ARM體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式處理器

ARM7簡介

ARM7系列處理器是英國ARM公司設(shè)計的主流嵌入式處理器ARM7內(nèi)核是0.9MIPS/MHz的三級流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu);ARM9內(nèi)核是5級流水線，提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。ARM7沒有MMU。

ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T。該系列處理器提供Thumb16位壓縮指令集和EmbededICE軟件調(diào)試方式，適用于更大規(guī)模的SoC設(shè)計中。ARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本，是目前低端的ARM核。

ARM7TDMI處理器是ARM通用32位微處理器家族的成員之一。它具有優(yōu)異的性能，但功耗卻很低，使用門的數(shù)量也很少。它屬于精簡指令集計算機(RISC)，比復(fù)雜指令集計算機(CISC)要簡單得多。這樣的簡化實現(xiàn)了：高的指令吞吐量;出色的實時中斷響應(yīng);小的、高性價比的處理器宏單元。三級流水線：ARM7TDMI處理器使用流水線來增加處理器指令流的速度。這樣可使幾個操作同時進(jìn)行，并使處理和存儲器系統(tǒng)連續(xù)操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令執(zhí)行速度。ARM7TDMI的流水線分3級，分別為：取指、?譯碼、?執(zhí)行。正常操作過程中，在執(zhí)行一條指令的同時對下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲器中取出。內(nèi)同時有5個指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時鐘頻率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。

ARM9簡介

ARM9系列處理器是英國ARM公司設(shè)計的主流嵌入式處理器，主要包括ARM9TDMI和ARM9E-S等系列。

ARM9采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)分屬不同的總線，可以并行處理。在流水線上，ARM7是三級流水線，ARM9是五級流水線。由于結(jié)構(gòu)不同，ARM7的執(zhí)行效率低于ARM9。平時所說的ARM7、ARM9實際上指的是ARM7TDMI、ARM9TDMI軟核，這種處理器軟核并不帶有MMU和cache，不能夠運行諸如linux這樣的嵌入式操作系統(tǒng)。而ARM公司對這種架構(gòu)進(jìn)行了擴(kuò)展，所以有了ARM710T、ARM720T、ARM920T、ARM922T等帶有MMU和cache的處理器內(nèi)核。

ARM9處理能力

(1)時鐘頻率的提高

ARM7處理器采用3級流水線，而ARM9采用5級流水線。增加的流水線設(shè)計提高了時鐘頻率和并行處理能力。5級流水線能夠?qū)⒚恳粋€指令處理分配到5個時鐘周期內(nèi)，在每一個時鐘周期內(nèi)同時有5個指令在執(zhí)行。在同樣的加工工藝下，ARM9TDMI處理器的時鐘頻率是ARM7TDMI的1.8～2.2倍。

(2)指令周期的改進(jìn)

指令周期的改進(jìn)對于處理器性能的提高有很大的幫助。性能提高的幅度依賴于代碼執(zhí)行時指令的重疊，這實際上是程序本身的問題。對于采用最高級的語言，一般來說，性能的提高在30%左右。

UCOS簡介

μC/OS II(Micro-Controller OperaTIng System Two)是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，適合很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶崟r操作系統(tǒng)(RTOS)。為了提供最好的移植性能，μC/OS II最大程度上使用ANSI C語言進(jìn)行開發(fā)，并且已經(jīng)移植到近40多種處理器體系上，涵蓋了從8位到64位各種CPU(包括DSP)。 μC/OS II可以簡單的視為一個多任務(wù)調(diào)度器，在這個任務(wù)調(diào)度器之上完善并添加了和多任務(wù)操作系統(tǒng)相關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)，如信號量、郵箱等。其主要特點有公開源代碼，代碼結(jié)構(gòu)清晰、明了，注釋詳盡，組織有條理，可移植性好，可裁剪，可固化。內(nèi)核屬于搶占式，最多可以管理60個任務(wù)。從1992年開始，由于高度可靠性、魯棒性和安全性，μC/OS II已經(jīng)廣泛使用在從照相機到航空電子產(chǎn)品的各種應(yīng)用中。

μC/OS-II實時多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核。它被廣泛應(yīng)用于微處理器、微控制器和數(shù)字信號處理器。 μC/OS-II 的前身是μC/OS，最早出自于1992 年美國嵌入式系統(tǒng)專家Jean J.Labrosse 在《嵌入式系統(tǒng)編程》雜志的5 月和6 月刊上刊登的文章連載，并把μC/OS 的源碼發(fā)布在該雜志的B B S 上。

UCOS應(yīng)用情況

1) 高優(yōu)先級的任務(wù)因為需要某種臨界資源，主動請求掛起，讓出處理器，此時將調(diào)度就緒狀態(tài)的低優(yōu)先級任務(wù)獲得執(zhí)行，這種調(diào)度也稱為任務(wù)級的上下文切換。

2) 高優(yōu)先級的任務(wù)因為時鐘節(jié)拍到來，在時鐘中斷的處理程序中，內(nèi)核發(fā)現(xiàn)高優(yōu)先級任務(wù)獲得了執(zhí)行條件(如休眠的時鐘到時)，則在中斷態(tài)直接切換到高優(yōu)先級任務(wù)執(zhí)行。這種調(diào)度也稱為中斷級的上下文切換。 這兩種調(diào)度方式在μC/OS-II的執(zhí)行過程中非常普遍，一般來說前者發(fā)生在系統(tǒng)服務(wù)中，后者發(fā)生在時鐘中斷的服務(wù)程序中。 調(diào)度工作的內(nèi)容可以分為兩部分：最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找和任務(wù)切換。其最高優(yōu)先級任務(wù)的尋找是通過建立就緒任務(wù)表來實現(xiàn)的。μ C / O S 中的每一個任務(wù)都有獨立的堆棧空間，并有一個稱為任務(wù)控制塊TCB(Task Control Block)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中第一個成員變量就是保存的任務(wù)堆棧指針。任務(wù)調(diào)度模塊首先用變量OSTCBHighRdy 記錄當(dāng)前最高級就緒任務(wù)的TCB 地址，然后調(diào)用OS_TASK_SW函數(shù)來進(jìn)行任務(wù)切換。