36、ARM Cortex-A9嵌入式微处理器的定制指令与指令集架构解析

ARM Cortex-A9嵌入式微处理器的定制指令与指令集架构解析

1. 定制指令ARM系统设计

1.1 定制知识产权（CIP）的应用场景

现代复杂的嵌入式处理器如ARM，芯片上有定制硬件以支持多种标准，ARM有两个SPI、I2C、CAN、UART、USB和以太网接口，通常无需为这些I/O标准设计定制逻辑。但在两种情况下，基于FPGA的定制逻辑与微处理器紧密集成的定制知识产权（CIP）会带来好处：
- 大数据处理 ：如VGA或HDMI视频显示需要持续提供大量数据，即使最快的微处理器处理这些数据也会负担过重，性能下降。
- 算法适配问题 ：当算法需求与微处理器不匹配时，如密码算法中的交换盒或DCT、FFT算法中的位反转。

1.2 位反转操作的应用与软件实现

1.2.1 位反转在FFT中的应用

数字信号处理（DSP）在20世纪80年代因数字滤波和快速傅里叶变换（FFT）而流行。FFT是标准离散时间傅里叶变换的快速版本，能将信号用正弦/余弦分量表示。标准DFT方程可通过重排减少复数乘法运算次数，从$N^2$次减少到$N*log_2(N)$次。但FFT的输出序列是按位反转顺序排列的。
例如，8点变换的索引范围是0…7，二进制表示下，如从110 → 011，即内存位置6和3需要交换。以下是8个索引的二进制位反转列表：
| 原始 | 反转 |
| ---- | ---- |
| 000 | 000 |
| 001 | 100 |
| 010 | 010 |
| 011 | 110 |
|