微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)課件：chap1 概述

1、1祝崇今電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院EMAIL: Office:(清水河)科B5262計(jì)算機(jī)是什么3后PC時(shí)代：通用計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類4嵌入式系統(tǒng)是一門(mén)交叉學(xué)科，涉及計(jì)算機(jī)、微電子、網(wǎng)絡(luò)、通信、信號(hào)處理、傳感器等諸多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS、片上系統(tǒng)SoC、納米材料、無(wú)線通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng)5 CPU90% 10%無(wú)所不在的計(jì)算(普適計(jì)算)6789 1946年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士Mauchley和電氣工程師Eckert領(lǐng)導(dǎo)的小

2、組研制成功世界上第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)ENIAC 。 著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家Von Neumann參加了為改進(jìn)ENIAC而舉行的一系列專家會(huì)議，研究了新型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 1949年，英國(guó)劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在EDSAC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)了馮諾依曼模式。 直至今天馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕大多數(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)10計(jì)算機(jī)的組成(1)11同步數(shù)字系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的組成(2)12核心系統(tǒng)架構(gòu)軟件基礎(chǔ)本課程涉及主要內(nèi)容： 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組成原理； 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；硬件基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)專業(yè)課程13考核方式考核方式：有限開(kāi)卷成績(jī)構(gòu)成平時(shí)成績(jī)：10實(shí)驗(yàn)成績(jī)：15期中考試：15期末

3、考試：6014教材微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，李廣軍等，電子工業(yè)出版社，2009.8微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，李廣軍等，電子工業(yè)出版社（第2版），20011.815參考書(shū)目郭新房等譯. Stephen D. Burd著. 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（第5版），清華大學(xué)出版社，2007年張晨曦、王志英等編著. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高等教育出版社，2008年 潘松，潘明編著. 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理，科學(xué)出版社，2007年張昆藏等譯. William Stallings著. 計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)-性能設(shè)計(jì)（第七版），清華大學(xué)出版社，2006年杜春雷編著. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，清華大學(xué)出版社，2007年任

4、哲等編著. ARM體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式處理器，北京航空航天大學(xué)出版社，2007 16學(xué)時(shí)分配課堂教學(xué)：64學(xué)時(shí)概述（2學(xué)時(shí)）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成與工作原理（10學(xué)時(shí)）微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)（6學(xué)時(shí)）總線技術(shù)與總線標(biāo)準(zhǔn)（6學(xué)時(shí)）存儲(chǔ)器系統(tǒng)（8學(xué)時(shí)）輸入/輸出接口（8學(xué)時(shí)）ARM微處理器編程模型（4學(xué)時(shí)）ARM匯編指令（4學(xué)時(shí)）ARM程序設(shè)計(jì)（4學(xué)時(shí)）基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5學(xué)時(shí)）基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（5學(xué)時(shí)）基于ARM微處理器核的SoC設(shè)計(jì)（2學(xué)時(shí)）17學(xué)時(shí)分配實(shí)驗(yàn)：16學(xué)時(shí)基于ARM的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境建立ARM平臺(tái)下多線程應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于ARM的SCI/SPI串

5、行通訊實(shí)驗(yàn)基于ARM的觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于ARM的AC97音頻驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)多平臺(tái)兼容的ARM9硬件開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建基于ARM的模塊方式驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于ARM的SD卡讀寫(xiě)及文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)基于ARM的USB OTG接口實(shí)驗(yàn)基于ARM的GPRS通訊實(shí)驗(yàn)基于ARM的以太網(wǎng)通訊實(shí)驗(yàn)基于ARM的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)18實(shí)驗(yàn)設(shè)備19課程簡(jiǎn)介是電子類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，研究微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)方法前修課程：數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)后修課程：嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)控制課程目標(biāo)：理解微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理，具備初步設(shè)計(jì)微處理器硬件系統(tǒng)、編寫(xiě)較簡(jiǎn)單程序的能力，熟悉使用微處理

6、器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具課程主要內(nèi)容微處理器芯片結(jié)構(gòu)、模塊功能及作用微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理微處理器系統(tǒng)接口ARM指令系統(tǒng)及編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)20第一章 概述第一章概述1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展概述（了解）電子計(jì)算機(jī)發(fā)展概述普適計(jì)算與泛在通信1.2 集成電路與SoC設(shè)計(jì)（理解）集成電路技術(shù)的發(fā)展基于IP的SoC設(shè)計(jì)1.3 先進(jìn)的處理器技術(shù)（了解）片上多核處理器(CMP)流處理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重構(gòu)計(jì)算處理器1.4 嵌入式系統(tǒng)（了解）嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)嵌入式系統(tǒng)中的處理器嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)學(xué)習(xí)嵌入

7、式系統(tǒng)的意義2122現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分信息的生成、獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分，計(jì)算機(jī)在信息的后五部分都起到關(guān)鍵作用計(jì)算機(jī)的發(fā)展一直和數(shù)字電路設(shè)計(jì)的發(fā)展相輔相成，互相促進(jìn) 從計(jì)算機(jī)學(xué)科的角度分析，嵌入式系統(tǒng)在一定程度上代表了未來(lái)計(jì)算機(jī)發(fā)展的方向23IT行業(yè)的四大定律 Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個(gè)月翻一番； Bell定律：如果保持計(jì)算能力不變，微處理器的價(jià)格每18個(gè)月減少一半； Gilder定律：未來(lái)25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個(gè)月增加一倍； Metcalfe定律：網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比241.1計(jì)算機(jī)發(fā)展概述機(jī)

8、械式計(jì)算機(jī)的啟蒙時(shí)代 公元前3000年，中國(guó)古代使用珠子計(jì)數(shù)后來(lái)發(fā)明算盤(pán)25中世紀(jì)（1822）Charles Babbage (1791-1871）出生于英國(guó)，父親是銀行家提出分析引擎的設(shè)計(jì)，用于差分運(yùn)算difference engine26分析引擎照片Difference Engine Number 2 4,000個(gè)部件7英尺高, 11英尺長(zhǎng), 18英寸厚500,000磅重analytical engine, 1834271.1.1 電子計(jì)算機(jī)發(fā)展概述美國(guó)發(fā)明家佛斯特（Lee de Forest）于1906年發(fā)明了電子管1909年起，BELL實(shí)驗(yàn)室相繼發(fā)明電子管收音機(jī)、電子管錄放機(jī)、電子管電

9、視機(jī)、唱片機(jī)、無(wú)線電發(fā)報(bào)機(jī) 1920年在美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)摩爾電子工程學(xué)院開(kāi)始研究大規(guī)模數(shù)字計(jì)算機(jī)1943年Mauchly and Eckert 等給美國(guó)軍方建議研制數(shù)字積分器，每秒能計(jì)算一個(gè)軌道參數(shù)1943年5月， ENIAC開(kāi)始設(shè)計(jì)，1944年初，提出程序存儲(chǔ)的概念1944年7月，2個(gè)累加器正常工作1945年春，ENIAC研制成功累加器：28個(gè)真空管1電子管時(shí)代28ENIAC18,000電子管1500個(gè)繼電器70,000電阻5M個(gè)焊點(diǎn)占地1,800平方英尺功率180,000瓦重量30噸運(yùn)算速度5000次/秒29ENIAC30英國(guó) Manchester Mark I (1948)開(kāi)發(fā)成功固體

10、電子存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)存儲(chǔ)器：32字32位1949年10月全部完成31EDSAC英國(guó)劍橋，1945年322晶體管(transistor)時(shí)代1947年12月，肖克萊、巴丁和布拉頓 鍺點(diǎn)接觸型晶體管1950年面結(jié)型硅晶體管1953年半導(dǎo)體材料區(qū)域提純1958年第一塊集成電路德克薩斯儀器公司(TI) - Ge IC仙童公司(Fairchild) - Si IC1960年MOS場(chǎng)效應(yīng)管33第一個(gè)點(diǎn)接觸型鍺晶體管巴丁(左)肖克萊(中)布拉頓1947年12月，3人研制出點(diǎn)接觸型晶體管1948年1月肖構(gòu)思了面結(jié)型晶體管，直到1950年4月研制成功34第一臺(tái)集成電路的計(jì)算機(jī)IBM360(第三代)1964年4月，

11、IBM研制第一臺(tái)采用集成電路的計(jì)算機(jī)，兼顧科學(xué)計(jì)算和事務(wù)處理35中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)第三代計(jì)算機(jī)是中、小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代，它是以集成電路作為基礎(chǔ)元件，這是微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的一大突破，并且有了操作系統(tǒng)。36INTEL40041971.11.15集成2250個(gè)元件第1個(gè)微處理器37INTEL80081972.4集成了3500第1個(gè)8位微處理器38集成度的迅猛發(fā)展 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的事實(shí)像Moore定律所預(yù)言的一樣，科學(xué)家和工程師解決了一個(gè)又一個(gè)的技術(shù)障礙，使MOS工藝每隔幾年現(xiàn)款就縮小二分之一計(jì)算機(jī)進(jìn)入是大規(guī)模集成電路(Large Scale Integration)和超大規(guī)模集成

12、電路(VLSI)時(shí)代，軟件方面發(fā)展了數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)軟件等39集成度的迅猛發(fā)展 40INTEL處理器處理器時(shí)間 寬度 存儲(chǔ)器 速度MIPS4004197141K80081972816K80801974864K8088198081M.33802861982161M3803861985324G11804861989324G41Pentium 1993 64 4G 11141奔騰系列處理器奔騰處理器1994,100 MHz, 3.3V,集成3M 元件奔騰II:1997.5.7, 266 MHz, 3.3V,集成7.5M個(gè)元件42Intel Pentium (IV) Microproc

13、essor:1999,1.2 GHz, 1.8V,42M Components43Intel core i7 四核處理器44新型的計(jì)算機(jī)生物計(jì)算機(jī)模糊計(jì)算機(jī)光計(jì)算機(jī)量子計(jì)算機(jī)超導(dǎo)計(jì)算機(jī)思考：還有哪些公司的什么處理器和計(jì)算機(jī)？請(qǐng)舉例說(shuō)明計(jì)算機(jī)發(fā)展過(guò)程示意圖1.1.2 普適計(jì)算與泛在通信普適計(jì)算（Ubiquitous computing）：45小型、便宜、網(wǎng)絡(luò)化的處理設(shè)備廣泛分布在日常生活的各個(gè)場(chǎng)所，計(jì)算設(shè)備將不只依賴命令行、圖形界面進(jìn)行人機(jī)交互，而更依賴“自然”的交互方式泛在通信(無(wú)所不在的計(jì)算機(jī))46無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)47物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)48物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)49501.2 集成電路與SoC設(shè)計(jì)美國(guó)德州儀器杰克

14、，基爾比（Jack,Kilby）1958年9月，集成了5個(gè)元件，鍺材料，相移振蕩器第一塊集成電路1.2.1集成電路技術(shù)的發(fā)展51第一塊集成電路1959年7月，美國(guó)仙童公司諾伊斯(Robert Royce)二氧化硅屏蔽的擴(kuò)散技術(shù)和PN結(jié)的隔離技術(shù)，硅平面上的集成電路，更具商業(yè)化都申請(qǐng)了專利，且諾伊斯的先批準(zhǔn)，都認(rèn)為是集成電路的發(fā)明者Robert Royce集成電路工藝年 度199920022005200820112014特征尺寸(m)0.180.130.090.0650.500.035集成規(guī)模(transistors)120M330M880M2.5G7.1G19.9G521.2.2 基于IP的S

15、OC設(shè)計(jì)系統(tǒng)知識(shí) (硬件與軟件)電路設(shè)計(jì)知識(shí) (DAC、ADC 等)制造工藝知識(shí)(90nm, 65nm, 45nm)晶圓工藝知識(shí)(300mm 晶圓)A/DA/D數(shù)字射頻處理器數(shù)字濾波與控制混合信號(hào)處理器 數(shù)字 基帶混合信號(hào)處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù)IP核生成和復(fù)用技術(shù)超深亞微米工藝及納米IC設(shè)計(jì)技術(shù)53片上網(wǎng)絡(luò)(NOC) 技術(shù)P處理器 M存儲(chǔ)器 C緩存 rni網(wǎng)絡(luò)接口S交換開(kāi)關(guān)Dsp核 re可重構(gòu)邏輯L專用邏輯541.3 先進(jìn)的處理器技術(shù)多核處理器5556多核處理器并行結(jié)構(gòu) 提高計(jì)算機(jī)性能的方法提高時(shí)鐘頻率，以加快CPU的執(zhí)行速度流水線技術(shù)并行處理技術(shù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型單指令單數(shù)據(jù)SISD

16、單指令多數(shù)據(jù)SIMD多指令單數(shù)據(jù)MISD多指令多數(shù)據(jù)MIMD多處理器組織方式對(duì)稱多處理機(jī)(Symmetric MultiProcessor，SMP)機(jī)群系統(tǒng)(cluster)57用單總線連接的多處理器 58通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接的多處理器 59片內(nèi)多處理器和多線程技術(shù) 多個(gè)微處理器通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò)連接共享的一種替代方式是片內(nèi)處理器在這種設(shè)計(jì)中，處理器通常共享一些高速緩存和外部?jī)?nèi)存接口。很明顯，當(dāng)所有的部件都在同一芯片上時(shí)，芯片間通信的延遲就會(huì)小得多601.4 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)或嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在 .61按應(yīng)用來(lái)分類信息家電類移動(dòng)終端類通信類汽車(chē)電子類

17、工業(yè)控制類62一、嵌入式系統(tǒng)的概念 IEEE定義:嵌入式系統(tǒng)(embeded system)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車(chē)間運(yùn)行的裝置”(devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants)國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)同的定義：以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，即“嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”63二、嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn) 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，如ARM系列多用于移動(dòng)電話中，PowerP

18、C用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散并不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用不容易在市場(chǎng)上形成壟斷。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)。嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，和通用計(jì)算機(jī)有以下不同點(diǎn)：軟件要求固件化，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的軟件固化在只讀存儲(chǔ)器中；要求高質(zhì)量、高可靠性的軟件代碼；許多應(yīng)用中要求系統(tǒng)軟件具有實(shí)時(shí)處理能力。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機(jī)地結(jié)合在一起，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進(jìn)入市場(chǎng)，就具有較長(zhǎng)的生命周期。嵌入式系統(tǒng)需要有一套開(kāi)發(fā)工具和環(huán)境以應(yīng)用為中心 軟、硬件可裁剪 對(duì)體積、功耗、實(shí)時(shí)性、可靠性、功能、成本等有嚴(yán)格約束嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)65三、嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)分為如下三大部分 嵌入式系統(tǒng)的硬件,嵌入式系統(tǒng)的硬件包括嵌入式核心芯片、存儲(chǔ)器系統(tǒng)及外部接口。 嵌入式系統(tǒng)的軟件。嵌入式系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分：嵌入式操