2)开发时间短 开发一个结构简洁的处理器在人力、物力上的投入要更少，整个开发工作的开发时间 更易于预测可控制。 3)性能高 在CI$C处理器中，一些复杂的操作有专用的指令，对于单个的操作使用专用指令可 以提高处理效率，但复杂指令的使用降低了所有其它指令的执行效率。完成同样功能的程 序时，RISC处理器需要更多的指令，但RISC单个指令执行效率高，而且RISC处理器容 易实现更高的工作频率，从来使整体性能得到提高。RISC处理器的性能上的优点在处理 器发展的实践中得到验证。 目前，通用计算机，如个人电脑、服务器等大多采用CISC结构的x86处理器，随着 技术的发展，新的x86处理器融合了RISC的特性。在嵌入式处理器中，RISC技术则得 到普遍的应用，如MPS处理器、ARM处理器等。 2.1.3CPU结构（分两类：冯哈佛） CPU典型组成部分包括运算器、控制器、寄存器阵列及连接各个部分的内部总线，如 图2.1所示。 运算器包括算术逻辑单元、累加器、暂存器及标志寄存器等，完成加、减、乘、除四 则运算及各种逻辑运算。 控制器由指令寄存器、指令译码器、控制逻辑电路组成，完成CPU的全部控制功能。 CPU从存储器取出指令，通过数据总线存入指令寄存器，然后由指令译码器对指令进行译 码。译码产生的结果与时钟信号配合，在控制逻辑电路中产生各种操作所必须的控制信号。 控制信号经由控制总线送到微处理器系统的其它功能部件中，以便执行各种操作。 CPU在操作过程中需要获取数据并产生一些新数据，为了提高CPU的速度，在CPU 内部设计一组临时存储器单元，用于操作数据及中间结果的存放与转移，这就是CPU的 寄存器阵列。 数据包线> 算术逻辑 寄存器 单元 阵列 地址总线> 控制器 控制地级 图2.1CPU内部结构 上面描述的只是CPU的最基本组成，现在一般意义的CPU内部包含的内容比这要丰 富得多，如可能集成了cache(高速缓存)、中断控制器、动态RAM控制器、PCI总线控 制器等，甚至一个芯片内集成了多个处理器核。 2.1.4 Big endian Little endian 在计算机中，内存可寻址的最小存储单位是字节。多字节数存放在内存时存在字节顺 序的问题，既高位字节在前，还是低位字节在前？不同的处理器采取的字节顺序可能不一 样，Motorola的PowerPC系列CPU和Intel的x86系列CPU是两个不同字节顺序的典型 代表。PowerPC系列中低地址存放最高有效字节，既所谓用Big endian方式：x86系列中 如发现错误请指正：xuduanquan(@126.com
如发现错误请指正：xuduanquan@126.com 2) 开发时间短 开发一个结构简洁的处理器在人力、物力上的投入要更少，整个开发工作的开发时间 更易于预测可控制。 3) 性能高 在 CISC 处理器中，一些复杂的操作有专用的指令，对于单个的操作使用专用指令可 以提高处理效率，但复杂指令的使用降低了所有其它指令的执行效率。完成同样功能的程 序时，RISC 处理器需要更多的指令，但 RISC 单个指令执行效率高，而且 RISC 处理器容 易实现更高的工作频率，从来使整体性能得到提高。RISC 处理器的性能上的优点在处理 器发展的实践中得到验证。 目前，通用计算机，如个人电脑、服务器等大多采用 CISC 结构的 x86 处理器，随着 技术的发展，新的 x86 处理器融合了 RISC 的特性。在嵌入式处理器中，RISC 技术则得 到普遍的应用，如 MIPS 处理器、ARM 处理器等。 2．1．3 CPU 结构 （分两类： 冯 哈佛） CPU 典型组成部分包括运算器、控制器、寄存器阵列及连接各个部分的内部总线，如 图 2.1 所示。 运算器包括算术逻辑单元、累加器、暂存器及标志寄存器等，完成加、减、乘、除四 则运算及各种逻辑运算。 控制器由指令寄存器、指令译码器、控制逻辑电路组成，完成 CPU 的全部控制功能。 CPU 从存储器取出指令，通过数据总线存入指令寄存器，然后由指令译码器对指令进行译 码。译码产生的结果与时钟信号配合，在控制逻辑电路中产生各种操作所必须的控制信号。 控制信号经由控制总线送到微处理器系统的其它功能部件中，以便执行各种操作。 CPU 在操作过程中需要获取数据并产生一些新数据，为了提高 CPU 的速度，在 CPU 内部设计一组临时存储器单元，用于操作数据及中间结果的存放与转移，这就是 CPU 的 寄存器阵列。 算术逻辑 单元 算术逻辑 单元 控制器 控制器 寄存器 阵列 寄存器 阵列 数据总线 地址总线 控制总线 图 2.1 CPU 内部结构 上面描述的只是 CPU 的最基本组成，现在一般意义的 CPU 内部包含的内容比这要丰 富得多，如可能集成了 cache（高速缓存）、中断控制器、动态 RAM 控制器、PCI 总线控 制器等，甚至一个芯片内集成了多个处理器核。 2．1．4 Big endian 和 Little endian 在计算机中，内存可寻址的最小存储单位是字节。多字节数存放在内存时存在字节顺 序的问题，既高位字节在前，还是低位字节在前？不同的处理器采取的字节顺序可能不一 样， Motorola 的 PowerPC 系列 CPU 和 Intel 的 x86 系列 CPU 是两个不同字节顺序的典型 代表。PowerPC 系列中低地址存放最高有效字节，既所谓用 Big endian 方式；x86 系列中
则低地址存放最低有效字节，既所谓Little endian方式。 图2.2更清楚地说明Big endian和Little endian的区别。对于一个l6进制4字节数 0x12345678,其最高有效字节是0x12,最低有效字节是0x78,存储的起始地址是0。Big endian存储方式里，最高有效字节是Oxl2存放在最低地址处，而Little endian存储方式里 最低地址处存放的是最低有效字节0x78。 嵌入式系统开发中，字节序的差异可能带来软件兼容性问题，需要特别注意。在很多 嵌入式处理中，Big endian和Little endian两种模式都可以支持，需要对处理器设置相应 工作模式。 字节地址 00 01 02 03 字节 0x12 0x34 0x56 0x78 (a)Big endian字节序的字节存储方式 字节地址 00 01 02 03 字节 0x78 0x56 0x34 0x12 (a)Big endian字节序的字节存储方式 图2.2不同字节序的多字节数存储方式 2.1.5影响CPU性能的因素 影响CPU性能的因素有很多，主要有以下几种： 1)CPU的字长，也就是CPU内部总线的宽度，字长有4位、8位、16位、32位、 64位等类型，一般字长越大，性能越强 2) 指令效率与单指令执行所需要的时间 3)CPU的系统架构， 2.2嵌入式处理器分类 参照通用计算机与嵌入式系统的分类，可以将微处理器分为通用处理器与嵌入式处理 器两类。 通用处理器以x86体系结构的产品为代表，基本为Intel和AMD两家公司所垄断。通 用处理器针对通用计算机的需要进行设计，追求更快的计算速度、更大的数据吞吐率，从 8位、16位、32位、到64位一代代发展过来。通用处理器也可能应用在一些需要很高计 算性能的嵌入式系统中，如在一些PCl04、Compact PCI的主控板上可见到Celoron、Pentium 处理器，这是通用计算机技术在嵌入式领域的一种应用。 在整个嵌入式领域，通用处理器的应用只是凤毛麟角，真正的主角当然是各色嵌入式 处理器。因为嵌入式系统有应用针对性的特点，不同的系统对处理器要求千差万别，所以 嵌入式处理器种类繁多，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的种类已经超过1000种， 流行的体系结构有30多个。 所有嵌入式处理器中，8051体系的占有多半，生产8051单片机的半导体厂家有20 多个，共350多种衍生产品。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多 的公司有自己的处理器设计部门。 嵌入式系统中的处理器可以分成下面几类。 ●嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU) 如发现错误请指正：xuduanquan(@126.com
如发现错误请指正：xuduanquan@126.com 则低地址存放最低有效字节，既所谓 Little endian 方式。 图 2.2 更清楚地说明 Big endian 和 Little endian 的区别。对于一个 16 进制 4 字节数 0x12345678，其最高有效字节是 0x12，最低有效字节是 0x78，存储的起始地址是 0。Big endian 存储方式里，最高有效字节是 0x12 存放在最低地址处，而 Little endian 存储方式里 最低地址处存放的是最低有效字节 0x78。 嵌入式系统开发中，字节序的差异可能带来软件兼容性问题，需要特别注意。在很多 嵌入式处理中， Big endian 和 Little endian 两种模式都可以支持，需要对处理器设置相应 工作模式。 字节地址 00 01 02 03 字节 0x12 0x34 0x56 0x78 (a) Big endian 字节序的字节存储方式 字节地址 00 01 02 03 字节 0x78 0x56 0x34 0x12 (a) Big endian 字节序的字节存储方式 图 2.2 不同字节序的多字节数存储方式 2．1．5 影响 CPU 性能的因素 影响 CPU 性能的因素有很多，主要有以下几种： 1) CPU 的字长，也就是 CPU 内部总线的宽度，字长有 4 位、8 位、16 位、32 位、 64 位等类型，一般字长越大，性能越强 2) 指令效率与单指令执行所需要的时间 3) CPU 的系统架构， 2．2 嵌入式处理器分类 参照通用计算机与嵌入式系统的分类，可以将微处理器分为通用处理器与嵌入式处理 器两类。 通用处理器以 x86 体系结构的产品为代表，基本为 Intel 和 AMD 两家公司所垄断。通 用处理器针对通用计算机的需要进行设计，追求更快的计算速度、更大的数据吞吐率，从 8 位、16 位、32 位、到 64 位一代代发展过来。通用处理器也可能应用在一些需要很高计 算性能的嵌入式系统中，如在一些 PC104、Compact PCI 的主控板上可见到 Celoron、Pentium 处理器，这是通用计算机技术在嵌入式领域的一种应用。 在整个嵌入式领域，通用处理器的应用只是凤毛麟角，真正的主角当然是各色嵌入式 处理器。因为嵌入式系统有应用针对性的特点，不同的系统对处理器要求千差万别，所以 嵌入式处理器种类繁多，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的种类已经超过 1000 种， 流行的体系结构有 30 多个。 所有嵌入式处理器中，8051 体系的占有多半，生产 8051 单片机的半导体厂家有 20 多个，共 350 多种衍生产品。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多 的公司有自己的处理器设计部门。 嵌入式系统中的处理器可以分成下面几类。 z 嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）
嵌入式微处理器字长一般为l6位或32位，Intel、AMD、Motorola、ARM等公司提 供很多这样的处理器产品。嵌入式微处理器通用性比较好、处理能力较强、可扩展性好、 寻址范围大、支持各种灵活的设计，且不限于某个具体的应用领域。 在应用中，嵌入式微处理器需要在芯片外配置RAM和ROM,根据应用要求往往要扩 展一些外部接口设备，如网络接口、GPS、AD接口等。嵌入式微处理器及其存储器、总 线、外设等安装在一块电路板上，称之为单板计算机。 嵌入式微处理器在通用性上有点类似通用处理器，但前者在功能、价格、功耗、芯片 封装、温度适应性、电磁兼容方面更适合嵌入式系统应用要求。 嵌入式处理器有很多种类型，如xScale、Geode、Power PC、MIPS、ARM等处理器 系列。 ●嵌入式微控制器(Microcontroller Unit,MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，已经经历了近30年的发展历史，目前在嵌入式系统中 仍然有着极其广泛的应用。这种处理器内部集成RAM、各种非易失性存储器、总线控制 器、定时/计数器、看门狗、VO、串行口、脉宽调制输出、AWD、DA等各种必要功能和外 设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是将计算机最小系统所需要的部件及一 些应用需要的控制器/外部设备集成在一个芯片上，实现单片化，使得芯片尺寸大大减小， 从而使系统总功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适 合于控制，因此称微控制器。MCU品种丰富、价格低廉，目前占嵌入式系统约70%以 上的市场份额。 ●嵌入式DSP(Embedded Digital Signal Processor,EDSP) 在数字化时代数字信号处理是一门应用广泛的技术，如数字滤波、FFT、谱分析、语 音编码、视频编码等、数据编码、雷达目标提取等等，传统微处理器在进行这类计算操作 时的性能较低，专门的数字信号处理芯片一一DSP也就应运而生，DSP的系统结构和指 令系统针对数字信号处理进行了特殊设计，因而在执行相关操作时具有很高的效率。 在应用中，DSP总是完成某些特定的任务，硬件和软件需要为应用进行专门定制，因 此DSP是一种嵌入式处理器。 ●嵌入式片上系统(System On Chip,SOC) 某一类特定的应用对嵌入式系统的性能、功能、接口有相似的要求，针对嵌入式系统 的这个特点，利用大规模集成电路技术将某一类应用需要的大多数模块集成在一个芯片 上，从而在芯片上实现一个嵌入式系统大部分核心功能，这种处理器就是$OC。 $OC把微处理器和特定应用中常用的模块集成在一个芯片上，应用时往往只需要在 $OC外部扩充内存、接口驱动、一些分立元件及供电电路就可以构成一套实用的系统，极 大地简化了系统设计的难度，同时还有利于减小电路板面积、降低系统成本、提高系统可 靠性。$OC是嵌入式处理器的一个重要发展趋势。 嵌入式微控制器和SOC都具有高集成度的特点，将计算机小系统的全部或大部分集 成在单个芯片中，有些文献将嵌入式微控制器归为$OC。本书为了更清晰地描述，将内部 集成了RAM和ROM存储器、主要用于控制的单片机称为微控制器，而所说的SOC则没 有内置的存储器，以嵌入式微处理器为核心、集成各种应用需要的外部设备控制器，具有 较强的计算性能。 2.3嵌入式处理器特点 嵌入式处理器针对嵌入式系统特殊需要设计，相对通用处理器具有以下特点： )嵌入式处理器种类繁多、功能多样、性能跨度大 如发现错误请指正：xuduanquan@126.com
如发现错误请指正：xuduanquan@126.com 嵌入式微处理器字长一般为 16 位或 32 位，Intel、AMD、Motorola、ARM 等公司提 供很多这样的处理器产品。嵌入式微处理器通用性比较好、处理能力较强、可扩展性好、 寻址范围大、支持各种灵活的设计，且不限于某个具体的应用领域。 在应用中，嵌入式微处理器需要在芯片外配置 RAM 和 ROM，根据应用要求往往要扩 展一些外部接口设备，如网络接口、GPS、A/D 接口等。嵌入式微处理器及其存储器、总 线、外设等安装在一块电路板上，称之为单板计算机。 嵌入式微处理器在通用性上有点类似通用处理器，但前者在功能、价格、功耗、芯片 封装、温度适应性、电磁兼容方面更适合嵌入式系统应用要求。 嵌入式处理器有很多种类型，如 xScale、Geode、Power PC、MIPS、ARM 等处理器 系列。 z 嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU） 嵌入式微控制器又称单片机，已经经历了近 30 年的发展历史，目前在嵌入式系统中 仍然有着极其广泛的应用。这种处理器内部集成 RAM、各种非易失性存储器、总线控制 器、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A 等各种必要功能和外 设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是将计算机最小系统所需要的部件及一 些应用需要的控制器/外部设备集成在一个芯片上，实现单片化，使得芯片尺寸大大减小， 从而使系统总功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适 合于控制，因此称微控制器。 MCU 品种丰富、价格低廉，目前占嵌入式系统约 70％以 上的市场份额。 z 嵌入式 DSP（Embedded Digital Signal Processor， EDSP） 在数字化时代数字信号处理是一门应用广泛的技术，如数字滤波、FFT、谱分析、语 音编码、视频编码等、数据编码、雷达目标提取等等，传统微处理器在进行这类计算操作 时的性能较低，专门的数字信号处理芯片——DSP 也就应运而生，DSP 的系统结构和指 令系统针对数字信号处理进行了特殊设计，因而在执行相关操作时具有很高的效率。 在应用中，DSP 总是完成某些特定的任务，硬件和软件需要为应用进行专门定制，因 此 DSP 是一种嵌入式处理器。 z 嵌入式片上系统（System On Chip，SOC） 某一类特定的应用对嵌入式系统的性能、功能、接口有相似的要求，针对嵌入式系统 的这个特点，利用大规模集成电路技术将某一类应用需要的大多数模块集成在一个芯片 上，从而在芯片上实现一个嵌入式系统大部分核心功能，这种处理器就是 SOC。 SOC 把微处理器和特定应用中常用的模块集成在一个芯片上，应用时往往只需要在 SOC 外部扩充内存、接口驱动、一些分立元件及供电电路就可以构成一套实用的系统，极 大地简化了系统设计的难度，同时还有利于减小电路板面积、降低系统成本、提高系统可 靠性。SOC 是嵌入式处理器的一个重要发展趋势。 嵌入式微控制器和 SOC 都具有高集成度的特点，将计算机小系统的全部或大部分集 成在单个芯片中，有些文献将嵌入式微控制器归为 SOC。本书为了更清晰地描述，将内部 集成了 RAM 和 ROM 存储器、主要用于控制的单片机称为微控制器，而所说的 SOC 则没 有内置的存储器，以嵌入式微处理器为核心、集成各种应用需要的外部设备控制器，具有 较强的计算性能。 2．3 嵌入式处理器特点 嵌入式处理器针对嵌入式系统特殊需要设计，相对通用处理器具有以下特点： 1) 嵌入式处理器种类繁多、功能多样、性能跨度大