嵌入式系統(tǒng)概述

1、深圳大學深圳大學 光電工程學院光電工程學院趙志剛趙志剛 電話郵箱：光電所345辦公室2015.02嵌入式系統(tǒng)技術嵌入式系統(tǒng)技術課程安排和要求課程安排和要求 本課程以ARM9微處理器為應用實例，介紹嵌入式系統(tǒng)的基本原理、硬件結構和軟件開發(fā)。1、理論與實踐相結合2、軟硬件結合3、注重學以致用、工程動手能力的培養(yǎng)。特點：-2-教學內容嵌入式系統(tǒng)技術是專業(yè)核心課程，教學內容包括： 嵌入式系統(tǒng)概論 ARM體系結構 嵌入式系統(tǒng)存儲器結構與接口 嵌入式系統(tǒng)輸入輸出接口技術 中斷控制系統(tǒng) 啟動代碼分析 嵌入式系統(tǒng)設計與開發(fā)-3-4-先修基礎知識 模擬電路 數(shù)字電路 計算機硬件基礎 微

2、機原理與接口技術 單片機技術 C語言程序設計等-5-教材與參考書n黃智偉等，ARM9嵌入式系統(tǒng)設計基礎教程(第2版)，北京航空航天大學出版社，2013.3n王小強，ARM處理器裸機開發(fā)實戰(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)開發(fā):軟件設計與優(yōu)化，北京航空航天大學出版社，2005.5-6- -7-教學目標（期望）掌握嵌入式系統(tǒng)設計的基本原理、基本方法；熟悉ARM微處理器體系結構，掌握一套主流的開發(fā)工具及其開發(fā)方法；具備嵌入式系統(tǒng)軟、硬件開發(fā)設計的基本能力；為進一步研究和處理實際工程問題打下基礎。 -8-考核方式課堂表現(xiàn)占總成績20教學

3、實驗占總成績20閉卷考試占總成績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)的應用系統(tǒng)的應用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎硬件基礎四四、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 從技術的角度定義：以從技術的角度定義：以應用應用為中心

4、、以為中心、以計算機技術計算機技術為基礎、為基礎、軟件硬件可裁剪軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)專用計算機系統(tǒng)。2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林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中國礦業(yè)大學信電學院張林14嵌入式系統(tǒng)組成(2)-14- 板級支持包（BSP）是介于主板硬件和操作系統(tǒng)中驅動層程序之間的一層。-15-嵌入式系統(tǒng)組成(3)2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林16嵌入式系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)-16-2022-4-30中國礦業(yè)大學信

5、電學院張林17嵌入式系統(tǒng)_最小硬件系統(tǒng)-17-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林18嵌入式系統(tǒng)_最小硬件系統(tǒng)-18-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林19嵌入式外圍設備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、通信、I/O、調試等功能的其它部件：存儲器類型：靜態(tài)易失型存儲器(volatile RAM/SRAM)，動態(tài)存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(non-volatile ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，F(xiàn)LASH(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等優(yōu)點在嵌入式領域得到廣泛的應用。接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統(tǒng)

6、中都有其廣泛的應用，但是以下幾種接口的應用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設備。-19-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林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1n 可靠性要求高 很多嵌入式系統(tǒng)在無人照看的環(huán)境下運行，出現(xiàn)問題會造成整個系統(tǒng)的癱瘓，并很難人為干預，因此對“平均無故障時間 (Mean Time Between Failure) ”有更高要求，并應有自恢復機制。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，功耗是重點考慮的因素。大耗電量直接影響到硬件費用，并影響電源壽命以及帶來散熱問題。n 物理尺寸要求 體積應達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、所需的內存及相應的外圍芯片；軟件成本通常難于預測，但好的設計方法有利于降低軟件成本。n 環(huán)境相關性 嵌入式系統(tǒng)不是獨立的，而是與其被嵌入的設備緊密相關聯(lián)。-22-3、嵌入式系統(tǒng)的特點2n 軟件一般固化在存儲器芯片或處理器本身n 軟件體積小 由于嵌入式系統(tǒng)硬件資源相對有限，嵌入式軟件也要量體裁衣，避免冗余。n 軟件專用性強 嵌入式系統(tǒng)的個性化很強，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結合非常緊密，一般要

8、針對硬件進行系統(tǒng)的移植。 同時針對不同的任務，往往需要對系統(tǒng)進行較大更改，程序的編譯下載要和系統(tǒng)相結合。n 操作系統(tǒng)內核小 比如ENEA公司的OSE實時OS，內核只有5K，而Windows的內核則要大得多。n 操作系統(tǒng)實時性要求高 有些嵌入式系統(tǒng)有強實時性要求。n 必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進行開發(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)的應用系統(tǒng)的應用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎硬件基礎四四、嵌入式、嵌入式處理器處理器的類的類型型嵌入式系統(tǒng)的應用領域嵌入式應用信息家電智能玩具軍事電子通信設備移動存貯工控設備智能儀

9、表汽車電子網(wǎng)絡設備消費電子軍事國防電子商務網(wǎng)絡工業(yè)控制-24-嵌入式系統(tǒng)主要應用領域1n 國防工業(yè)、軍事工業(yè)、兵器工業(yè)：各種武器控制（火炮控制、導彈控制、智能炸彈制導引爆裝置）、坦克、艦艇、轟炸機等陸?？崭鞣N軍用電子裝備，雷達、電子對抗軍事通信裝備，野戰(zhàn)指揮作戰(zhàn)用各種專用設備等。我國嵌入式計算機最早用于導彈控制。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 震動和沖擊 溫度和濕度軍事國防領域21世紀部隊旅及旅以下作戰(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”價值4萬美元，可攜帶2架攝像機，發(fā)揮了重要作用軍事偵察航天領域基于VXworks的火星探路

10、者嵌入式系統(tǒng)主要應用領域2n 信息家電、民用設備：各種信息家電產品，如數(shù)字電視機、機頂盒，數(shù)碼相機，VCD、DVD音響設備，可視電話，家庭網(wǎng)絡設備，洗衣機，網(wǎng)絡冰箱，網(wǎng)絡空調，智能玩具，其他消費類電子產品等。-29-智能玩具與機器人-30-31-基于Win CE的移動機器人平臺手機-32-韓國電信手機/電視遙控器二合一產品p 功能手機p 智能手機與PDA結合Sony Ericsson超小型手機電腦手機放在底座上成為電腦內置 DVB-H 移動電視手機手表33p 蘋果的iWatchp 三星的Gear 800MHz單核處理器 512MB RAM及4GB機身存儲空間 電池容量為315毫安 藍牙，加速度

11、計，陀螺儀，兩個麥克風 190萬像素自動對焦鏡頭Google Glass34n Android 4.0.4系統(tǒng)n TI OMAP 4430 CPUn 總閃存16GB，12GB的可用儲存空間n 顯示效果相當于從8英尺外看25英寸電視n 500萬像素照片拍攝n 可錄制720p高清視頻n 骨傳導音頻技術n 無線連接采用802.11b/g標準的Wi-Fin 藍牙，可與任何具備藍牙功能的手機相連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)主要應用領域337n 工業(yè)：各種智能測量儀表、智能卡、數(shù)控裝置、可編程控制器、控制機、分布式控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線儀表及控制系統(tǒng)、工業(yè)機器人、智能機器人、智能傳感器、機電一體化機械設備、車載導航器、汽車電子設備、車輛與交通工程等。汽車電子38汽車電子產品（18個嵌入式控制模塊）CAN總線網(wǎng)絡VOLVO S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡-39-嵌入式系統(tǒng)示例：汽車控制系統(tǒng)-40-馬達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)動器控制系統(tǒng)所有的控制系統(tǒng)都是一個完整的嵌入式系統(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

13、8bit 嵌入式處理器7個16bit嵌入式處理器1個32bit嵌入式處理器多種網(wǎng)絡技術汽車電子儀器儀表42p DCG (動態(tài)心電圖儀)p 便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀p 中醫(yī)指套傳感器脈象虛擬儀器p 推拿手法測試儀p 電動機故障狀態(tài)監(jiān)測保護系統(tǒng) 監(jiān)控儀手持儀嵌入式系統(tǒng)主要應用領域443n 商業(yè)：各類收款機、電子秤、條形碼閱讀機、商用終端、銀行點鈔機、IC卡輸入設備、取款機、自動柜員機、自動服務終端、防盜系統(tǒng)、各種銀行專業(yè)外圍設備、智能金融器具、遠程教育。嵌入式系統(tǒng)主要應用領域544n 辦公自動化：復印機、打印機、傳真機、掃描儀、其他計算機外圍設備、掌上電腦、激光照排系統(tǒng)、安全監(jiān)控設備、媒體手機、移動電話

14、、尋呼機、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調設備、通信終端、程控交換機、網(wǎng)絡瀏覽器、網(wǎng)絡設備（路由器、交換機、Web server、網(wǎng)絡接入盒等）、網(wǎng)絡工程、錄音錄象及電視會議設備、數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)主要應用領域645n 醫(yī)療保健設備：各種醫(yī)療電子儀器，X光機、超聲診斷儀、計算機斷層成像系統(tǒng)、心臟起博器、監(jiān)護儀、輔助診斷系統(tǒng)、遠程醫(yī)療、專家系統(tǒng)等。n 其他領域：農業(yè)技術、光學系統(tǒng)、氣象預報、衛(wèi)星通信網(wǎng)、數(shù)字通信、移動數(shù)據(jù)庫、語音處理。-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)的應用系統(tǒng)的應用三三、嵌入式處理器硬件基礎、嵌

15、入式處理器硬件基礎四四、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馮諾依曼結構與哈佛結構1復雜指令集與精簡指令集2流水線技術3信息存儲的字節(jié)順序4-47-馮諾依曼體系結構 馮諾依曼理論：數(shù)字計算機的數(shù)制采用二進制；計算機應該按照程序順序執(zhí)行。 將數(shù)據(jù)與指令存儲在同一存儲器中，統(tǒng)一編址。 取指令和取數(shù)據(jù)都訪問同一存儲器，數(shù)據(jù)吞吐率低。 被大多數(shù)計算機采用 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哈佛結構n 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器分開，是兩個相互獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。n 設置

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 并行體系結構，取址和執(zhí)行能完全重疊運行。n 適合于數(shù)字信號處理n 大多數(shù)DSP都是哈佛結構n ARM9是哈佛結構（通過獨立的數(shù)據(jù)cache和指令cache實現(xiàn)）指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(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馮諾依曼結構與哈佛結構1復雜指令集與精簡指令集2流水線技術3信息存儲的字節(jié)順序4-50-RISC與CISCn 對CPU的優(yōu)化可從兩個角度實現(xiàn)：增強指令的功能，減少IC CISC：復雜指令集（Complex Instruction Set Compute

17、r）優(yōu)化每一條指令，減小CPI及CC RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)CT = IC * CPI * CC CT(CPU Time)：CPU完成一個功能需要的時間 IC(Instruction count)：完成一個功能需要的指令數(shù)量 CPI(Cycle per Instruction)：每條指令所需的時鐘周期數(shù) CC(Clock Cycle)：每個時鐘周期的時長v如何綜合衡量CPU執(zhí)行的速度？RISC與CISCCISC：復雜指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式，指令長度可變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行RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令長度固定確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結構設計變得更為簡單-52-u 指令集：CPU依靠指令進行計算和控制系統(tǒng)，每款CPU在設計時就規(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,去掉復雜、使用頻度不高的指令n 采用Load/Store結構，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲器訪問方式 處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)，不能處理存儲器中的數(shù)據(jù)n 采用硬接線控制代替微程序控制（一條機器指令

19、的功能是用許多條微指令組成的序列來實現(xiàn)的，這個微指令序列通常叫做微程序，以降低CISC電路的復雜性）CT = IC * CPI * CC ICRISC ICCISC CCRISC CCCISC CPIRISC CPICISC-53-三、嵌入式處理器硬件基礎馮諾依曼結構與哈佛結構1復雜指令集與精簡指令集2流水線技術3信息存儲的字節(jié)順序4-54-55-流水線技術并行執(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)技術技術：在程序執(zhí)行時，多條指令重疊進行操：在程序執(zhí)行時

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

21、信號。在這一級，指備數(shù)據(jù)通路的控制信號。在這一級，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）：處理指令并將結果寫回寄存器。：處理指令并將結果寫回寄存器。當處理器執(zhí)行簡單的數(shù)據(jù)處理指令時，流水線使得平均每當處理器執(zhí)行簡單的數(shù)據(jù)處理指令時，流水線使得平均每個時鐘周期能完成個時鐘周期能完成1條指令。條指令。3級流水線（最佳）n 該例中用6個時鐘周期執(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級流水線ARM9TDMI中使用了典型的中使用了典型的5級流水線，包括以下級流水線，包括以下流水線級流水線級：（1）取指令（fetch）：從存儲器中取出指令，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個操作數(shù)讀端口，因此，大多數(shù)ARM指令能在1個周期內讀取其操作數(shù)。

23、（3）執(zhí)行（execute）：將其中1個操作數(shù)移位，并在ALU中產生結果。如果指令是Load或Store指令，則在ALU中計算存儲器的地址。 算術邏輯單元(arithmetic and logic unit) （4）緩沖/數(shù)據(jù)（buffer/data）：如果需要則訪問數(shù)據(jù)存儲器，否則ALU只是簡單地緩沖1個時鐘周期。（5）回寫（write-back）：將指令的結果回寫到寄存器堆，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馮諾依曼結構與哈佛結構1復雜指令集與精簡指令集2流水線技術3信息存儲的字節(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，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)邊界對齊） Word：字，32bit（字必須于4字節(jié)邊界對齊）。ARM存儲存儲器數(shù)據(jù)組器數(shù)據(jù)組織結織結構：構：長度為1個字的數(shù)據(jù)項占用一組4字節(jié)的位置，該位置開始于4的倍數(shù)的地址（地址最末兩位為00）半字數(shù)據(jù)占有兩個字節(jié)的位置，該位置開始于偶數(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信息存儲的字節(jié)順序n 多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)，在存儲器中有兩種存放方法：大端格式(big-endian)字數(shù)據(jù)的高字節(jié)存儲在低地址中，而字數(shù)據(jù)的低字節(jié)則存放在高地址中小端格式(little-endian)：

25、與大端存儲格式相反，低地址中存放的是字數(shù)據(jù)的低字節(jié)，高地址存放的是字數(shù)據(jù)的高字節(jié)-61-字節(jié)順序會涉及到的問題n 可移植性問題 當在不同存儲順序的微處理器間進行程序移植時，要特別注意存儲模式的影響。把從軟件得到的二進制數(shù)據(jù)寫成一般的數(shù)據(jù)格式往往會涉及到存儲順序的問題n 通信中的存儲順序問題 在網(wǎng)絡通信中，Internet協(xié)議（即IP協(xié)議）定義了標準的網(wǎng)絡字節(jié)順序。該字節(jié)順序被用于所有設計使用在IP協(xié)議上的數(shù)據(jù)包、高級協(xié)議和文件格式n 很多網(wǎng)絡設備也存在存儲順序問題 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-練習練習程序執(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)的應用系統(tǒng)的應用三三、嵌入式處理器、嵌入式處理器硬件基礎硬件基礎四、嵌入式四、嵌入式處理器處理器的類的類型型2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林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 尋址流行體系結構有30多個系列、1000多種，幾乎每個月都有新產品出現(xiàn) 字長有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：最快可以達到2000MIPS 封裝：從幾個引腳到幾百個引腳不等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結構系統(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密切相關 20世紀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，揭開高速發(fā)展

30、的序幕n 早期的單片機的出現(xiàn)： 1976年最早的單片機是Intel公司的8048 Motorola同時推出了68HC05 Zilog公司推出了Z80系列均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定時器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n 1986年，MIPS研制首款32位RISC計算機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中國礦業(yè)大學信電學院張林72嵌入式微控制器(MCU)n 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)n MCU = CPU + 存儲器 + I/O接口 + 輔助電路（時鐘、WatchDog、串口、脈寬調制輸出、A/D、D/A等）；n 微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器，俗稱單片機，以8位居多；n 微控制器的最大特點是單片化，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%的市場份額。2

32、022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林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、的結構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中國礦業(yè)大學信電學院張林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（存儲器接口，鍵盤接口等）+ 輔助電路（時鐘、A/D、D/A、調試電路等） n 嵌入式微處理器必須裝配在專門設計的電路板上，在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件-75-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林76嵌入式微處理器(MPU)n 嵌入式微處理器EMPU由通用計算機

34、中的微處理器演變而來n 與通用計算機處理器不同的是，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求n 為了滿足嵌入式應用的特殊要求，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n 和工業(yè)控制計算機相比，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 美國斯坦福大學的Hennessy教授領導的研究小組研制的MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，

35、無互鎖流水級的微處理器）是世界上很流行的一種RISC處理器，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題。n 從20世紀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用于寬帶接入、路由器、調制解調設備、電視、游戲、打印機、辦公用品、DVD播放等廣泛的領域。n 和ARM公司一樣，MIPS公司本身并不從事芯片的生產活動（只進行設計），不過其他公司如果要生產該芯片，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。78PowerPCn PowerPC（PerformanceOptimizationWi

36、thEnhancedRISCPerformanceComputing）是Freescale（原Motorola）公司的產品。n PowerPC RISC處理器采用了超標量處理器設計和調整內存緩沖器，修改了指令處理設計，它完成一個操作所需的指令數(shù)比CISC處理器要多，但完成操作的總時間卻減少了。n PowerPC內核采用獨特分支處理單元可以讓指令預取效率大大提高，即使指令流水線上出現(xiàn)跳轉指令，也不會影響到其運算單元的運算效率。PowerPC RISC處理器設計了多級內存高速緩沖區(qū)，以便讓那些正在訪問（或可能會被訪問）的數(shù)據(jù)和指令總是存儲在調整內存中。2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林79

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

38、時鐘、 WatchDog、脈寬調制輸出、A/D、D/A、LCD接口、調試電路等) + 通信接口(串行口、 IIC、SPI、以太網(wǎng)、 WIFI等) 一般應用于數(shù)據(jù)、信息的處理，硬件性能強 所需軟件體積較大 接口功能較強 典型MPU：S3C44B0、MPC860、酷睿i3 2120 3.3GHz-79-嵌入式處理器的結構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中國礦業(yè)大學信電學院張林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是專用于離散信號的處理、計算，針對某些領域而設計的處理器。n DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，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)模的應用。-81-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林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MPU等由分立元件實現(xiàn)。n 1982年世界上誕生了首枚DSP芯片，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。n DSP的運算速度的進一步提高，使得其應用領域也從上述范圍擴大到了通信和

40、計算機方面。-82-2022-4-30中國礦業(yè)大學信電學院張林嵌入式DSP處理器市場n 最有代表性的產品是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等幾個不同系列的處理器，該系列24位DSP提供了大容量的片內存儲器、濾波器、協(xié)處理器,具有較優(yōu)異的性能與體積、價位、功耗比n PHILIPS公司近年來也推出了

41、基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加器單元，應用目標是大批量消費類電子產品。嵌入式處理器的結構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中國礦業(yè)大學信電學院張林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，知識產權)核的嵌入式系統(tǒng)n 設計思想 各種通用處理器內核及外設作為SoC設計公司的標準庫，用標準的 VHDL/Verilog等語言描述，存儲在器件庫中； 用戶定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣