嵌入式_cpu微架构、互连结构与总线
一、cpu微架构
（一）、定义
处理器微架构又称为微体系结构/微处理器体系结构，是在计算机工程中，将一种给
定的 指令集架构在处理器中执行的方法和具体硬件实现方案。
• 一种给定指令集可以在不同的微架构中执行。实施中可能因应不同的设计目的和技
术提升而有所不同。
• 计算机架构是微架构和指令集设计的结合。
（二）、分类
1、X86架构
X86架构是微处理器执行的计算机语言指令集，基于Intel 8086且向后兼容的中央处理器指令集架构，包括Intel 8086、80186、80286、80386以及80486，由于以“86”作为结尾，因此其架构被称为“x86”。
应用领域：个人计算机、服务器等
类别：
IA：Intel（英特尔）处理器的服务器称之为IA（Intel Architecture）架构服务器
IA-32：英特尔32位体系架构，X86从16位到32位是在原有的架构基础上进行修改（Intel称之为IA32）
x86-32：现如今Intel把x86-32称为IA-32
x86-64：
AMD64：x86架构的64位拓展，向后兼容于16位及32位的x86架构。x64于1999年由AMD设计，AMD首次公开64位集以扩展给x86，称为“AMD64”，AMD64和Intel64基本上一致。
Intel64：EM64T（Extended Memory 64 Technology）扩展64bit内存技术，本质上和AMD64一样都是IA-32的增强版本。
IA-64：1999年推出的64位的英特尔安腾架构（Intel Itanium architecture)，不属于X86架构
2、IA-64
64位的英特尔架构，英特尔安腾架构（Intel Itanium architecture），使用在
Itanium处理器家族上的64位指令集架构，由英特尔公司与惠普公司在1999年共同
开发。IA是Intel Architecture（英特尔架构）的缩写，64指64位系统。使用这种
架构的CPU，包括Itanium和Itanium 2。此架构与x86及x86-64并不相容，操作系
统与软件需使用IA-64专用版本。
• intel采用EPIC技术的服务器CPU安腾Itanium（开发代号即Merced）就是IA-64系
列中的第一款。
• IA-64 在很多方面来说，都比x86有了长足的进步。突破了传统IA-32架构的许多限
制，在数据的处理能力，系统的稳定性、安全性、可用性、可管理性等方面获得了
突破性的提高。
• IA-64微处理器最大的缺陷是它们缺乏与x86的兼容，而Intel为了IA-64处理器能够
更好地运行两个朝代的软件，它在IA-64处理器上（Itanium、Itanium2 ……)引入
了x86-to-IA-64的解码器，这样就能够把x86指令翻译为IA-64指令。这个解码器并
不是最有效率的解码器，也不是运行x86代码的最好途径（最好的途径是直接在x86
处理器上运行x86代码），因此Itanium 和Itanium2在运行x86应用程序时候的性能
非常糟糕。这也成为X86-64产生的根本原因。
3、ARM架构
ARM架构：精简指令集机器RISC（Advanced RISC Machine，更早称作：Acorn RISC Machine），是一个32位精简指令集（RISC）处理器架构，广泛地使用在许多嵌入式系统设计。由于节能的特点，ARM处理器非常适用于移动通讯领域，符合其主要设计目标为低耗电的特性。ARM家族占了所有32位嵌入式处理器75%的比例，使它成为占全世界最多数的32位架构之一。
应用领域：手机、PAD、导航系统、网络设备、电脑周边设备（硬盘、桌上型路由器）甚至在导弹的弹载计算机等军用设施中都有他的存在。目前世界上使用最广泛的CPU就是ARM。
ARM架构的特点：
- 体积小，低功耗，低成本，高性能；
- 支持 Thumb （ 16 位） /ARM （ 32 位）双指令集，能很好的兼容8 位 /16 位器件；
- 大量使用寄存器，指令执行速度更快；
- 大多数数据操作都在寄存器中完成；
- 寻址方式灵活简单，执行效率高；
- 指令长度固定；
- 流水线处理方式
- Load_store结构：在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成。而寄存器和内存的通信则
由单独的指令来完成。而在CSIC中，CPU是可以直接对内存进行操作的。
4、PowerPC架构
PowerPC 是一种精简指令集（RISC）架构的中央处理器（CPU），其基本的设计源自IBM（国际商用机器公司）的IBM PowerPC 601 微处理器POWER（Performance Optimized With Enhanced RISC；《IBM Connect 电子报》2007年8月号译为“增强RISC性能优化”）架构。二十世纪九十年代，
IBM(国际商用机器公司)、Apple（苹果公司）和Motorola（摩托罗拉）公司开发PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。
PowerPC 处理器有广泛的实现范围，包括从诸如 Power4 那样的高端服务器 CPU 到嵌入式 CPU 市场（任天堂 Gamecube 使用了 PowerPC）。PowerPC 处理器有非常强的嵌入式表现，因为它具有优异的性能、较低的能量损耗以及较低的散热量。除了象串行和以太网控制器那样的集成 I/O，该嵌入式处理器与“台式机”CPU 存在非常显著的区别。
PowerPC相比ARM的优势
1、整合度高以及技术先进性，现在PowerPC 处理器集成USB,PCI,DDR控制器，SATA控制器，千兆网口控制器，CAN控制器，RapidIO以及PCI_Express控制器，IEEE1588通信协议，支持各种通信协议CPM协处理器 ，DMA,SPI，I２C.UART等，客户无须设计复杂的外围电路，减少设计复杂程度以及物料使用。
2、芯片可选范围大，性能高，升级容易，从50M-1.7G都有处理器，而且POwerPC将象多核处理器发展，如已经推出集成双e500 core MPC8572,MIPS性能高达6897，ARM 大概是 1.1 MIPS/MHz，Power Architecture 是大于2.0MIPS/MHz，所以PowerPC在高端嵌入式应用，占有很大比例。
5、MIPS架构
MIPS是世界上很流行的一种开源RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(Microprocessor without interlocked piped stages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。这些系列产品为很多计算机公司采用构成各种工作站和计算机系统。
应用领域：工作站等计算机平台，目前国内龙芯主要使用MIPS架构机器。
与ARM架构相比，MIPS的优势主要有以下几点：
1、 MIPS支持64bit指令和操作，ARM目前只到32bit
2.、MIPS有专门的除法器，可以执行除法指令
3、 MIPS的内核寄存器比ARM多一倍，所以同样的性能下MIPS的功耗会比ARM更低，同样功耗下性能比ARM更高MIPS指令比ARM稍微多一点，稍微灵活一点
与ARM架构相比，MIPS架构也存在着以下几点不足：
MIPS的内存地址起始有问题，这导致了MIPS在内存和cache的支持方面都有限制，现在的MIPS处理器单内核面对高容量内存时有问题MIPS今后的发展方向是并行线程，类似INTEL的超线程，而ARM未来的发展方向是物理多核，目前来看物理多核占优。MIPS虽然结构更加简单，但是到现在还是顺序单发射，ARM已经进化到了乱序双发射，甚至NV的丹佛已经是乱序三发射了。
5、RISC-V，大道至简，芯片中的网红战斗机
RISC-V是2015年12月一个由U.C. Berkeley开发的开源和模块化RISC指令集，“V”包含两层意思，一是这是Berkeley从RISC I开始设计的第五代指令集架构，
二是它代表了变化（variation）和向量（vectors）。
负责带队研制这些RISC指令集的正是伯克利分校的图灵奖得主David Patterson教授，RISC指令集的真正创始人。
• RISC-V 基金会的会员包括谷歌、英伟达、高通、Rambus、三星、恩智浦、美光、IBM、GlobalFoundries、UltraSoC 和西门子等。
• 鉴于我们国家芯片研发长期受制于人，利用开源的RISC-V架构，对于我国做出基本自主知识产权的芯片具有重大意义。
• 2018年10月，中国RISC-V产业联盟成立。
• 中科院计算所、华为、阿里巴巴集团等在内的20多个国内企事业单位，选择加入了RISC-V基金会。
• 华米的黄山1号，可穿戴人工智能芯片。
二、总线
（一）、定义
定义1(片面观点)：总线是连接各个功能部件的公共导线。
定义2(全面观点)：完整的总线应当包含连接各个功能部件的导线、各个功能部件内部的接口电路以及可能存在的总线控制与管理部件。
传输媒介（导线） + 分散于各个模块（ 内部的接口电路） + 总线控制与管理（总线申请，总线仲裁，总线传输，总线释放等协议与规范
）
（二）、总线规范
总线是一组信号线的集合，是一种在各部件间传送信息的公共通路。总线规范就是对总线的描述，一般都要包括物理特性、功能特性、电气特性、时间特性几个部分定义。
（三）、总线分类
1、按数据格式分类
按总线数据格式分为串行总线、并行总线两种。
1）.串行总线：以串行方式传输数据的总线。
2）.并行总线：以并行方式传输数据的总线。
2. 按时序控制方式分类(共享时钟信号)
按照总线的时序控制方式分类，总线可分为同步总线、异步总线两种。
1）.同步总线互连的计算机部件间均通过统一的时钟进行同步，即所有互连部件都必须使用同一个时钟（同步时钟），在规定的时钟节拍内进行规定的总线操作，来完成部件之间的信息交换。
2）.异步总线指没有统一的时钟而依靠各部件内部定时操作，所有部件是以信号握手的方式进行，即发送方和接受方互用请求和确认信号来协调动作，总线操作时序不固定。
3. 按照总线内部信息传输的性质分
•数据总线:DB 用于传送数据信息
•地址总线:AB 是专门用来传送地址的
•控制总线:CB 控制总线包括控制、时序和中断信号线
•电源总线:PB 用于向系统提供电源
4. 按总线在系统结构中的层次位置
•片内总线 (On-Chip Bus)
在集成电路的内部，用来连接各功能单元的信息通路。芯片（CPU）内部的总线，用于连接芯片内部各元件（ALU、寄存器、指令部件）。芯片（CPU）内部的总线，用于连接芯片内部各元件（ALU、寄存器、指令部件）。
•系统总线 (System Bus)：又称内部总线用于计算机内部模块（板）之间通信
•局部总线(Local Bus):连接计算机硬件系统的某一个子系统或部分部件的总线。一般将具有总线仲裁能力的多主控模块之间的总线称为系统总线，将不具有总线仲裁能
力的多主控模块之间的总线称为局部总线。
•外部总线 (External Bus)：又称通讯总线用于计算机之间或计算机与设备之间通信。通信总线又称外部总线或外设总线，如RS-232C、RS-485、USB总线、IIC总线、SPI总线、CAN总线等。
5、俗称：
• CPU内部的总线称为片内总线
• CPU与北桥之间的总线称为前端总线FSB，
• 内存与北桥的总线称为内存总线
• 通过北桥与CPU相连的总线称为局部总线，
• 把与南桥相连的总线成为I/O总线。
6、通信总线按数据同时传输方向可分为单工、半双工、全双工通信三种：
• 单工通信：是指消息只能单方向传输的工作方式，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互；
• 半双工通信：是指数据可以沿两个方向传送，但同一时刻一个半双工总线结构信道只允许单方向传送，因此又称为双向交替通信；
• 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息，又称双向同时通信。
（四）、总线的性能指标
需要引入某种技术指标，就像描述计算机性能的MIPS和MFLOPS那样，可以描述总线的性能。
• 总线频宽：总线本身所能达到的最高传输率
总线频宽(MB/s) ＝ 总线频率f× 数据线宽度W
• 总线传输率：1个时钟周期能传输的数据的数量。
总线传输率Q = 总线频率f × 传输数据宽度W / 传输一次数据所需时钟周期个数N
其它常见指标：总线时钟频率，总线可挂接设备数量，最大物理长度，数据宽度，地址宽度。
（五）、总线工作原理
• 先从总线结构谈起
• 完整的总线应当包含连接各个模块之间的连接导线、各个模块内部的
总线接口电路以及可能存在的总线控制与管理部件。
• 这种结构导致总线工作具有如下特征：
- 共享媒介
- 媒介争用与总线仲裁
- 集中式仲裁和分布式仲裁
- 总线接口和设备接口相配合
• 常见的总线结构至少包括这样三部分：
- 地址部分
• 如果是I/O地址，一般在0000H-FFFFH之间
• 如果是内存地址，则与芯片架构有关
• 20 bits (8086/8088), 24 bits (80286), 32 bits (80386DX, 486, Pentium,
Pentium Pro / II / III) - 数据部分
• 8 bits (8088), 16 bits(8086, 80286, …Pentium), 64 bits (Pentium/ Pro/II/III) - 控制部分
• 不可缺少的四根控制线：MRDC, MWRC, IORC, IOWC
• 经常还会有：总线请求、传输响应、中断控制 (INT / INTA)，DMA控制 (DREQ,
DACK)
• 其它：总线锁定LOCK
（六）、如何传输数据
• 总线传输四阶段：总线申请，总线仲裁，总线传输，总线释放
• 总线仲裁：链式查询，计数器查询和独立请求
• 数据传输：同步方式、异步方式和半同步方式
• 总线驱动
• 出错处理
1、总线仲裁
• 连接到总线上的功能模块有主动(主方)和被动(从方)两种形态
• 主方可以启动一个总线周期
• 从方只能响应主方请求
• 每次总线操作，只能有一个主方，但是可以有多个从方。
• 总线占用期：主方持续控制总线的时间。
• 为了解决多个功能模块争用总线的问题，必须设置总线仲裁部件。
• 仲裁策略：
• 公平策略
• 优先策略
三、互连结构
（一）、如何应用总线实现计算机内部各个模块之间的互连？
• 最简单的方式：将各个模块通过“插槽”直接连接到总线上
• 扩展方式：中继(Repeater)、级联(Uplink)和堆叠(Stack)
• 中继就是通过连接将信号从一个中继点传递到下一个中继点，实现信号的增强，最终达到延伸信号传播距离和范围的目的。
• 级联就是把二个以上的总线设备通过某种方式连接起来，能起到扩容和传输距离和范围的效果。
• 堆叠是把两个相同或相近的总线设备组合起来形成一个整体设备，起到扩容的效果。
• 不同总线之间的转换：桥接器(Bridge)
（二）、交换
1、定义：
• 类比：电话系统的交换机(交换原理)
• 交换取消了对传输媒介的共享，提高了并行使用情况下单个端口的带宽(数据传输率)。