ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)與開發(fā)教程

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有同學(xué)反映，我們視頻一上來就講干貨，希望適當(dāng)普及一下相關(guān)概念，這篇就是。

ARM處理器解析

ARM9、ARM11是哈佛5級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，所以性能要高一點(diǎn)。ARM9和ARM11大多帶內(nèi)存管理器，跑操作系統(tǒng)好一點(diǎn)，ARM7適合裸奔。我們慣稱的 ARM9系列中又存在ARM9與ARM9E兩個(gè)系列，其中ARM9 屬于ARM v4T架構(gòu)，典型處理器如ARM9TDMI和ARM922T;

而ARM9E屬于ARM v5TE架構(gòu)，典型處理器如ARM926EJ和ARM946E。因?yàn)楹笳叩男酒瑪?shù)量和應(yīng)用更為廣泛，所以我們提到ARM9的時(shí)候更多地是特指ARM9E系列處理器(主要就是ARM926EJ和ARM946E這兩款處理器)。

下面關(guān)于ARM9的介紹也是更多地集中于ARM9E。

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ARM7處理器和ARM9E處理器的流水線差別

對(duì)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，硬件通常是第一考慮的因素。針對(duì)處理器來說，流水線則是硬件差別的最明顯標(biāo)志，不同的流水線設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生一系列硬件差異。

讓我們來比較一下ARM7和ARM9E的流水線，ARM9E從ARM7的3級(jí)流水線增加到了5級(jí)，ARM9E的流水線中容納了更多的邏輯操作，但是每一級(jí)的邏輯操作卻變得更為簡(jiǎn)單。

比如原來 ARM7的第三級(jí)流水，需要先內(nèi)部讀取寄存器、然后進(jìn)行相關(guān)的邏輯和算術(shù)運(yùn)算，接著處理結(jié)果回寫，完成的動(dòng)作非常復(fù)雜;

而在ARM9E的5級(jí)流水中，寄存器讀取、邏輯運(yùn)算、結(jié)果回寫分散在不同的流水當(dāng)中，使得每一級(jí)流水處理的動(dòng)作非常簡(jiǎn)潔。這就使得處理器的主頻可以大幅度地提高。因?yàn)槊恳患?jí)流水都對(duì)應(yīng) CPU的一個(gè)時(shí)鐘周期，如果一級(jí)流水中的邏輯過于復(fù)雜，使得執(zhí)行時(shí)間居高不下，必然導(dǎo)致所需的時(shí)鐘周期變長(zhǎng)，造成CPU的主頻不能提升。所以流水線的拉長(zhǎng)，有利于CPU主頻的提高。

在常用的芯片生產(chǎn)工藝下，ARM7一般運(yùn)行在100MHz左右，而ARM9E則至少在200MHz以上。

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ARM9E處理器的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)

像ARM926EJ 和ARM946E這兩個(gè)最常見的ARM9E處理器中，都帶有一套存儲(chǔ)器子系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)性能和支持大型操作系統(tǒng)。如圖2所示，一個(gè)存儲(chǔ)器子系統(tǒng)包含一個(gè) MMU(存儲(chǔ)器管理單元)或MPU(存儲(chǔ)器保護(hù)單元)、高速緩存(Cache)和寫緩沖(Write Buffer);CPU通過該子系統(tǒng)與系統(tǒng)存儲(chǔ)器系統(tǒng)相連。

高速緩存和寫緩存的引入是基于如下事實(shí)，即處理器速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于存儲(chǔ)器訪問速度;如果存儲(chǔ)器訪問成為系統(tǒng)性能的瓶頸，則處理器再快也是浪費(fèi)，因?yàn)樘幚砥餍枰馁M(fèi)大量的時(shí)間在等待存儲(chǔ)器上面。

高速緩存正是用來解決這個(gè)問題，它可以存儲(chǔ)最近常用的代碼和數(shù)據(jù)，以最快的速度提供給CPU處理(CPU訪問Cache不需要等待)。

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復(fù)雜處理器內(nèi)部的存儲(chǔ)器子系統(tǒng)

MMU則是用來支持存儲(chǔ)器管理的硬件單元，滿足現(xiàn)代平臺(tái)操作系統(tǒng)內(nèi)存管理的需要;它主要包括兩個(gè)功能：一是支持虛擬/物理地址映射，二是提供不同存儲(chǔ)器地址空間的保護(hù)機(jī)制。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子可以幫助我們理解MMU的功能，在一個(gè)操作系統(tǒng)下，程序開發(fā)人員都是在操作系統(tǒng)給定的API和編程模型下開發(fā)程序;操作系統(tǒng)通常只開放一個(gè)確定的存儲(chǔ)器地址空間給用戶。這樣就帶來 一個(gè)直接的問題，所有的應(yīng)用程序都使用了相同的存儲(chǔ)器地址空間，如果這些程序同時(shí)啟動(dòng)的話(在現(xiàn)在的多任務(wù)系統(tǒng)中這是非常常見的)，就會(huì)產(chǎn)生存儲(chǔ)器訪問沖 突。那操作系統(tǒng)是如何來避免這個(gè)問題的呢?

操作系統(tǒng)會(huì)利用MMU硬件單元完成存儲(chǔ)器訪問虛擬地址到物理地址的轉(zhuǎn)換。所謂虛擬地址就是程序員在程序中使用的邏輯地址，而物理地址則是真實(shí)存儲(chǔ)器單元的空間地址。MMU通過一定的規(guī)則， 可以把相同的虛擬地址映射到不同的物理地址上去。這樣，即使有多個(gè)使用相同虛擬地址的程序進(jìn)程啟動(dòng)，也可以通過MMU調(diào)度把它們映射到不同的物理地址上 去，不會(huì)造成系統(tǒng)錯(cuò)誤。

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MMU的功能和作用

MMU 處理地址映射功能之外，還能給不同的地址空間設(shè)置不同的訪問屬性。比如操作系統(tǒng)把自己的內(nèi)核程序地址空間設(shè)置為用戶模式下不可訪問，這樣的話用戶應(yīng)用程序就無法訪問到該空間，從而保證操作系統(tǒng)內(nèi)核的安全性。

MPU與MMU的區(qū)別在于它只有給地址空間設(shè)置訪問屬性的功能而沒有地址映射功能。Cache以及MMU等硬件單元的引入，給系統(tǒng)程序員的編程模型帶來了許多全新的變化。

除了需要掌握基本的概念和使用方法之外，下面幾個(gè)針對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的點(diǎn)既有趣又重要：

1.系統(tǒng)實(shí)時(shí)性考慮因素

為保存地址映射規(guī)則的頁表(Page Table)非常龐大，通常MMU中只是存儲(chǔ)器了常用的一小段頁表內(nèi)容，大部分頁表內(nèi)容都存儲(chǔ)于主存儲(chǔ)器里面;當(dāng)調(diào)用新的地址映射規(guī)則時(shí)，MMU可能需要讀取主存儲(chǔ)器來更新頁表。

這在某些情況下會(huì)造成系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的丟失。比如當(dāng)需要執(zhí)行一段關(guān)鍵的程序代碼時(shí)，如果不巧這段代碼使用的地址空間不在當(dāng)前MMU的頁表處理范圍里面，則MMU首先需要更新頁表，然后完成地址映射，接著才能相應(yīng)存儲(chǔ)器訪問;

整個(gè)地址譯碼過程非常長(zhǎng)，給實(shí)時(shí)性帶來非常大的不利影響。所以一般來說帶MMU和Cache的系統(tǒng)在實(shí)時(shí)性上不如一些簡(jiǎn)單的處理器;不過也有一些辦法能夠幫助提高這些系統(tǒng)的實(shí)時(shí)效率。

一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是在需要的時(shí)候關(guān)閉MMU和Cache，這樣就變成一個(gè)簡(jiǎn)單處理器了，可以馬上提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。當(dāng)然很多情況下這不可行;

在ARM的MMU和 Cache設(shè)計(jì)中，有一個(gè)鎖定的功能，就是說你可以指定某一塊頁表在MMU中不會(huì)被更新掉，某一段代碼或數(shù)據(jù)可以在Cache中鎖定而不會(huì)被刷新掉;程序員可以利用這個(gè)功能來支持那些實(shí)時(shí)性要求最高的代碼，保證這些代碼始終能夠得到最快的響應(yīng)和支持。

2.系統(tǒng)軟件優(yōu)化

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，很多系統(tǒng)軟件優(yōu)化的方法都是相同和通用的，多數(shù)情況下這種規(guī)則也適用于ARM9E架構(gòu)上。如果你已經(jīng)是一個(gè)ARM7的編程高手，那么恭喜你，以前你掌握的優(yōu)化方法完全可以用在新的ARM9E平臺(tái)上，但是會(huì)有一些新的特性需要你加倍注意。最重要的便是Cache的作用，Cache本身并不 帶來編程模型和接口的變化，但是如果我們考察Cache的行為，就能夠發(fā)現(xiàn)對(duì)于軟件優(yōu)化，Cache是有比較大的影響的。

Cache在物理上就是一塊高速SRAM，ARM9E的Cache組織寬度(cache line)都是4個(gè)word(也就是32個(gè)字節(jié));Cache的行為受系統(tǒng)控制器控制而不是程序員，系統(tǒng)控制器會(huì)把最近訪問存儲(chǔ)器地址附近的內(nèi)容復(fù)制到Cache中去，這樣，當(dāng)CPU訪問下一個(gè)存儲(chǔ)器單元的時(shí)候(這個(gè)訪問既可能是取指，也可能是數(shù)據(jù))，可能這個(gè)存儲(chǔ)器單元的內(nèi)容已經(jīng)在Cache里了，所以CPU不需要真的到主存儲(chǔ)器上去讀取內(nèi)容，而直接讀取Cache高速緩存上面的內(nèi)容就可以了，從而加快了訪問的速度。

從Cache的工作原理我們可以看 到，其實(shí)Cache的調(diào)度是基于概率的，CPU要訪問的數(shù)據(jù)既可能在Cache中已經(jīng)存在(Cache hit)，也可能沒有存在(Cache miss)。在Cache miss的情況下，CPU訪問存儲(chǔ)器的速度會(huì)比沒有Cache的情況更壞，因?yàn)镃PU除了要從存儲(chǔ)器訪問數(shù)據(jù)以外，還需要處理Cache hit或miss的判斷，以及Cache內(nèi)容的刷新等動(dòng)作。

只有當(dāng)Cache hit帶來的好處超過Cache miss帶來的犧牲的時(shí)候，系統(tǒng)的整體性能才能得到提高，所以Cache的命中率成為一個(gè)非常重要的優(yōu)化指標(biāo)。

根據(jù)Cache行為的特點(diǎn)，我們可以直觀地得到提高Cache命中率的一些方法，如盡可能把功能相關(guān)的代碼和數(shù)據(jù)放置在一起，減少跳轉(zhuǎn)次數(shù);跳轉(zhuǎn)經(jīng)常會(huì)引起 Cache miss。保持合適的函數(shù)大小，不要書寫太多過小的函數(shù)體，因?yàn)榫€性的程序執(zhí)行流程是最為Cache友好的。

循環(huán)體最好放置在4個(gè)word對(duì)齊的地址，這 樣就能保證循環(huán)體在Cache中是行對(duì)齊的，并且占用最少的Cache行數(shù)，使得被多次調(diào)用的循環(huán)體得到更好的執(zhí)行效率。

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性能和效率的提升

前面介紹了ARM9E相比于ARM7性能上的提高，這不僅表現(xiàn)在ARM9E有更快的主頻、更多的硬件特性上面，還體現(xiàn)在某些指令的執(zhí)行效率上面。執(zhí)行效率我 們可以用CPU的時(shí)鐘周期數(shù)(Cycle)來衡量;

運(yùn)行同一段程序，ARM9E的處理器可以比ARM7節(jié)省大約30%左右的時(shí)鐘周期。

效率的提高主要來自于ARM9E對(duì)于Load-Store指令執(zhí)行效率的增強(qiáng)。我們知道在RISC架構(gòu)的處理器中，程序中大約有30%的指令是Load- Store指令，這些指令的效率對(duì)系統(tǒng)效率的貢獻(xiàn)是最明顯的。

ARM9E中有兩個(gè)因素幫助提高Load-Store指令的效率：

1)ARM9內(nèi)核是哈佛架構(gòu)，擁有獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)總線;相對(duì)應(yīng)，ARM7內(nèi)核的指令和數(shù)據(jù)總線復(fù)用的馮諾依曼架構(gòu)。

2)ARM9的5級(jí)流水線設(shè)計(jì)把存儲(chǔ)器訪問和寄存器寫回放在不同的流水上面。

兩者結(jié)合，使得在指令流的執(zhí)行過程中每個(gè)CPU時(shí)鐘周期都可以完成一個(gè)Load或Store指令。

下面的表格比較了ARM7和ARM9處理器之間的Load -Store指令。

從中可以看出所有的Store指令A(yù)RM9比ARM7省1個(gè)周期，Load指令可以省2個(gè)周期(在沒有互鎖的情況下，編譯工具能夠通過 編譯優(yōu)化消除大多數(shù)的互鎖可能)。

綜合各種因素，ARM9E處理器擁有非常強(qiáng)大的性能。但是在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員并不總是把處理器性能開到最大，理想情況是把處理器和系統(tǒng)運(yùn)行頻率降低，使得性能剛好能滿足應(yīng)用需求; 達(dá)到節(jié)省功耗和成本的目的。

在評(píng)估系統(tǒng)能夠提供的處理器能力過程中，DMIPS指標(biāo)被很多人采用; 同時(shí)它也被廣泛應(yīng)用于不同處理器間的性能比較。

但是用DMIPS來衡量處理器性能存在很大的缺陷。 DMIPS并非字面上每秒百萬條指令的意思，它是一個(gè)測(cè)量CPU運(yùn)行一個(gè)叫Dhrystone的測(cè)試程序時(shí)表現(xiàn)出來的相對(duì)性能高低的一個(gè)單位(很多場(chǎng)合人們也習(xí)慣用MIPS作為這個(gè)性能指標(biāo)的單位)。因?yàn)榛诔绦虻臏y(cè)試容易受到惡意優(yōu)化的干擾，并且DMIPS指標(biāo)值的發(fā)布不受任何機(jī)構(gòu)的監(jiān)督，所以使用DMIPS進(jìn)行評(píng)估時(shí)要慎重。

例如對(duì)Dhrystone測(cè)試程序進(jìn)行不同的編譯處理，在同一個(gè)處理器上運(yùn)行也可以得出差別很大的結(jié)果。

DMIPS另外一個(gè)缺點(diǎn)是不能測(cè)量處理器的數(shù)字信號(hào)處理能力和Cache/MMU子系統(tǒng)的性能。因?yàn)镈hrystone測(cè)試程序不包含DSP表達(dá)式，只包含一些整型運(yùn)算和字符串處理，并且測(cè)試程序偏小，幾乎可以完整地放在Cache里面運(yùn)行而無需與外部存儲(chǔ)器進(jìn)行交互。這樣就難以反映處理器在一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)中的真正性 能。

一種值得鼓勵(lì)的評(píng)估方法是站在系統(tǒng)的角度看問題，而不僅僅拘泥于CPU本身;而系統(tǒng)性能評(píng)估最好的測(cè)試向量就是用戶應(yīng)用程序或相近的測(cè)試程序，這是用戶所需的最真實(shí)的結(jié)果。

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ARM9E處理器的DSP運(yùn)算能力

伴隨應(yīng)用程序的多樣化和復(fù)雜化，諸如多媒體、音視頻功能在嵌入式系統(tǒng)里面也是全面開花。這些應(yīng)用需要相當(dāng)?shù)腄SP處理能力;如果是在傳統(tǒng)的RISC架構(gòu)上實(shí) 現(xiàn)這些算法，所需的資源(頻率和存儲(chǔ)器等)會(huì)非常不經(jīng)濟(jì)。

ARM9E處理器一個(gè)非常重要的優(yōu)勢(shì)就是擁有輕量級(jí)的DSP處理能力，以非常小的成本(CPU增 加功能需要增加硬件)換來了非常實(shí)用的DSP性能。

因?yàn)镃PU的DSP能力并不直接反映在像DMIPS這樣的評(píng)測(cè)指標(biāo)中，同時(shí)像以前的ARM7處理器中也沒有類似的概念;所以這一點(diǎn)對(duì)所有使用ARM9E處理器進(jìn)行開發(fā)的人來說，都是需要注意的一個(gè)要點(diǎn)。

ARM9E的DSP擴(kuò)展指令，主要包括三個(gè)類型:

1)單周期的16x16和32x16 MAC操作，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理中甚少32位寬的操作數(shù)，在32位寄存器中可以對(duì)操作數(shù)分段運(yùn)算顯得非常有用。

2)對(duì)原有的算術(shù)運(yùn)算指令增加了飽和處理擴(kuò)展，所謂飽和運(yùn)算，就是當(dāng)運(yùn)算結(jié)果大于一個(gè)上限或小于一個(gè)下限時(shí)，結(jié)果就等于上限或是下限;

飽和處理在音頻數(shù)據(jù)和視頻像素處理中普遍使用，現(xiàn)在一條單周期飽和運(yùn)算指令就能夠完成普通RISC指令“運(yùn)算-判斷-取值”這一系列操作。

3)前導(dǎo)零(CLZ)運(yùn)算指令，提高了歸一化和浮點(diǎn)運(yùn)算以及除法操作的性能。

以流行的MP3解碼程序?yàn)槔?。整個(gè)解碼過程中前端的三個(gè)步驟是運(yùn)算量最大的，包括比特流的讀入(解包)、霍夫曼譯碼還有反量化采樣(逆變換)。

ARM9E的 DSP指令正好可以高效地完成這些運(yùn)算。以44.1 KHz@128 kbps碼率的MP3音樂文件為例，ARM7TDMI需要占用20MHz以上的資源，

而ARM926EJ則只要小于10MHz的資源在從ARM7到ARM9的平臺(tái)轉(zhuǎn)變過程中，有一件事情是非常值得慶幸的，即ARM9E能夠完全地向后兼容ARM7上的軟件;并且開發(fā)人員面對(duì)的編程模型和架構(gòu)基礎(chǔ)也保持一致。

但是畢竟ARM9E中增加了很多新的特性，為了充分利用這些新的資源，把系統(tǒng)性能優(yōu)化好，需要我們對(duì)ARM9E做更多深入地了解。

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