基于 入式系統(tǒng)的通用設(shè)計與實現(xiàn) 摘要 I 摘要 隨著移動設(shè)備的流行和發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為一個熱點。它并不是最近出現(xiàn)的新技術(shù)，只是隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，微控制芯片功能越來越大，而嵌入微控制芯片的設(shè)備和系統(tǒng)越來越多，從而使得這種技術(shù)越來越引人注目。它對軟硬件的體積大小、成本、功耗和可靠性都提出了嚴格的要求。嵌入式系統(tǒng)的功能越來越強大，實現(xiàn)也越來越復(fù)雜，隨之出現(xiàn)的就是可靠性大大降低。最近的一種趨勢是一個功能強大的嵌入式系統(tǒng)通常需要一種操作系統(tǒng)來 給予支持，這種操作系統(tǒng)是已經(jīng)成熟并且穩(wěn)定的，可以是嵌入式的 等。 相應(yīng)地，這也給處理器提出了要求。當今，眾多的半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于 系結(jié)構(gòu)的通用微處理芯片， 術(shù)已經(jīng)在當今的嵌入式微處理器領(lǐng)域中占據(jù)了它的領(lǐng)先地位。究其原因，它的精簡指令構(gòu)架為主又不放棄與復(fù)雜指令平衡的設(shè)計，使得在獲得高性能的同時又能做到低功耗。 本文所要研究的就是基于 入式系統(tǒng)通用 設(shè)計與實現(xiàn)。 的基本作用就是加載內(nèi)核 鏡像。 在實踐平臺上，本課題硬件上采用了 列的 為處理器， 5架兼容的，因此具有一定的代表性，并以此來搭建課題的硬件實踐平臺，軟件上以 為操作系統(tǒng)。而在具體的實現(xiàn)上目標是除了實現(xiàn) 基本功能外，還將它實現(xiàn)成一個更加復(fù)雜的系統(tǒng)，即增加對硬件電路板的支持，以方便開發(fā)人員進行調(diào)試以及開發(fā)。因此，本文重點闡述了實踐上具體的設(shè)計，具體的實現(xiàn)以及簡單評估了它的作用。 最后，對實現(xiàn)的 行了擴展：即在闡明 入式系統(tǒng)中 紹了如何對其他 統(tǒng)進行移植，以做到通用性。 關(guān)鍵詞 ：嵌入式系統(tǒng) 目錄 摘要 . I . 錯誤 !未定義書簽。 目錄 . 言 . 1. 背景 . 2. 主要研究工作 . 3. 主要內(nèi)容 . 第一章 介 . 介 . 理器介紹 . 理器的優(yōu)勢特點 . 令集 . 低功耗 . 第二章 系結(jié)構(gòu)介紹 . 述 . 編程模型介紹 . 理器模式 . 存器組介紹 . 儲系統(tǒng) . 令集介紹 . 系的異常中斷 . 小系統(tǒng)描述 . 統(tǒng)構(gòu)架 . 紹 . 第三章 概念 . 基本概念 . 操作模式 . 概念擴展 . 共性 . 第四章 設(shè)計與實現(xiàn) . 研究的平臺環(huán)境 . 硬件平臺 . 軟件環(huán)境以及軟件開發(fā)工具 . 總體設(shè)計 . 階段設(shè)計 . 地址規(guī)劃設(shè)計 . 模式設(shè)計 . 具體實現(xiàn) . 階段 1 的代碼實現(xiàn) . 階段 2 的代碼實現(xiàn) . 目錄 代碼的編譯 . 目標文件的鏈接與轉(zhuǎn)換 . 代碼組織結(jié)構(gòu) . 使用操作 . 第五章 實驗結(jié)果與測評 . 實驗結(jié)果 . 基本功能的實現(xiàn)結(jié)果 . 擴展功能的實現(xiàn)結(jié)果 . 程序性能 . 擴展功能的功能性測試數(shù)據(jù) . 程序的可移植性 . 第六章 總結(jié)與展望 . 緒言 緒言 1. 研究背景 隨著人民生活水平提高帶來巨大的消費需求、信息化進程的推進、電信運營業(yè)的發(fā)展，信息產(chǎn)業(yè)市場空間將得到進一步拓展。在 這良好的經(jīng)濟環(huán)境下，嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到進一步的拓寬與發(fā)展。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可剪裁來適應(yīng)系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)和各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，它是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在信息終端、工業(yè)控制和信息家電等領(lǐng)域。 在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中，嵌入式軟件是實現(xiàn)各種系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，也是計算機技術(shù)最活躍的研究方向之一。不同應(yīng)用對嵌入式軟件系統(tǒng) 有不同的要求，并且隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，這些要求也在不斷變化。通常，應(yīng)用系統(tǒng)對嵌入式軟件的基本要求是體積小、執(zhí)行速度快、具有較好的可剪裁性和可移植性。特別地，現(xiàn)在對嵌入式軟件來說，都需要操作系統(tǒng)的支持。簡單的嵌入式系統(tǒng)根本沒有操作系統(tǒng)，而只是一個控制循環(huán)。但是，當系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜時，就需要一個嵌入式操作系統(tǒng)來支持，否則應(yīng)用軟件就會變得過于復(fù)雜，使開發(fā)難度過大，安全性和可靠性都難以保證。 嵌入式軟件，特別是操作系統(tǒng)的支持，使得對硬件的要求越來越高。針對嵌入式系統(tǒng)的各種微處理器遍布各個角落。特別是采用 術(shù) 的各種微處理器遍及各類產(chǎn)品市場。 術(shù)以其較高的性能和功效，使得在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于 系結(jié)構(gòu)的通用芯片，如 。目前， 片廣泛應(yīng)用于無線產(chǎn)品、 絡(luò)、消費電子產(chǎn)品、 智能卡。應(yīng)該說， 處不在。 隨著嵌入式產(chǎn)品中高端微處理器 加入以及軟件上操作系統(tǒng)的支持，使得整個嵌入式系統(tǒng)擁有了完整的構(gòu)架?，F(xiàn)在，專門為嵌入式產(chǎn)品開發(fā)的各個操作 系統(tǒng)層出不窮，E， C， 等，各界關(guān)注地也特別多。然而，如何進行加載操作系統(tǒng)這個問題卻很少有人提出。這就產(chǎn)生了另一個相關(guān)主題 身的功能就是引導(dǎo)與加載內(nèi)核鏡像。如何實現(xiàn) 基本功能，如何針對基于 系的微處理器來實現(xiàn) 成為本課題的一個基本論題。，除了基本功能， 屬于本課題討論的范疇。 2. 主要研究工作 本文的題目 盡管涉及到 統(tǒng)，但是，由于 特殊性以及個別性，即具體的處理器以及具體的硬件系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，需要實際的完整硬件系統(tǒng)支持，而基于 系的芯片實在太多，每款芯片除了具有基本的 系結(jié)構(gòu)的通性外，通常還具有各自獨特的特性，還需分別處理。因此，在真正的開發(fā)環(huán)節(jié)上，本課題主要基于 系構(gòu)架的 理器， 身是與 5架兼容的，因此很具有代表性，并由此在理論上擴展到整個 統(tǒng)。 第 頁 共 56 頁 在實現(xiàn)過程中具體研究開發(fā)如 下： 選擇基于 架的 片作為處理器，并以此構(gòu)建一套硬件開發(fā)系統(tǒng) 與實際項目接軌，選擇 為系統(tǒng)的操作系統(tǒng) 在上述軟硬件開發(fā)系統(tǒng)上實現(xiàn)基于 基本功能，即引導(dǎo)加載內(nèi)核鏡像的功能 在實現(xiàn) 本功能的基礎(chǔ)上，增加 擴展功能，包括：通過串口打印調(diào)試信息、通過串口更新鏡像、通過 口更新鏡像、實現(xiàn) 擦寫操作支持 在 構(gòu) 架基礎(chǔ)上在理論上擴展到 統(tǒng)，分析對于 統(tǒng)，現(xiàn)的一些共性以及一些限制 分析對于實現(xiàn) 植到其他 臺的相關(guān)處理 3. 主要內(nèi)容 根據(jù)所涉及的主要研究工作，本文的內(nèi)容主要包括一下幾個部分：第一章簡要敘述 接著第二章則詳細描述了 體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)并在此基礎(chǔ)上簡單的描述了一下 相關(guān)結(jié)構(gòu)；第三章的內(nèi)容是介紹概念，并專門針對 行了詳細說明；第四章在首 先介紹軟硬件平臺之后詳細介紹了 實現(xiàn)，包括基本功能，擴展功能等，以及軟件上的編譯連接的實現(xiàn)，代碼組織結(jié)構(gòu)等；第五章針對第四章的實現(xiàn)，對結(jié)果進行分析以及擴展功能的一些數(shù)據(jù)測試，以及如何在實現(xiàn)的 礎(chǔ)上進行移植；最后一章進行一下總結(jié)與展望。 第一章， 簡單闡述 發(fā)展，基于 系的各類主流處理器以及 優(yōu)勢特點。 第二章， 詳細描述了 體系結(jié)構(gòu)，包括 程模型方面的內(nèi)容，簡單介紹了 小系統(tǒng)的組成以及硬件系統(tǒng)相關(guān)的 理器的介紹。 第三章， 闡述 一些基本概念以及 一些共性。 第四章， 簡單介紹了其實現(xiàn)的軟硬件平臺，詳細介紹了基于 理器的本功能的實現(xiàn)以及擴展功能的實現(xiàn)以及軟件上編譯連接的處理。 第五章， 實驗結(jié)果的一些分析與測評，包括一些測試數(shù)據(jù)以及程序的穩(wěn)定性與可移植性、剪裁性的分析。 第六章， 總結(jié)與展望。 第一章 介 嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器。目前據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過 1000 多種，流行體系結(jié)構(gòu)有 30 多個系列。嵌入式微處理目前主要 有 8、 386C、 列等。 其中， 一種今年來在嵌入式系統(tǒng)中有著強大影響力的微處理器設(shè)計商和制造商，設(shè)計非常適合與小的電源供電系統(tǒng)。特別是，隨著近年來，微處理器結(jié)構(gòu)由 簡指令集）全面取代傳統(tǒng)的 雜指令集），因為 著名的 擁護者。 介 既可以認為是一個公司的名字，也可以是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字 。 1991 年 司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用 的微處理器，即通常我們所說的 處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于 術(shù)的微處理應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 處理器 75以上的市場份額， 術(shù)正在逐步滲入我們生活的各個方面。 司是專門從事基于 術(shù)芯片設(shè)計開發(fā)的公司，作為知識產(chǎn)權(quán)供應(yīng)商，本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作公司生長各具特色的芯片。世界各大半導(dǎo)體生產(chǎn)商從 司購買其設(shè)計的 處理器核，根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，加入適當?shù)耐鈬娐?，從而形成自己?處理器芯片進入市場。目前，全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用 司的授權(quán)，因此既使得 術(shù)獲得更多的第三方工具、制造、軟件的支持，又使得整個系統(tǒng)成本降低，使產(chǎn)品更容易進入市場被消費者所接受，更具有競爭力。 理器介紹 理器目前包括下面幾個系列的處理器產(chǎn)品以及其他廠商實現(xiàn)的基于 系結(jié)構(gòu)的處理器： 列、 列、 列、 列、 列、 列、 列。 系有變種，也就是說有些版本具備特定功能，在各個版本的版本號上可以體現(xiàn)出來，說明如下 5： T： 支持 16 位 壓縮指令集 D： 支持片上 M：內(nèi)嵌硬件乘法器（ ，增加用于長乘法操作的指令； I： 嵌入式 持片上斷點和調(diào)試點； E：增強型 令； 架誕生至今，已經(jīng)產(chǎn)生了多次變革，每一次都帶來性能上的極大飛躍，其過程包括： 第 頁 共 56 頁 架（ 基本 的數(shù)據(jù)處理指令（無乘法） 字節(jié)、半字和字的 令 轉(zhuǎn)移指令，包括子程序的調(diào)用和鏈接指令 軟件中斷指令 尋址空間 64 架（ 增加乘法和乘法指令 增加支持協(xié)處理器的操作 增加快速中斷模式 增加 存儲器和寄存器交換指令 架（ 增加了 令，訪問新增的 存器 增加了異常處理返回 尋址空間 4 架（ 增加符號化和非符號化半字及符號化字節(jié)的存取 指令 增加 16 位的 令 完善軟件中斷 令 架（ 帶有鏈接和交換的轉(zhuǎn)移 令 計數(shù)前導(dǎo)零 令 斷指令 增加了一些信號處理的指令 架 增加了 能擴展，為包括音頻 /視頻處理在內(nèi)的應(yīng)用系統(tǒng)提供優(yōu)化功能 接下來就簡要介紹一下各主要系列處理器的特點。 （ 1） 處理器系列 5 列微處理器為低功耗的 32 位 理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng) 用。 處理器系列具有如下特點： 具有嵌入 式 輯，調(diào)試開發(fā)方便。 極低的功耗，適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。 能夠提供 三級流水線結(jié)構(gòu)。 代碼密度高并兼容 16 位的 令集。 對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括 E、 S 等。 指令系統(tǒng)與 列、 列和 列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級 。 主頻最高可達 130速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。 列微處理器的主 要應(yīng)用領(lǐng)域為：工業(yè)控制、 備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用 。 列微處理器包括如下幾種類型的核： 中， 目前使用最廣泛的 32 位嵌入式 理器，屬低端 （ 2） 處理器系列 5 列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。具有以下特點 ： 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 提供 哈佛結(jié)構(gòu) 。 支持 32 位 令集和 16 位 令集。 支持 32 位的高速 線接口。 全性能的 持 E、 S 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 持實時操作系統(tǒng)。 支持數(shù)據(jù) 指令 有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 列微處理器主要應(yīng)用于無線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字攝像機等。 列微處理器包含 種類 型，以適用于不同的應(yīng)用場合。 （ 3） 處理器系列 5 列微處理器為可綜合處理器，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、 用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復(fù)雜程度。 列微處理器提供了增強的 理能力，很適合于那些需要同時使用 微控制器的應(yīng)用場合。 列微處理器的主要特點如下： 支持 令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。 5 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 支持 32 位 令集和 16 位 令集。 支持 32 位的高速 線接口。 支持 點處理協(xié)處理器。 全性能的 持 E、 S 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 持實時操作系統(tǒng)。 支持數(shù)據(jù) 指令 有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力。 主頻最高可達 300 列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、存儲設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等領(lǐng)域。 列微處理器包含 種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。 （ 4） 處理器系列 5 列微處理器具有高性能、低功耗的特點，由于采用了新的體系結(jié)構(gòu)，與同等的 件相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近 50，同時， 列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低。 列微處理器的主要特點如下： 支持 令集，適合于需要高速數(shù)字信號處理的場合。 6 級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高。 支持 32 位 令集和 16 位 令集。 支持 32 位的高速 線接口。 支持 點處理協(xié)處理器。 全性能的 持 E、 S 等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)。 第 頁 共 56 頁 支持數(shù)據(jù) 指令 有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力 主頻最高可達 400 內(nèi)嵌并行讀 /寫操作部件。 列微處理器主要應(yīng)用于下一代無線設(shè)備、數(shù)字消費品、成像設(shè)備、工業(yè)控制、通信和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。 列微處理 器包含 種類型，以適用于不同的應(yīng)用場合。 （ 5） 處理器系列 理器是采用 系結(jié)構(gòu)高度集成的 32 位 處理器。它融合了 司的設(shè)計和處理技術(shù)以及 系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容 系結(jié)構(gòu)、同時采用具有 術(shù)優(yōu)點的體系結(jié)構(gòu)。 理器是便攜式通訊產(chǎn)品和消費類電子產(chǎn)品的理想選擇，已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列 產(chǎn)品 （ 6） 處理器系列 有關(guān) 處理器系列，會在后面相關(guān)篇幅中進行介紹。 理器的優(yōu)勢特點 采用 構(gòu)的 處理器一般具有如下特點： 1 體積小、低功耗、低成本、高性能； 2 支持 16 位） /32 位）雙指令集，能很好地兼容 8/16 位器件； 3 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快； 4 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成； 5 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高； 6 指令長度固定； 理器之所以能夠廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，與以上所列的各個特點密切 相關(guān)，綜合起來，主要包括以下幾點。 令集 傳統(tǒng)的 雜指令集計算機）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點，即隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而不斷引入新的復(fù)雜的指令集，為支持這些新增的指令，計算機的體系結(jié)構(gòu)會越來越復(fù)雜，然而，在 令集的各種指令中，其使用頻率卻相差懸殊，大約有 20的指令會被反復(fù)使用，占整個程序代碼的 80。而余下的 80的指令卻不經(jīng)常使用，在程序設(shè)計中只占 20，顯然，這種結(jié)構(gòu)是不太合理的。 基于以上的不合理性 ， 1979 年美國加州大學伯克利分校提出了 簡指令集計算機）的概念， 非只是簡單地去減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理地提高運算速度上。 構(gòu)優(yōu)先選取使用頻 率 最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長度固定，指令格式和 尋址 方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。 到目前為止， 系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義，一般認為， 系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有 如下特點： 采用固定長度的 指令格式，指令歸整、簡單、基本尋址方式有 2 3 種。 使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行。 大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對寄存器進行操作，只有加載 / 存儲指令可以訪問存儲器，以提高指令的執(zhí)行效率。 要使用 32 位的 令，但是指令代碼利用率低， 了彌補此不足，在新型 架（ 本以上）定義了 16 位的 令集。 令集比通常的8 位和 16 位 理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加 6，可使程序存儲器更小。 另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字 信號的處理， 理器在 基礎(chǔ)上增加了許多原屬 中的關(guān)鍵部件。雙核協(xié)同工作，各用所長，有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力核傳輸速度，但是 立的雙核結(jié)構(gòu)存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩，為此發(fā)展了兩核融合在一起的單核結(jié)構(gòu)，同時將指令集也合二為一，簡化編程提高效率，將 升到可快速運算多媒體的算法，實現(xiàn)許多音視頻的解碼功能。 低功耗 由于 構(gòu)的處理器主要用于手持式嵌入式系統(tǒng)之中，因此 架在設(shè)計中十分注意低電壓、低功耗這一點，因而在手持式嵌入式系統(tǒng)得到 廣泛的應(yīng)用。 構(gòu)的設(shè)計采用了以下一些措施： 降低電源電壓 減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當某個功能電路不需要時，禁止門翻轉(zhuǎn) 減少門的數(shù)目，即降低芯片的集成度 降低時鐘頻率 其他采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積： 所有的指令都可以根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率； 可用加載 /存儲指令批量傳輸數(shù)據(jù)，以提高數(shù)據(jù)的傳輸效率； 可在一條數(shù)據(jù)處理指令中同時完成邏輯處理和移位處理； 在循環(huán)處理中使用地址的自動增減來提高運行效率； 低功耗，使得 專門針對嵌入式系統(tǒng)的處理器市場中始終處于有利的地位。一組典型數(shù)據(jù)是：對于 列處理器，當核電壓是 ，每 第 頁 共 56 頁 第二章 系結(jié)構(gòu)介紹 在介紹具體的 實現(xiàn)之前，首先介紹一下 體系結(jié)構(gòu)，因為與處理器芯片緊密相連的。為了更好的在后面篇幅中介紹實現(xiàn)，先簡單介紹相關(guān)的體系結(jié)構(gòu)以及相關(guān)指令集。 述 盡管本本文實現(xiàn)主要涉及軟件上的開 發(fā)，但是軟件上代碼的實現(xiàn)更多的都涉及芯片構(gòu)架，因此在這里簡要介紹一下一般 架。 下圖所示的是 架圖。它由 32 位 干個 32 位通用寄存器以及狀態(tài)寄存器、 32 8 位乘法器、 32 32 位桶形移位寄存器、指令譯碼以及控制邏輯、指令流水線和數(shù)據(jù) /地址寄存器組成。 1 有兩個操作數(shù)鎖存器、加法器、邏輯功能、結(jié)果以及零檢測邏輯構(gòu)成。 2 桶形移位寄存器： 用了 32 32 位的桶形移位寄存器，這樣可以使在左移 /右移 n 位、環(huán)移 n 位和算術(shù)右移 n 位等都可以一次完成。 3 高速乘法器：乘法器一般采用“ 加一移位”的方法來實現(xiàn)乘法。 了提高運算速度，則采用兩位乘法的方法，根據(jù)乘數(shù)的 2 位來實現(xiàn)“加一移位”運算 ； 2 8 位的結(jié)構(gòu)，這樣，可以降低集成度（其相應(yīng)芯片面積不到并行乘法器的 1/3）。 4 浮點部件：浮點部件是作為選件供 架使用。 點加速器是作為協(xié)處理方式與 連，并通過協(xié)處理指令的解釋來執(zhí)行。 5 控制器： 控制器采用的是硬接線的可編程邏輯陣列 6 寄存器：具體的介紹參考下節(jié)的相關(guān)介紹。 不同的 能還有所不同。因此，圖 描述的僅僅針對一般而言。 系結(jié)構(gòu)介紹 A31:0 控制 增值器 寄存器堆 A L U 總 乘法器 線 線 總 A 桶式 B 移位器 總 線 據(jù)輸出寄存器 數(shù)據(jù)輸入寄存器 D31:0 圖 架圖 地址寄存 器 指令譯碼及控制 第 頁 共 56 頁 編程模型介紹 對于 程，需要了解的一下幾個方面： 理器模式 理器共有 7 種運行模式，如表 所示： 表格 了用戶模式之外的其他 6 種處理器模式稱為特權(quán)模式（ 在這些模式下，程序可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以任意地進行處理器模式的切換。其中，除系統(tǒng)模式外，其他 5 種特權(quán)模式又稱為異常模式。 處理器模式可以通過軟件控制進行切換，也可以通過外部中斷或異常處理過程進行切換。大多數(shù)的用戶程序運行 在用戶模式下，這時，應(yīng)用程序不能夠訪問一些受操作系統(tǒng)保護的系統(tǒng)資源，應(yīng)用程序也不能直接進行處理器模式的切換。當需要進行處理器模式的切換時，應(yīng)用程序可以產(chǎn)生異常處理，在異常處理過程中進行模式的切換。這種體系結(jié)構(gòu)可以使操作系統(tǒng)控制整個系統(tǒng)的資源。 當應(yīng)用程序發(fā)生異常中斷時，處理器進入相應(yīng)的異常模式。在每一種異常模式中都有一組寄存器，供相應(yīng)的異常處理程序使用，這樣就可以保證在進入異常模式時，用戶模式下的寄存器（保證了程序運行狀態(tài)）不被破壞。 系統(tǒng)模式并不是通過異常過程進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器。但是 系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進行處理器模式的切換。它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用。通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時該任務(wù)仍然使用用戶模式下的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當異常中斷發(fā)生時任務(wù)狀態(tài)不被破壞 6。 存器組介紹 理器一般共有 37 個寄存器，其中包括 5： 31 個通用寄存器，包括程序計數(shù)器（ 內(nèi)，這些寄存器都是 32 位寄存器； 6 個狀態(tài)寄存器，這些寄存器也是 32 位寄存器； 上一節(jié)已經(jīng)說過， 理器共有 7 種不同的處理器模式，在每一種處理器模式中有一組相應(yīng)的寄存器。任意時刻（也就是任意的處理器模式下），可見的寄存器包括 15 個通用處理器模式 處理器模式描述 用戶模式（ 正常程序執(zhí)行的模式 快速中斷模式（ 用于高速數(shù)據(jù)傳輸和通道處理 普通中斷模式（ 用于通常的中斷處理 監(jiān)管模式（ 供操作系統(tǒng)使用的一種保護模式 數(shù)據(jù)訪問中止模式（ 用于虛擬存儲及存儲保護 未定義指令中止模式（ 用于支持通過軟件方針硬件的協(xié)處理器 系統(tǒng)模式（ 用于運行特權(quán)級的操作系統(tǒng)任務(wù) 系結(jié)構(gòu)介紹 寄存器（ 一個或者兩個狀態(tài)寄存器以及程序計數(shù)器（ 在所有的寄存器中，有些是各模式共用的同一個物理寄存器；有些寄存器是各模式自己擁有的獨立的物理寄存器。圖 示了各處理器模式下的可見寄存器： 用戶模式和系統(tǒng)模式寄存器組 異常模式下的寄存器組 圖 表 可以看出，通用寄存器 所有的處理器模式下指的都是同一個物理寄存器。 而對于 存器組，除了在快速中斷模式下有自己專有的物理寄存器，其它模式下也共有統(tǒng)一物理寄存器。 存器對應(yīng) 6 個不同的物理寄存器，即除了前面提過的用戶模式與系統(tǒng)模式共用一個寄存器外，其它模式都有相應(yīng)的物理寄存器；一般地， 存器在 通常用作棧指針，在 令中這只是一種習慣的用法，并沒有任何指令強制性的使用 為棧指針。 存器又被稱為連接寄存器（ 在 系中有下面兩種特殊的作用 6： 每一種處理器模式自己的物理 存放當前子程序的返回地址。當通過跳轉(zhuǎn)指令調(diào)用子程序時， 設(shè)置為該子程序的返回地址；在子程序中，把指賦值到程序計數(shù)器 時，子程序返回； 當異常中斷發(fā)生時，該異常模式特定的物理 設(shè)置成該異常模式將要返回的地址，對于有些異常模式， 值可能與將返回的地址有個常數(shù)的偏移量。 1 3 5 7 9 11 13 15(9_10_12_ 14_13_14_13_14_13_14_13_14_ 頁 共 56 頁 程序計數(shù)器 被記作 于 用了流水線機制，當正確讀取了 值時，該值為當前指令地址加 8 個字節(jié)。也就是說 ，對于 令集來