备 低速总线
存储器
高速设备
低速设备
AMBA总线规范

AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是ARM 公司研发的一种总线规范， 目前为3.0 版本。 在AMBA总线规范中，定义了3种总线:

AMBA总线-APB

APB桥将系统总线AHB/ASB和APB连接起来，并执行下 列功能：

锁存地址并保持其有效，直到数据传送完成。 译码地址并产生外部片选信号，在每次传送时只有一个 片选信号（PSELx）有效。


写传送（write transfer）时驱动数据到APB。
读传送（read transfer）时驱动数据到系统总线 AHB/ASB。

仲裁器


译码器

AMBቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ-AHB总线

典型的AHB总线工作过程包括两个阶段：

地址传送阶段(address phase)：它将只持续一个时钟周 期。在HCLK的上升沿数据有效。所有的从单元都在这 个上升沿来采样地址信息。
数据传送阶段（data phase）：它需要一个或几个时钟 周期。可以通过HREADY信号来延长数据传输时间，当 HREADY信号为低电平时，就在数据传输中加入等待周 期，直到HREADY信号为高电平才表示这次传输阶段结 束。