嵌入式系統(tǒng)概述

1、深圳大學(xué)深圳大學(xué) 光電工程學(xué)院光電工程學(xué)院趙志剛趙志剛 電話郵箱：光電所345辦公室2015.02嵌入式系統(tǒng)技術(shù)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)課程安排和要求課程安排和要求 本課程以ARM9微處理器為應(yīng)用實(shí)例，介紹嵌入式系統(tǒng)的基本原理、硬件結(jié)構(gòu)和軟件開(kāi)發(fā)。1、理論與實(shí)踐相結(jié)合2、軟硬件結(jié)合3、注重學(xué)以致用、工程動(dòng)手能力的培養(yǎng)。特點(diǎn)：-2-教學(xué)內(nèi)容嵌入式系統(tǒng)技術(shù)是專業(yè)核心課程，教學(xué)內(nèi)容包括： 嵌入式系統(tǒng)概論 ARM體系結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與接口 嵌入式系統(tǒng)輸入輸出接口技術(shù) 中斷控制系統(tǒng) 啟動(dòng)代碼分析 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)-3-4-先修基礎(chǔ)知識(shí) 模擬電路 數(shù)字電路 計(jì)算機(jī)硬件基礎(chǔ) 微

2、機(jī)原理與接口技術(shù) 單片機(jī)技術(shù) C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)等-5-教材與參考書n黃智偉等，ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)教程(第2版)，北京航空航天大學(xué)出版社，2013.3n王小強(qiáng)，ARM處理器裸機(jī)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)，電子工業(yè)出版社， 2012.1nAndrew N. Sloss等著，沈建華等譯，ARM嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā):軟件設(shè)計(jì)與優(yōu)化，北京航空航天大學(xué)出版社，2005.5-6- -7-教學(xué)目標(biāo)（期望）掌握嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理、基本方法；熟悉ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)，掌握一套主流的開(kāi)發(fā)工具及其開(kāi)發(fā)方法；具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的基本能力；為進(jìn)一步研究和處理實(shí)際工程問(wèn)題打下基礎(chǔ)。 -8-考核方式課堂表現(xiàn)占總成績(jī)20教學(xué)

3、實(shí)驗(yàn)占總成績(jī)20閉卷考試占總成績(jī)60第第1 1章章 嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)概述-9-10-生活中的嵌入式系統(tǒng)-11-第1章 嵌入式系統(tǒng)概述一、嵌入式一、嵌入式系統(tǒng)的定義和組成系統(tǒng)的定義和組成二、嵌入式二、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)硬件基礎(chǔ)四四、嵌入式、嵌入式處理器處理器的類的類型型-12-1、嵌入式系統(tǒng)的定義oIEEE: Devices used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plantso 從技術(shù)的角度定義：以從技術(shù)的角度定義：以應(yīng)用應(yīng)用為中心

4、、以為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林132、嵌入式系統(tǒng)的組成軟件子系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)輸入輸出-13-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林14嵌入式系統(tǒng)組成(2)-14- 板級(jí)支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)層程序之間的一層。-15-嵌入式系統(tǒng)組成(3)2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林16嵌入式系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)-16-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信

5、電學(xué)院張林17嵌入式系統(tǒng)_最小硬件系統(tǒng)-17-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林18嵌入式系統(tǒng)_最小硬件系統(tǒng)-18-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林19嵌入式外圍設(shè)備n 在嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲(chǔ)、通信、I/O、調(diào)試等功能的其它部件：存儲(chǔ)器類型：靜態(tài)易失型存儲(chǔ)器(volatile RAM/SRAM)，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器(DRAM)，非易失型存儲(chǔ)器(non-volatile ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲(chǔ)速度快，容量大及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)

6、中都有其廣泛的應(yīng)用，但是以下幾種接口的應(yīng)用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設(shè)備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設(shè)備。-19-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林20嵌入式系統(tǒng)_軟件子系統(tǒng)-20-21-3、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)1n 可靠性要求高 很多嵌入式系統(tǒng)在無(wú)人照看的環(huán)境下運(yùn)行，出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，并很難人為干預(yù)，因此對(duì)“平均無(wú)故障時(shí)間 (Mean Time Between Failure) ”有更高要求，并應(yīng)有自恢復(fù)機(jī)制。n 功耗限制 嵌入式系統(tǒng)中，尤其是在用電池供電的嵌入式系統(tǒng)

7、中，功耗是重點(diǎn)考慮的因素。大耗電量直接影響到硬件費(fèi)用，并影響電源壽命以及帶來(lái)散熱問(wèn)題。n 物理尺寸要求 體積應(yīng)達(dá)到可植入被嵌入系統(tǒng)的尺寸。n 低成本 包含硬件成本和軟件成本。硬件成本主要決定于所使用的微處理器、所需的內(nèi)存及相應(yīng)的外圍芯片；軟件成本通常難于預(yù)測(cè)，但好的設(shè)計(jì)方法有利于降低軟件成本。n 環(huán)境相關(guān)性 嵌入式系統(tǒng)不是獨(dú)立的，而是與其被嵌入的設(shè)備緊密相關(guān)聯(lián)。-22-3、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)2n 軟件一般固化在存儲(chǔ)器芯片或處理器本身n 軟件體積小 由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源相對(duì)有限，嵌入式軟件也要量體裁衣，避免冗余。n 軟件專用性強(qiáng) 嵌入式系統(tǒng)的個(gè)性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要

8、針對(duì)硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。 同時(shí)針對(duì)不同的任務(wù)，往往需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結(jié)合。n 操作系統(tǒng)內(nèi)核小 比如ENEA公司的OSE實(shí)時(shí)OS，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。n 操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求高 有些嵌入式系統(tǒng)有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求。n 必須有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行開(kāi)發(fā)-23-第1章 嵌入式系統(tǒng)概述一、嵌入式一、嵌入式系統(tǒng)的定義和組成系統(tǒng)的定義和組成二、嵌入式二、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)硬件基礎(chǔ)四四、嵌入式、嵌入式處理器處理器的類的類型型嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀

9、表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國(guó)防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制-24-嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域1n 國(guó)防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導(dǎo)彈控制、智能炸彈制導(dǎo)引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機(jī)等陸?？崭鞣N軍用電子裝備，雷達(dá)、電子對(duì)抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設(shè)備等。我國(guó)嵌入式計(jì)算機(jī)最早用于導(dǎo)彈控制。p 武器控制系統(tǒng)p 數(shù)字化單兵系統(tǒng)有苛刻要求 尺寸和重量 功率消耗 震動(dòng)和沖擊 溫度和濕度軍事國(guó)防領(lǐng)域21世紀(jì)部隊(duì)旅及旅以下作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)夜視掃描、全球定位、指揮通信阿富汗參加反恐作戰(zhàn)的“赫耳墨斯”價(jià)值4萬(wàn)美元，可攜帶2架攝像機(jī)，發(fā)揮了重要作用軍事偵察航天領(lǐng)域基于VXworks的火星探路

10、者嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域2n 信息家電、民用設(shè)備：各種信息家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視機(jī)、機(jī)頂盒，數(shù)碼相機(jī)，VCD、DVD音響設(shè)備，可視電話，家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，洗衣機(jī)，網(wǎng)絡(luò)冰箱，網(wǎng)絡(luò)空調(diào)，智能玩具，其他消費(fèi)類電子產(chǎn)品等。-29-智能玩具與機(jī)器人-30-31-基于Win CE的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)手機(jī)-32-韓國(guó)電信手機(jī)/電視遙控器二合一產(chǎn)品p 功能手機(jī)p 智能手機(jī)與PDA結(jié)合Sony Ericsson超小型手機(jī)電腦手機(jī)放在底座上成為電腦內(nèi)置 DVB-H 移動(dòng)電視手機(jī)手表33p 蘋果的iWatchp 三星的Gear 800MHz單核處理器 512MB RAM及4GB機(jī)身存儲(chǔ)空間 電池容量為315毫安 藍(lán)牙，加速度

11、計(jì)，陀螺儀，兩個(gè)麥克風(fēng) 190萬(wàn)像素自動(dòng)對(duì)焦鏡頭Google Glass34n Android 4.0.4系統(tǒng)n TI OMAP 4430 CPUn 總閃存16GB，12GB的可用儲(chǔ)存空間n 顯示效果相當(dāng)于從8英尺外看25英寸電視n 500萬(wàn)像素照片拍攝n 可錄制720p高清視頻n 骨傳導(dǎo)音頻技術(shù)n 無(wú)線連接采用802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的Wi-Fin 藍(lán)牙，可與任何具備藍(lán)牙功能的手機(jī)相連n 電力可支持一天的正常使用， micro-USB充電智能家居35p 智能家居p 智能家電高科技的捕鼠器遮斷紅外線光束掉下籠子DangerBomb 鬧鐘 不起床就爆炸啰配備電子食譜的鍋鏟coo.boo智能型垃圾桶

12、 i.Master現(xiàn)代化家庭36嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域337n 工業(yè)：各種智能測(cè)量?jī)x表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機(jī)、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人、智能傳感器、機(jī)電一體化機(jī)械設(shè)備、車載導(dǎo)航器、汽車電子設(shè)備、車輛與交通工程等。汽車電子38汽車電子產(chǎn)品（18個(gè)嵌入式控制模塊）CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)-39-嵌入式系統(tǒng)示例：汽車控制系統(tǒng)-40-馬達(dá)控制器車燈尾燈控制系統(tǒng)后車門控制系統(tǒng)前車門控制系統(tǒng)座椅控制系統(tǒng)發(fā)動(dòng)器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)示例：汽車控制系統(tǒng)Windows CE 嵌入式操作系統(tǒng)53個(gè)

13、8bit 嵌入式處理器7個(gè)16bit嵌入式處理器1個(gè)32bit嵌入式處理器多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)汽車電子儀器儀表42p DCG (動(dòng)態(tài)心電圖儀)p 便攜式多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀p 中醫(yī)指套傳感器脈象虛擬儀器p 推拿手法測(cè)試儀p 電動(dòng)機(jī)故障狀態(tài)監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng) 監(jiān)控儀手持儀嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域443n 商業(yè)：各類收款機(jī)、電子秤、條形碼閱讀機(jī)、商用終端、銀行點(diǎn)鈔機(jī)、IC卡輸入設(shè)備、取款機(jī)、自動(dòng)柜員機(jī)、自動(dòng)服務(wù)終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設(shè)備、智能金融器具、遠(yuǎn)程教育。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域544n 辦公自動(dòng)化：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、其他計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備、掌上電腦、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設(shè)備、媒體手機(jī)、移動(dòng)電話

14、、尋呼機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控交換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器、交換機(jī)、Web server、網(wǎng)絡(luò)接入盒等）、網(wǎng)絡(luò)工程、錄音錄象及電視會(huì)議設(shè)備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域645n 醫(yī)療保健設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機(jī)、超聲診斷儀、計(jì)算機(jī)斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護(hù)儀、輔助診斷系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、專家系統(tǒng)等。n 其他領(lǐng)域：農(nóng)業(yè)技術(shù)、光學(xué)系統(tǒng)、氣象預(yù)報(bào)、衛(wèi)星通信網(wǎng)、數(shù)字通信、移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)、語(yǔ)音處理。-46-第1章 嵌入式系統(tǒng)概述一、嵌入式一、嵌入式系統(tǒng)的定義和組成系統(tǒng)的定義和組成二、嵌入式二、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用三三、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)、嵌

15、入式處理器硬件基礎(chǔ)四四、嵌入式、嵌入式處理器處理器的類的類型型嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1復(fù)雜指令集與精簡(jiǎn)指令集2流水線技術(shù)3信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序4-47-馮諾依曼體系結(jié)構(gòu) 馮諾依曼理論：數(shù)字計(jì)算機(jī)的數(shù)制采用二進(jìn)制；計(jì)算機(jī)應(yīng)該按照程序順序執(zhí)行。 將數(shù)據(jù)與指令存儲(chǔ)在同一存儲(chǔ)器中，統(tǒng)一編址。 取指令和取數(shù)據(jù)都訪問(wèn)同一存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)吞吐率低。 被大多數(shù)計(jì)算機(jī)采用 ARM7馮諾依曼體系指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPUCPU存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2哈佛結(jié)構(gòu)n 程序存儲(chǔ)器與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)，是兩個(gè)相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。n 設(shè)置

16、了程序總線和數(shù)據(jù)總線，使數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍。n 并行體系結(jié)構(gòu)，取址和執(zhí)行能完全重疊運(yùn)行。n 適合于數(shù)字信號(hào)處理n 大多數(shù)DSP都是哈佛結(jié)構(gòu)n ARM9是哈佛結(jié)構(gòu)（通過(guò)獨(dú)立的數(shù)據(jù)cache和指令cache實(shí)現(xiàn)）指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)三、 嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1復(fù)雜指令集與精簡(jiǎn)指令集2流水線技術(shù)3信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序4-50-RISC與CISCn 對(duì)CPU的優(yōu)化可從兩個(gè)角度實(shí)現(xiàn)：增強(qiáng)指令的功能，減少IC CISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Compute

17、r）優(yōu)化每一條指令，減小CPI及CC RISC：精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer)CT = IC * CPI * CC CT(CPU Time)：CPU完成一個(gè)功能需要的時(shí)間 IC(Instruction count)：完成一個(gè)功能需要的指令數(shù)量 CPI(Cycle per Instruction)：每條指令所需的時(shí)鐘周期數(shù) CC(Clock Cycle)：每個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)長(zhǎng)v如何綜合衡量CPU執(zhí)行的速度？RISC與CISCCISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式，指令長(zhǎng)度可變8

18、/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行RISC：精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令長(zhǎng)度固定確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單-52-u 指令集：CPU依靠指令進(jìn)行計(jì)算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設(shè)計(jì)時(shí)就規(guī)定了一系列與其硬件電路相配合的指令系統(tǒng)。 RISCn 保留最基本的,去掉復(fù)雜、使用頻度不高的指令n 采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式 處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，不能處理存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)n 采用硬接線控制代替微程序控制（一條機(jī)器指令

19、的功能是用許多條微指令組成的序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這個(gè)微指令序列通常叫做微程序，以降低CISC電路的復(fù)雜性）CT = IC * CPI * CC ICRISC ICCISC CCRISC CCCISC CPIRISC CPICISC-53-三、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1復(fù)雜指令集與精簡(jiǎn)指令集2流水線技術(shù)3信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序4-54-55-流水線技術(shù)并行執(zhí)行串行執(zhí)行取指令 1執(zhí)行指令 1取指令 2執(zhí)行指令 2取指令 3執(zhí)行指令 3取指令 3執(zhí)行指令 3取指令 2執(zhí)行指令 2取指令 1執(zhí)行指令 1u 流水線流水線(Pipeline)技術(shù)技術(shù)：在程序執(zhí)行時(shí)，多條指令重疊進(jìn)行操：在程序執(zhí)行時(shí)

20、，多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理的實(shí)現(xiàn)技術(shù)作的一種準(zhǔn)并行處理的實(shí)現(xiàn)技術(shù) 處理器可以同時(shí)為多條指令的不同部分進(jìn)行工作，以提高處理器處理器可以同時(shí)為多條指令的不同部分進(jìn)行工作，以提高處理器各部件的利用率，進(jìn)而提高指令的執(zhí)行速度。各部件的利用率，進(jìn)而提高指令的執(zhí)行速度。-56-ARM7的3級(jí)流水線ARM7的處理器使用簡(jiǎn)單的的處理器使用簡(jiǎn)單的3級(jí)流水線，包括以下級(jí)流水線，包括以下流水線級(jí)流水線級(jí)：（1）取指令（取指令（fetch）：從存儲(chǔ)器裝載一條指令。：從存儲(chǔ)器裝載一條指令。（2）譯碼（譯碼（decode）：識(shí)別被執(zhí)行的指令，并為下一個(gè)周期準(zhǔn)：識(shí)別被執(zhí)行的指令，并為下一個(gè)周期準(zhǔn)備數(shù)據(jù)通路的控制

21、信號(hào)。在這一級(jí)，指?jìng)鋽?shù)據(jù)通路的控制信號(hào)。在這一級(jí)，指令占有譯碼邏輯，不占用數(shù)據(jù)通路。令占有譯碼邏輯，不占用數(shù)據(jù)通路。（3）執(zhí)行（執(zhí)行（excute）：處理指令并將結(jié)果寫回寄存器。：處理指令并將結(jié)果寫回寄存器。當(dāng)處理器執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理指令時(shí)，流水線使得平均每當(dāng)處理器執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理指令時(shí)，流水線使得平均每個(gè)時(shí)鐘周期能完成個(gè)時(shí)鐘周期能完成1條指令。條指令。3級(jí)流水線（最佳）n 該例中用6個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行了6條指令n 所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）n 指令周期數(shù) (CPI) = 1 操作周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDec

22、odeExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode Execute Decode ExecuteFetchDecodeFetchFetch-57-58-ARM9的5級(jí)流水線ARM9TDMI中使用了典型的中使用了典型的5級(jí)流水線，包括以下級(jí)流水線，包括以下流水線級(jí)流水線級(jí)：（1）取指令（fetch）：從存儲(chǔ)器中取出指令，并將其放入指令流水線。（2）譯碼（decode）：指令被譯碼，從寄存器堆中讀取寄存器操作數(shù)。在寄存器堆中有3個(gè)操作數(shù)讀端口，因此，大多數(shù)ARM指令能在1個(gè)周期內(nèi)讀取其操作數(shù)。

23、（3）執(zhí)行（execute）：將其中1個(gè)操作數(shù)移位，并在ALU中產(chǎn)生結(jié)果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計(jì)算存儲(chǔ)器的地址。 算術(shù)邏輯單元(arithmetic and logic unit) （4）緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）：如果需要?jiǎng)t訪問(wèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，否則ALU只是簡(jiǎn)單地緩沖1個(gè)時(shí)鐘周期。（5）回寫（write-back）：將指令的結(jié)果回寫到寄存器堆，包括任何從寄存器讀出的數(shù)據(jù)。三、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)馮諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1復(fù)雜指令集與精簡(jiǎn)指令集2流水線技術(shù)3信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序4-59-60-ARM的基本數(shù)據(jù)類型ARM采用的是32位架構(gòu)，基本數(shù)據(jù)類型有以下3種：

24、Byte：字節(jié)，8bit。 Halfword：半字，16bit（半字必須2字節(jié)邊界對(duì)齊） Word：字，32bit（字必須于4字節(jié)邊界對(duì)齊）。ARM存儲(chǔ)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)組器數(shù)據(jù)組織結(jié)織結(jié)構(gòu)：構(gòu)：長(zhǎng)度為1個(gè)字的數(shù)據(jù)項(xiàng)占用一組4字節(jié)的位置，該位置開(kāi)始于4的倍數(shù)的地址（地址最末兩位為00）半字?jǐn)?shù)據(jù)占有兩個(gè)字節(jié)的位置，該位置開(kāi)始于偶數(shù)字節(jié)地址（地址最末一位為0）。字3字2字1字節(jié)4字節(jié)3字節(jié)2字節(jié)1半字2半字1信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序n 多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)器中有兩種存放方法：大端格式(big-endian)字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)存儲(chǔ)在低地址中，而字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中小端格式(little-endian)：

25、與大端存儲(chǔ)格式相反，低地址中存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字?jǐn)?shù)據(jù)的高字節(jié)-61-字節(jié)順序會(huì)涉及到的問(wèn)題n 可移植性問(wèn)題 當(dāng)在不同存儲(chǔ)順序的微處理器間進(jìn)行程序移植時(shí)，要特別注意存儲(chǔ)模式的影響。把從軟件得到的二進(jìn)制數(shù)據(jù)寫成一般的數(shù)據(jù)格式往往會(huì)涉及到存儲(chǔ)順序的問(wèn)題n 通信中的存儲(chǔ)順序問(wèn)題 在網(wǎng)絡(luò)通信中，Internet協(xié)議（即IP協(xié)議）定義了標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)字節(jié)順序。該字節(jié)順序被用于所有設(shè)計(jì)使用在IP協(xié)議上的數(shù)據(jù)包、高級(jí)協(xié)議和文件格式n 很多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也存在存儲(chǔ)順序問(wèn)題 即字節(jié)中的位采用大端法或小端法發(fā)送。這取決于OSI模型最底層的數(shù)據(jù)鏈路層。-62-63-大端的數(shù)據(jù)存放格式低地址低地址高地址高地址

26、地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3word a = 0 x f6 73 4b cdf6734bcd最高有效字節(jié)最高有效字節(jié)位于最低地址位于最低地址最高有效字節(jié)的地址最高有效字節(jié)的地址就是該就是該word的地址的地址-64-小端的數(shù)據(jù)格式 低地址低地址高地址高地址地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3最低有效字節(jié)的地址最低有效字節(jié)的地址就是該就是該word的地址的地址最低有效字節(jié)最低有效字節(jié)位于最低地址位于最低地址word a = 0 x f6 73 4b cdf6734bcd-65-練習(xí)練習(xí)程序執(zhí)行前：程序執(zhí)行前：r0=0 x11223344r1=0 x0000

27、0000執(zhí)行指令：執(zhí)行指令：STR r0，r1LDRB r2，r1執(zhí)行后：執(zhí)行后：小端模式下小端模式下：r2 = ?大端模式下大端模式下：r2 = ?r0 = 0 x11223344STR r0, r1LDRB r2, r1r1 = 0 x00Memory3 2 1 0 0 1 2 33124 2316 158 7011 22 33 443124 2316 158 7011 22 33 44312423 16158 7011223344312423 16158 7000 00 00 44312423 16158 7000 00 00 11Little endianBig endianr2 =

28、0 x44r2 = 0 x11大端小端格式存取數(shù)據(jù)-67-第1章 嵌入式系統(tǒng)概述一、嵌入式一、嵌入式系統(tǒng)的定義和組成系統(tǒng)的定義和組成二、嵌入式二、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎(chǔ)硬件基礎(chǔ)四、嵌入式四、嵌入式處理器處理器的類的類型型2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林68嵌入式處理器n 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心 尋址流行體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列、1000多種，幾乎每個(gè)月都有新產(chǎn)品出現(xiàn) 字長(zhǎng)有4、8、16、32、64位等。其中32、64位微處理器是目前主流嵌入式系統(tǒng)的核心 主要硬件廠商：Intel、Motorola、Philips、AMD、三星等 重

29、要參數(shù)： 空間：可以從64KB到4GB 處理速度：最快可以達(dá)到2000MIPS 封裝：從幾個(gè)引腳到幾百個(gè)引腳不等n 嵌入式處理器類： 嵌入式微控制器，MCU 嵌入式微處理器，MPU 嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器，DSP 嵌入式片上系統(tǒng)， SoC 嵌入式可編程片上系統(tǒng)， SoPC-68-典型CPU結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線包含：數(shù)據(jù)總線(Data Bus)、地址總線(Address Bus)和控制總線(Control Bus)-69-2022-4-3070嵌入式處理器的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展與集成電路制造技術(shù)密切相關(guān) 20世紀(jì)70年代集成電路發(fā)展到LSI階段n 1971年Intel推出了第一枚微處理器芯片，揭開(kāi)高速發(fā)展

30、的序幕n 早期的單片機(jī)的出現(xiàn)： 1976年最早的單片機(jī)是Intel公司的8048 Motorola同時(shí)推出了68HC05 Zilog公司推出了Z80系列均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個(gè)8位并口、1個(gè)全雙工串行口、兩個(gè)16位定時(shí)器n 80年代初，Intel完善了8048，研制成功8051n 隨后，Intel研制MCS-96，Motorola發(fā)布68000，均為典型16位單片機(jī)n 1986年，MIPS研制首款32位RISC計(jì)算機(jī)R2000；隨后PowerPC、ARM也陸續(xù)出現(xiàn)，成為典型32位處理器-70-嵌入式處理器的類型嵌入式微控制器1嵌入式微處理器2DSP處理器3嵌入式片上系統(tǒng)4嵌

31、入式可編程片上系統(tǒng)5多核處理器6-71-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林72嵌入式微控制器(MCU)n 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)n MCU = CPU + 存儲(chǔ)器 + I/O接口 + 輔助電路（時(shí)鐘、WatchDog、串口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A等）；n 微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器，俗稱單片機(jī)，以8位居多；n 微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高；n 微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流；n 嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額。2

32、022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林73嵌入式微控制器(MCU)n 通用系列 Intel: 8051、P51XA、MCS-96/196/296/251、 Motorola: 68300、 C68HC05/11/12/16 MICROCHIP: PIC12C5XXX、PIC16CXXX、PIC17CXX Atmel: ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128 TI: LM3S系列 STMicroelectronics：STM32n 半通用型 支持USB接口的MCU: 8XC930/932、C541 支持I2C、CAN-bus、LCD的MCU-73-嵌入式處理器

33、的結(jié)構(gòu)和類型嵌入式微控制器1嵌入式微處理器2DSP處理器3嵌入式片上系統(tǒng)4嵌入式可編程片上系統(tǒng)5多核處理器6-74-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林75嵌入式微處理器(MPU)n 嵌入式微處理器 (Microprocessor Unit, MPU)n 嵌入式微處理器 = CPU + 硬件接口（存儲(chǔ)器接口，鍵盤接口等）+ 輔助電路（時(shí)鐘、A/D、D/A、調(diào)試電路等） n 嵌入式微處理器必須裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件-75-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林76嵌入式微處理器(MPU)n 嵌入式微處理器EMPU由通用計(jì)算機(jī)

34、中的微處理器演變而來(lái)n 與通用計(jì)算機(jī)處理器不同的是，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求n 為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)n 和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)n 嵌入式處理器目前主要有MIPS、PowerPC、ARM系列等-76-77MIPS系列n 美國(guó)斯坦福大學(xué)的Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制的MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，

35、無(wú)互鎖流水級(jí)的微處理器）是世界上很流行的一種RISC處理器，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。n 從20世紀(jì)80年代初期MIPS處理器發(fā)明到現(xiàn)在，MIPS處理器以其高性能的處理能力被廣泛應(yīng)用于寬帶接入、路由器、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、電視、游戲、打印機(jī)、辦公用品、DVD播放等廣泛的領(lǐng)域。n 和ARM公司一樣，MIPS公司本身并不從事芯片的生產(chǎn)活動(dòng)（只進(jìn)行設(shè)計(jì)），不過(guò)其他公司如果要生產(chǎn)該芯片，則必須得到MIPS公司的許可。n 2012.11 MIPS終被Imagination及ARM以4億多美金收購(gòu)。78PowerPCn PowerPC（PerformanceOptimizationWi

36、thEnhancedRISCPerformanceComputing）是Freescale（原Motorola）公司的產(chǎn)品。n PowerPC RISC處理器采用了超標(biāo)量處理器設(shè)計(jì)和調(diào)整內(nèi)存緩沖器，修改了指令處理設(shè)計(jì)，它完成一個(gè)操作所需的指令數(shù)比CISC處理器要多，但完成操作的總時(shí)間卻減少了。n PowerPC內(nèi)核采用獨(dú)特分支處理單元可以讓指令預(yù)取效率大大提高，即使指令流水線上出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令，也不會(huì)影響到其運(yùn)算單元的運(yùn)算效率。PowerPC RISC處理器設(shè)計(jì)了多級(jí)內(nèi)存高速緩沖區(qū)，以便讓那些正在訪問(wèn)（或可能會(huì)被訪問(wèn)）的數(shù)據(jù)和指令總是存儲(chǔ)在調(diào)整內(nèi)存中。2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林79

37、CPU、MCU和MPU的區(qū)別n CPU包含算術(shù)邏輯運(yùn)算單元、控制單元、寄存器堆、內(nèi)部總線 CPU是解釋、執(zhí)行機(jī)器語(yǔ)言的邏輯單元，一般不以實(shí)物程現(xiàn) 典型CPU：MCS-51、AVR、PIC、ARM、PowerPC、 X86n MCU = CPU + 存儲(chǔ)器 + I/O接口 + 輔助電路(時(shí)鐘、WatchDog、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A等) +通信接口(串行口、IIC、SPI) 一般應(yīng)用于控制 所需軟件體積較小，可寫燒寫在片內(nèi)ROM、RAM，可不外接存儲(chǔ)器 接口功能較弱 典型MCU：AT89C51、ATmega16n MPU = CPU + I/O接口(存儲(chǔ)器接口，鍵盤接口等) + 輔助電路(

38、時(shí)鐘、 WatchDog、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、LCD接口、調(diào)試電路等) + 通信接口(串行口、 IIC、SPI、以太網(wǎng)、 WIFI等) 一般應(yīng)用于數(shù)據(jù)、信息的處理，硬件性能強(qiáng) 所需軟件體積較大 接口功能較強(qiáng) 典型MPU：S3C44B0、MPC860、酷睿i3 2120 3.3GHz-79-嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)和類型嵌入式微控制器1嵌入式微處理器2DSP處理器3嵌入式片上系統(tǒng)4嵌入式可編程片上系統(tǒng)5多核處理器6-80-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林81嵌入式DSP處理器n 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)n

39、嵌入式DSP是專用于離散信號(hào)的處理、計(jì)算，針對(duì)某些領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的處理器。n DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。n 在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP得到了大規(guī)模的應(yīng)用。-81-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林82嵌入式DSP處理器n DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過(guò)MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。n 1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，在語(yǔ)音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。n DSP的運(yùn)算速度的進(jìn)一步提高，使得其應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和

40、計(jì)算機(jī)方面。-82-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林嵌入式DSP處理器市場(chǎng)n 最有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列 TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列 Motorola公司的DSP56000已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200、DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器，該系列24位DSP提供了大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器、濾波器、協(xié)處理器,具有較優(yōu)異的性能與體積、價(jià)位、功耗比n PHILIPS公司近年來(lái)也推出了

41、基于可重置嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的DSP處理器，特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加器單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類電子產(chǎn)品。嵌入式處理器的結(jié)構(gòu)和類型嵌入式微控制器1嵌入式微處理器2DSP處理器3嵌入式片上系統(tǒng)4嵌入式可編程片上系統(tǒng)5多核處理器6-84-2022-4-30中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院張林85嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)n 嵌入式片上系統(tǒng) (System on Chip, SoC) n SoC是一種基于IP (Intellectual Property，知識(shí)產(chǎn)權(quán))核的嵌入式系統(tǒng)n 設(shè)計(jì)思想 各種通用處理器內(nèi)核及外設(shè)作為SoC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL/Verilog等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中； 用戶定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣