Conception et systèmes embarqués complexes Master 2004 Antoine Fraboulet, Tanguy Risset [email protected], [email protected] Lab CITI, INSA de Lyon, Lab LIP, ENS de Lyon - p. 1/134 G Processeurs embarqués Introduction Architecture des processeurs Différents types de processeurs embarqués Processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo numérique Conclusion - p. 2/134 Part de marché G Processeurs embarqués n Quel est le le microprocesseur le plus vendu ? Introduction u Réponse classique: "Le Pentium: 92% du marché" G Part de marché G Contradiction ? n G Variété des processeurs Faux!...... embarqués u En fait les Pentium ne représentent que 2% des Architecture des processeurs microprocesseurs vendus dans le monde. Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo numérique Conclusion - p. 3/134 Contradiction ? G Processeurs embarqués n Alors d'ou vient la position d'Intel (16% du marché des Introduction semi-conducteurs) ? G Part de marché G Contradiction ? n G Variété des processeurs processeurs: 2% du silicium, 30% des revenus embarqués Architecture des processeurs Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo numérique Conclusion - p. 4/134 Et au sein des processeurs G Processeurs embarqués n 3 milliards de processeurs 8 bits vendus par an (8051, 6805 Introduction etc.) G Part de marché G Contradiction ? n G Variété des processeurs 32 bits (Pentium, Athlon, mais aussi PowerPC, 68000, MIPS, embarqués ARM etc.) Architecture des processeurs n La plupart (98%) sont embarqués (3 fois plus d'ARM vendus Différents types de processeurs embarqués que de Pentium) Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo numérique Conclusion - p. 5/134 Variété des processeurs embarqués G Processeurs embarqués Introduction G Part de marché G Contradiction ? G Variété des processeurs embarqués Architecture des processeurs Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo numérique Conclusion n Les applications sont plus variées que pour les ordinateurs n Beaucoup de processeurs embarqués sont des processeurs de bureau qui n'ont pas percés (MIPS, 68K, SPARC, ARM, PowerPC) - p. 6/134 G Processeurs embarqués Introduction Architecture des processeurs G Architecture "Von Neuman" ou "Princeton" G Architecture Harvard G Le jeu d'instruction Architecture des processeurs G CISC: Complex Instruction Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA du Pentium G RISC: Reduced Instruction Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA du MIPS G Le CPU G Le pipeline RISC: exemple du MIPS G Exemple d'exécution sans pipeline G Exemple d'exécution avec pipeline G Parallélisme au sein du processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 7/134 numérique Conclusion Architecture "Von Neuman" ou "Princeton" G Processeurs embarqués n La mémoire contient les données et les instructions Introduction n L'unité centrale (CPU) charge les instructions depuis la Architecture des processeurs G Architecture "Von Neuman" mémoire. ou "Princeton" G Architecture Harvard n Un ensemble de registres aide le CPU: G Le jeu d'instruction G CISC: Complex Instruction u Compteur d'instructions (Program counter: PC), Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA u Registre d'instruction (Instruction register: IR) du Pentium G RISC: Reduced Instruction u Pointeur de pile (stack pointer: SP) Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA u Registres à usage général (Accumulateur: A) du MIPS G Le CPU G Le pipeline RISC: exemple du Memory Proc MIPS G Exemple d'exécution sans pipeline G Exemple d'exécution avec pipeline G Parallélisme au sein du processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 8/134 numérique Conclusion Architecture Harvard G Processeurs embarqués n Données et instructions dans des mémoires séparées Introduction n Autorise deux accès simultanés à la mémoire. Architecture des processeurs G Architecture "Von Neuman" n Utilisé pour la plupart des DSP ou "Princeton" G Architecture Harvard u meilleure bande passante G Le jeu d'instruction G CISC: Complex Instruction u Performances plus prédictibles Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA du Pentium Instruction Proc G RISC: Reduced Instruction Set Computer Memory G Exemple: instructions de l'ISA du MIPS G Le CPU G Le pipeline RISC: exemple du MIPS Data G Exemple d'exécution sans pipeline Memory G Exemple d'exécution avec pipeline G Parallélisme au sein du processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 9/134 numérique Conclusion Le jeu d'instruction G Processeurs embarqués n Le jeu d'instruction (Instruction Set Architecture: ISA) a une Introduction importance capitale Architecture des processeurs u Il détermine les instructions élémentaires exécutées par le G Architecture "Von Neuman" ou "Princeton" G Architecture Harvard CPU. G Le jeu d'instruction u C'est un équilibre entre la complexité matérielle du CPU G CISC: Complex Instruction Set Computer et la facilité d'exprimer les actions requises G Exemple: instructions de l'ISA du Pentium u G RISC: Reduced Instruction On le représente de manière symbolique (ex: ARM, code Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA sur 32 bits): du MIPS G Le CPU LDR r0,[r8] ; commentaire G Le pipeline RISC: exemple du lab: ADD r4,r0,r1 ; MIPS G Exemple d'exécution sans n pipeline Deux classes de jeux d'instructions: G Exemple d'exécution avec u pipeline CISC: Complex Instruction Set Computer G Parallélisme au sein du u processeur RISC: Reduce Instruction Set Computer G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 10/134 numérique Conclusion CISC: Complex Instruction Set Computer G Processeurs embarqués n Une instruction peut designer plusieurs opérations Introduction élémentaires. Architecture des processeurs Ex: un load, une opération arithmétique et un store, G Architecture "Von Neuman" ou "Princeton" G Architecture Harvard Ex: calculer une interpolation linéaire de plusieurs G Le jeu d'instruction valeurs en mémoire. G CISC: Complex Instruction Set Computer n G Exemple: instructions de l'ISA Accélération par des mécanismes matériels complexes du Pentium G RISC: Reduced Instruction n Grandes variation de taille et de temps d'exécution pour les Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA instructions du MIPS G Le CPU n G Le pipeline RISC: exemple du Résulte en un code compact mais complexe à générer. MIPS G Exemple d'exécution sans n Vax, Motorola 68000, Intel x86/Pentium pipeline G Exemple d'exécution avec pipeline G Parallélisme au sein du processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 11/134 numérique Conclusion Exemple: instructions de l'ISA du Pentium G Processeurs embarqués JE EIP + displacement 4 4 8 Introduction JE Condition Displacement Architecture des processeurs G Architecture "Von Neuman" Call ou "Princeton" 8 32 G Architecture Harvard G Le jeu d'instruction CALL Offset G CISC: Complex Instruction Set Computer Mov $EBX, [EDI+displacement] G Exemple: instructions de l'ISA 6 1 1 8 8 du Pentium G RISC: Reduced Instruction MOV d w r−m postbyte Displacement Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA du MIPS Push ESI G Le CPU 5 3 G Le pipeline RISC: exemple du MIPS PUSH Reg G Exemple d'exécution sans pipeline G Exemple d'exécution avec Add $EAX, Immediate pipeline 4 3 1 32 G Parallélisme au sein du ADD Reg w Immediate processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Test $EDX, Immediate 7 1 8 32 Différents types de processeurs TEST w PostByte Immediate embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 12/134 numérique Conclusion RISC: Reduced Instruction Set Computer G Processeurs embarqués n Petites instructions simples, toutes de même taille, ayant Introduction toutes (presque) le même temps d'exécution Architecture des processeurs n G Architecture "Von Neuman" Pas d'instruction complexe ou "Princeton" G Architecture Harvard n Accélération en pipelinant l'exécution (entre 3 et 7 étages de G Le jeu d'instruction G CISC: Complex Instruction pipeline pour une instruction) ) augmentation de la vitesse Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA d'horloge du Pentium G RISC: Reduced Instruction n Set Computer Code plus simple à générer, mais moins compact G Exemple: instructions de l'ISA du MIPS n Tous les microprocesseurs modernes utilisent ce paradigme: G Le CPU G Le pipeline RISC: exemple du SPARC, MIPS, ARM, PowerPC, etc. MIPS G Exemple d'exécution sans pipeline G Exemple d'exécution avec pipeline G Parallélisme au sein du processeur G Parallélisme au sein du processeur G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p. 13/134 numérique Conclusion Exemple: instructions de l'ISA du MIPS G Processeurs embarqués I TYPE (Immediate) 5 5 Introduction op rs rt Immediate Architecture des processeurs G Architecture "Von Neuman" J TYPE (Jump) ou "Princeton" 6 26 G Architecture Harvard G Le jeu d'instruction op Immediate G CISC: Complex Instruction Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA R TYPE (Register) du Pentium G RISC: Reduced Instruction op rs rt rd sa funct Set Computer G Exemple: instructions de l'ISA n du MIPS I-Type: G Le CPU G Le pipeline RISC: exemple du LW rt, offset(base) MIPS G Exemple d'exécution sans n pipeline J-Type: G Exemple d'exécution avec pipeline JUMP target G Parallélisme au sein du n processeur R-Type: G Parallélisme au sein du processeur ADD rd,rt,rs G Mémoire Différents types de processeurs embarqués Compilation pour processeurs embarqués Exemple de l'appareil photo - p.