嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用課件

0CHAPTER基礎(chǔ)知識RISC和CISC馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)流水線總線高速輸入輸出接口輸入輸出設(shè)備存儲器嵌入式軟件開發(fā)特點基礎(chǔ)知識CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式，指令長度可變8/2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（ReducedInstructionSetComputer)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(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC：Load/Store結(jié)構(gòu)CISC：尋址方式復(fù)雜CISC的背景和特點背景:存儲資源緊缺,強調(diào)編譯優(yōu)化增強指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系統(tǒng)來實現(xiàn)為節(jié)省存儲空間，強調(diào)高代碼密度，指令格式不固定，指令可長可短，操作數(shù)可多可少尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來自寄存器，也可來自存儲器采用微程序控制，執(zhí)行每條指令均需完成一個微指令序列CPI>５，指令越復(fù)雜，CPI越大。CISC的主要缺點指令使用頻度不均衡。高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時間，擴充的復(fù)雜指令往往是低頻度指令。大量復(fù)雜指令的控制邏輯不規(guī)整，不適于VLSI工藝VLSI的出現(xiàn)，使單芯片處理機希望采用規(guī)整的硬聯(lián)邏輯實現(xiàn)，而不希望用微程序，因為微程序的使用反而制約了速度提高。(微碼的存控速度比CPU慢5-10倍)。軟硬功能分配復(fù)雜指令增加硬件的復(fù)雜度，使指令執(zhí)行周期大大加長，直接訪存次數(shù)增多，數(shù)據(jù)重復(fù)利用率低。不利于先進指令級并行技術(shù)的采用流水線技術(shù)RISC基本設(shè)計思想減小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle精簡指令集：保留最基本的，去掉復(fù)雜、使用頻度低的指令采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲器訪問方式采用硬接線控制代替微程序控制RISC的提出與發(fā)展Load/Store結(jié)構(gòu)提出：CDC6600(1963)--CRAY1(1976)RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801處理器是公認(rèn)體現(xiàn)RISC思想的機器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名詞，并研制了RISC-,實驗樣機。1981年Stanford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARCV1(1987)典型的高性能RISC處理器SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的AlphaAXPIBM的RS6000(1990)第一臺SuperscalarRISC機

關(guān)注：國產(chǎn)CPU龍芯與MIPSCISC與RISC的對比類別CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多較少，通常少于100執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊的存儲器內(nèi)容拷貝；或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容拷貝到存貯器沒有較長執(zhí)行時間的指令編碼長度編碼長度可變，1-15字節(jié)編碼長度固定，通常為4個字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡單尋址操作可以對存儲器和寄存器進行算術(shù)和邏輯操作只能對寄存器對行算術(shù)和邏輯操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu)編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)是否還記得計算機五大部件？馮.諾曼結(jié)構(gòu)的處理器使用同一個存儲器，經(jīng)由同一個總線傳輸.馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令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取指令和存取數(shù)據(jù)能否重疊執(zhí)行？哈佛體系結(jié)構(gòu)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)流水線技術(shù)流水線(Pipeline)技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運行效率內(nèi)部信息流要求通暢流動譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp

最佳流水線該例中用6個時鐘周期執(zhí)行了6條指令所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）指令周期數(shù)(CPI)=1

操作周期 1 2 3 4 56ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchLDR流水線舉例該例中，用6周期執(zhí)行了4條指令指令周期數(shù)(CPI)=1.5

周期

操作 1 2 3 4 5 6ADDSUBLDRMOVANDORRFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水線舉例流水線被阻斷周期

12345

0x8000BL0x8004X0x8008XX0x8FECADD0x8FF0SUB0x8FF4MOV地址

操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchDecodeFetch超標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量(Superscalar)執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)執(zhí)行1取指指令譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1取指譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)回寫高速緩存（CACHE）1、為什么采用高速緩存微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。2、高速緩存的工作原理高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲器高速設(shè)備鍵盤低速總線ARM公司提出的AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)總線總線的主要參數(shù)有總線的帶寬總線的位寬總線的工作時鐘頻率總線機制微處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的核心構(gòu)件，但不是全部。按照馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)思想，計算機的硬件是由CPU、存儲器和I/O設(shè)備三部分組成的?？偩€是把CPU與存儲器、I/O設(shè)備相連接的信息通道，但總線并不僅僅指的是一束信號線，而應(yīng)包含相應(yīng)的通信協(xié)議。按照使用場合的不同，總線分成芯片級總線（CPU總線）、板卡級總線（內(nèi)總線）和系統(tǒng)級總線（外總線）。ISAIBM公司于1981年推出的基于8位機PC/XT的總線，稱為PC

總線。IBM公司于1984年推出了16位PC機PC/AT，其總線稱為AT總線。然而IBM公司從未公布過他們的AT總線規(guī)格。由Intel公司，IEEE和EISA集團聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT原裝機總線意義相近的ISA總線，即8/16位的“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)”(ISA-IndustryStandardArchitecture)總線。6.66MHZ至26.66MHZ

，典型8MHzEISA總線，32位PCI1991年下半年，Intel公司首先提出了PCI的概念。Intel聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等100多家公司成立了PCI集團，其英文全稱為：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIG。93年發(fā)布PCI2.0，32位，33MHz。5個以上PCI插槽AGP（圖形加速處理）90年代后期，PCI-X，64位/66MHzI2CPHILIPS開發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡單的雙向兩線串行總線I2C(Inter-IntegratedCircuit)最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40個設(shè)備數(shù)據(jù)線時鐘線CAN（ControllerAreaNetwork）80年代末，由德國Bosch公司最先提出被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。發(fā)動機管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。使用CSMA/CD協(xié)議40米以內(nèi)，1Mbps；10Km，5Kbps；理論上可以支持無限多個設(shè)備可靠性高，誤碼率為10-11抗電磁干擾性強汽車中的CAN總線汽車電子產(chǎn)品（18個嵌入式控制模塊）——CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)存儲器系統(tǒng)寄存器高速緩存SRAM主存儲器DRAM本地存儲器Flash、ROM、磁盤網(wǎng)絡(luò)存儲器Flash、ROM、磁盤時鐘周期01—1050—10020000000分層結(jié)構(gòu)存儲器種類RAM：隨機存取存儲器，SRAM：靜態(tài)隨機存儲器，DRAM：動態(tài)隨機存儲器

1）SRAM比DRAM快

2）SRAM比DRAM耗電多

3）DRAM存儲密度比SRAM高得多

4）DRAM需要周期性刷新ROM：只讀存儲器EPROM:可擦除可編程ROMEEPROM:電可擦除可編程ROMFLASH：閃存閃速存儲器(FLASH)相對傳統(tǒng)的EPROM芯片，這種芯片可以用電氣的方法快速地擦寫由于快擦寫存儲器不需要存儲電容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM它使用方便，既具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有ROM在斷電后可不丟失信息的特點，所以快擦寫存儲器技術(shù)發(fā)展十分迅速NOR技術(shù)NOR技術(shù)閃速存儲器是最早出現(xiàn)的FlashMemory，目前仍是多數(shù)供應(yīng)商支持的技術(shù)架構(gòu)，它源于傳統(tǒng)的EPROM器件。與其它FlashMemory技術(shù)相比，具有可靠性高、隨機讀取速度快的優(yōu)勢。在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場合，尤其是代碼（指令）存儲的應(yīng)用中廣泛使用。由于NOR技術(shù)FlashMemory的擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大，因此擦除和編程操作所花費的時間很長，在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。NAND技術(shù)NAND技術(shù)FlashMemory具有以下特點：以頁為單位進行讀和編程操作，1頁為256或512字節(jié)；以塊為單位進行擦除操作，1塊為4K、8K或16K字節(jié)。具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時間是2ms；而NOR技術(shù)的塊擦除時間達到幾百ms。數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機編程。芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bitcost)最低的固態(tài)存儲器，突破了每兆字節(jié)1元的價格限制。芯片包含有失效塊，其數(shù)目最大可達到3~35塊（取決于存儲器密度）。失效塊不會影響有效塊的性能，但設(shè)計者需要將失效塊在地址映射表中屏蔽起來。基于NAND的存儲器可以取代硬盤或其它塊設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)——流程需求分析及規(guī)格說明選擇主要芯片確定編程語言選擇開發(fā)環(huán)境RTOS的使用選擇開發(fā)方案設(shè)計與調(diào)試測試與集成測試工具與其他輔助設(shè)備產(chǎn)品嵌入式系統(tǒng)編程語言DatafromJapanITRONsurveyfornewembeddedsystemsC所占比例高達71%，C++所占比例為15%，位居第二，其他開發(fā)語言均占據(jù)了較少的比例。不過，2009年隨著3G技術(shù)的推動，移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，C++、Java等高級語言也得到廣泛應(yīng)用，未來幾年基于移動開發(fā)的語言將會呈現(xiàn)多樣性的局面。嵌入式人才需求目前仍然是供不應(yīng)求，80%以上參與調(diào)查的工程師都表示，自己公司目前都急缺嵌入式開發(fā)方面的人才。調(diào)查行業(yè)人員經(jīng)驗調(diào)查學(xué)歷要求調(diào)查薪資分布調(diào)查行業(yè)分布調(diào)查公司規(guī)模調(diào)查硬件開發(fā)平臺調(diào)查軟件開發(fā)平臺調(diào)查開發(fā)語言調(diào)查軟硬人員安排調(diào)查人員需求調(diào)查薪資滿意度調(diào)查未來一年薪資漲幅調(diào)查是否經(jīng)常加班調(diào)查工作帶來成就感調(diào)查經(jīng)常光顧的網(wǎng)站調(diào)查獲取專業(yè)知識的途徑調(diào)查首選搜索引擎1CHAPTER嵌入式系統(tǒng)概論主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)的三大領(lǐng)域服務(wù)器市場功能強利潤最大的市場可用性強可擴展性桌面市場最廣闊的市場嵌入式市場潛力最大的市場嵌入式系統(tǒng)簡介以往計算機分類：大型計算機、中型機、小型機和微計算機目前計算機分類：超級計算機，大型計算機、工作站、微計算機、亞微計算機亞微計算機(嵌入式計算機)是以嵌入式系統(tǒng)的形式隱藏在各種裝置、產(chǎn)品和系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)簡介

一般定義以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪,應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗和應(yīng)用環(huán)境有特殊要求的專用計算機系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)（技術(shù)角度）嵌入式系統(tǒng)是設(shè)計完成復(fù)雜功能的硬件和軟件，并使其緊密耦合在一起的計算機系統(tǒng)。（系統(tǒng)角度）術(shù)語嵌入式反映了這些系統(tǒng)通常是更大系統(tǒng)（被稱之為嵌入的系統(tǒng)）的一個完整子系統(tǒng)。嵌入式的系統(tǒng)可以包含多個嵌入式系統(tǒng)。廣義定義任何一個非計算機的計算系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)簡介發(fā)展歷史

嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。一個手持的MP3和一個PC104的微型工業(yè)控制計算機都可以認(rèn)為是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)有了近30年的發(fā)展歷史，它是硬件和軟件交替發(fā)展的雙螺旋式發(fā)展。最早的單片機是Intel公司的8048，它出現(xiàn)在1976年Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機均含有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。之后在80年代初，Intel又進一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051。

1981年ReadySystem開發(fā)了世界上第1個商業(yè)嵌入式實時內(nèi)核（VTRX32），包含了許多傳統(tǒng)操作系統(tǒng)的特征，包括任務(wù)管理、任務(wù)間通訊、同步與相互排斥、中斷支持、內(nèi)存管理等功能。隨后，出現(xiàn)了如IntegratedSystemIncorporation(ISI)的PSOS、IMG的VxWorks、QNX公司的QNX

等，PalmOS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，uCOS、Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen、DeltaOS等嵌入式操作系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)。嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介基于8位，16位，32位的嵌入式系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)的早期階段，所有基本硬件構(gòu)件相對較小也較簡單，如：8位的CPU、74系列的芯片及晶體管等，其軟件子系統(tǒng)是采用一體化的監(jiān)控程序，不存在操作系統(tǒng)平臺。今天組成嵌入式系統(tǒng)的基本硬件構(gòu)件已較復(fù)雜，如：16位、32位CPU或特殊功能的微處理器、特定功能的集成芯片等，其軟件設(shè)計的復(fù)雜性成倍增長。因此研究嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計原理及技術(shù)，提供系統(tǒng)的設(shè)計方法和開發(fā)工具是嵌入式計算學(xué)科的關(guān)鍵技術(shù)。嵌入式系統(tǒng)簡介典型的8位微處理系統(tǒng)MCS-51系列的單片機是低端嵌入式系統(tǒng)中用得最多的微處理器。嵌入式系統(tǒng)簡介典型的16位微處理系統(tǒng)MCS-96系列單片機和16位DSP芯片嵌入式系統(tǒng)簡介典型的32位微處理系統(tǒng)ARM系列是應(yīng)用廣泛的32位微處理器。特點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)中，這是一個主要考慮的因素。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。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，但一個好的設(shè)計方法有利于降低軟件成本。多速率系統(tǒng)同時運行多個實時性任務(wù)，系統(tǒng)必須同時控制這些動作，但這些動作有些速度慢，有些速度快。環(huán)境相關(guān)性嵌入式系統(tǒng)不是獨立的，而是與其被嵌入的設(shè)備緊密相關(guān)聯(lián)。嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)簡介特點系統(tǒng)內(nèi)核小由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。比如ENEA公司的OSE實時OS，內(nèi)核只有5K，而Windows的內(nèi)核則要大得多。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(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進行系統(tǒng)的移植。同時針對不同的任務(wù)，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(jié)合，這種修改和通用軟件的“升級”是完全不同的概念。嵌入式系統(tǒng)簡介特點不可壟斷性PC有WinTel壟斷嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的基礎(chǔ)是以應(yīng)用為中心的“芯片”設(shè)計和面向應(yīng)用的軟件產(chǎn)品開發(fā)。產(chǎn)品相對穩(wěn)定性普通處理器18月嵌入式處理器8－10年嵌入式系統(tǒng)簡介實時性實時性的本質(zhì)是任務(wù)處理所化費時間的可預(yù)測性，即任務(wù)需要在規(guī)定的時限內(nèi)完成。任務(wù)執(zhí)行的時間可以根據(jù)系統(tǒng)的軟硬件的信息而進行確定性的預(yù)測。也就是說，如果硬件可以做這件工作，那么基于實時操作系統(tǒng)的軟件將可以確定性的做這件工作。實時系統(tǒng)實時系統(tǒng)的正確性依賴于運行結(jié)果的邏輯正確性和運行結(jié)果產(chǎn)生的時間正確性，即實時系統(tǒng)必須在規(guī)定的時間范圍內(nèi)正確地響應(yīng)外部物理過程的變化。嵌入式系統(tǒng)≠實時系統(tǒng)有些嵌入式系統(tǒng)沒有實時性要求嵌入式系統(tǒng)簡介硬實時軟實時“軟”意味著如果沒有滿足指定的時間約束并不會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果，而對于硬實時系統(tǒng)來說卻是災(zāi)難性的從實踐上說，軟實時和硬實時之間的區(qū)別通常（隱含的和錯誤的）與系統(tǒng)的時間精度有關(guān)：由于這個原因，典型的，軟實時任務(wù)的調(diào)度精度必須大于千分之一秒，而硬實時任務(wù)為微秒級。

嵌入式系統(tǒng)簡介市場2001年嵌入式系統(tǒng)國際會議年會JimTurley的報告中，統(tǒng)計得到PC的數(shù)量只占CPU總耗量的0.1%。據(jù)CCID2003年的數(shù)據(jù)顯示，2000年嵌入式軟件市場規(guī)模為70.33億元，2001年為95.43億元，2002年118.56億元，三年平均增長38.85%。2008年中國軟件業(yè)收入的7570億元中，嵌入式軟件就占了14.8%，在軟件出口中占了2/3左右；2011年規(guī)模達4650億元。目前中國前10家最大的軟件企業(yè)中，5家是嵌入式軟件企業(yè)。嵌入式系統(tǒng)簡介政策國際電信聯(lián)盟(ITU)提出的四階段設(shè)備互聯(lián)概念第一個階段是大型機、主機互聯(lián)第二個階段是臺式機、筆記本跟互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)第三個階段是近年的新現(xiàn)象，手機聯(lián)上移動互聯(lián)網(wǎng)第四個階段則是更多樣化的物物互聯(lián)，一個新的嵌入式設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)時代，也就是目前風(fēng)靡一時的“物聯(lián)網(wǎng)”的概念物聯(lián)網(wǎng)定義(TheInternetofThings)，它是指通過射頻識別(RFID)、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)已被中國正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一溫家寶總理2009年視察無錫中科傳感技術(shù)研發(fā)中心產(chǎn)生效應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)成為工業(yè)界學(xué)術(shù)界成為熱門議題七百家大學(xué)申請物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)密不可分智能傳感器，無線網(wǎng)絡(luò)還是計算機技術(shù)中信息顯示和處理都包含了大量嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和應(yīng)用面向應(yīng)用的SoC芯片和嵌入式軟件是未來嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的重點主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢嵌入式處理器種類繁多、千花齊放據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列兩大主流體系結(jié)構(gòu)低檔8051（8位）體系結(jié)構(gòu)高檔ARM（32位）體系結(jié)構(gòu)嵌入式處理器的一些基本情況處理速度：0.1MIPS~2000MIPS尋址空間：64KB~256MB常用封裝：8個引腳~300個引腳

嵌入式處理器的特點硬件結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)即數(shù)據(jù)存儲空間和程序存儲空間分離較大的程序存儲器（用于固化已調(diào)試好的控制程序）較小的數(shù)據(jù)存儲器（用于存放少量的隨機數(shù)據(jù)——高速）馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)典型的微型計算機的存儲器結(jié)構(gòu)采用的是馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)——也叫普林斯頓結(jié)構(gòu)嵌入式處理器的特點（續(xù)）品種規(guī)格系列化同一產(chǎn)品系列不同型號處理器具有相同CPU內(nèi)核，相同或兼容指令系統(tǒng)I/O接口功能部件配置不一樣，形成不同型號處理器對實時多任務(wù)的支持實時監(jiān)測、控制、通信多任務(wù)有效的調(diào)度嵌入式處理器的特點（續(xù)）可靠性高、功耗低、集成度高、性價比高可靠性高：冗余設(shè)計、電磁兼容設(shè)計功耗低：工作電壓1.2/1.8/2.5/3.3V，工作電流1mA（1μA）集成度高：SoC設(shè)計，高度集成價格低：以32位ARM系列芯片為例三星：44b0x（ARM7）——30元，2410（ARM9）——80元TI：Stellaris（ARMCortex-M3）系列32位微控制器——零售價格最低至11.5元

嵌入式處理器的分類1嵌入式微處理器——EMPUEmbeddedMicroProcessorUnit2微控制器——MCUMicroControllerUnit3數(shù)字信號處理器——DSPDigitalSignalProcessorDigitalSignalProcessing——數(shù)字信號處理1嵌入式微處理器嵌入式微處理器的基礎(chǔ)就是通用CPU為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器在功能上和通用微處理器基本一樣，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性、功耗等方面做了各種增強嵌入式計算機嵌入式微處理器+芯片組（總線仲裁器+中斷控制器+DMA控制器+存儲控制器+I/O接口）+外接存儲器嵌入式微處理器一般與存儲器、接口電路等安裝在一塊電路板上，稱為單板機，如PC/104、Biscuit板等典型芯片（32、64位）386EX、486EX、奔騰、PowerPC、68k、ARM性能：100～2000MIPS存儲器：SDRAM-2~256MB，F(xiàn)lash-1~128MB

一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、WINCE(2MB)、uCLinux(300KB)，EmbeddedLinux1嵌入式微處理器（續(xù)）PowerPC特點——可伸縮性好，方便靈活品種很多，有通用處理器、嵌入式處理器和CPU核通用處理器——主要型號是PowerPC750系列，主頻最高為700MHz嵌入式處理器——有PowerPC405（主頻最高為266MHz）和PowerPC440（主頻最高為550MHz）CPU核——用于各種集成的系統(tǒng)芯片（System-On-Chip，SOC）設(shè)備上生產(chǎn)公司：Freescale(IBM)、Motorola1嵌入式微處理器（續(xù)）PC/104、PC/104+單板機規(guī)范1996年6月公布了PC/104規(guī)范3.2版特點PC/104總線采用96mmx90mm的小板結(jié)構(gòu)低功耗，1~5瓦每模塊

，支持32位PCI連接緊湊加固性設(shè)計的PC/104工控機在軍工產(chǎn)品中得到采用，如火箭、導(dǎo)彈和戰(zhàn)斗機等PC/104總線工控機主流產(chǎn)品是486EX和586EX

PC/104插槽功耗小于4.5瓦2024/3/1?國防科技大學(xué)計算機學(xué)院601室82PC104摘自周立功網(wǎng)站1嵌入式微處理器（續(xù)）BiscuitPC單板機特點一體化計算機低成本形狀像餅干，俗稱餅干計算機分類迷你BiscuitPC（2.5”120x82mm）半尺寸BiscuitPC（3.5”145x102mm）全尺寸BiscuitPC（5.25“203x146mm）迷你BiscuitPC（2.5”120x82mm）半尺寸BiscuitPC（3.5”145x102mm）全尺寸BiscuitPC（5.25“203x146mm）Mini-ITX結(jié)構(gòu)170×170mmKINOAtom工業(yè)主板2微控制器微控制器又稱單片機顧名思義，就是將整個計算機集成到一塊芯片中低檔微控制器CPU存儲控制器+片內(nèi)存儲器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）中斷控制器、定時/計數(shù)器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等典型芯片8051系列（8位）、MSP430（16位）性能：1～100MIPS存儲器：SRAM-256B/2～128KB,Flash-8KB/64/512KB一般無操作系統(tǒng)或者簡單操作系統(tǒng)：uC/OS-II(幾KB～十幾KB)、FreeRTOS(幾KB)、RTX(幾KB)2微控制器（續(xù)）高檔微控制器CPU+總線仲裁器+DMA控制器+中斷控制器+I/O接口+存儲控制器+外接存儲器/少量片內(nèi)存儲器（Flash、SRAM、SDRAM）典型芯片（32位）ARM、MIPS、PowerPC、68k與嵌入式微處理器比較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，但性能有所降低目前微控制器是嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流，在嵌入式系統(tǒng)占有約70％的市場份額性能：100～1000MIPS存儲器：SDRAM-4/8/16/32/64MB,Flash-2/4MB一般有操作系統(tǒng)：Vxworks、uCOSII、WINCE、uCLinux8位單片機示意圖CPUSRAMGPIOUARTFlash定時/計數(shù)器A/DD/ACANWatchdog核心部分USBI2CSPI80C51=(1×8)CPU+128BRAM+4KBROM+(2×16)T/C+(4×8)I/O+1個UART+5個中斷源注意：51子系列和52子系列都采用51內(nèi)核技術(shù)，差異主要在RAM/TC/INT

型號中包含字母C的屬于CHMOS型（互補高密度金屬氧化物半導(dǎo)體工藝）87C52INTELMCS-51系列單片機一覽表80C51單片機的內(nèi)部資源主要包括：

8位中央處理器（CPU）；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；

4KB片內(nèi)程序存儲器(ROM)；

128字節(jié)的片內(nèi)RAM；4個8位雙向I/O口；5中斷源；

2個16位定時器/計數(shù)器；

1個全雙工串行口；BythewayProteus一款方便的單片機仿真軟件一個小小演示課后作業(yè)——熟悉Proteus應(yīng)用Proteus設(shè)計電路圖32位微控制器示意圖Motorola3G手機E10002微控制器（續(xù)）MIPSMicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStagesMIPS公司于80年代初開始設(shè)計通用RISC處理器R2000（1986年），R3000（1988年），1991年推出第一款64位商用微處理器R4000R8000（1994年）、R10000（1996年）、R12000（1997年）新32位微控制器4kc（1999年）新64位微控制器5kc（1999年）、20kc（2000年）龍芯獲得MIPS授權(quán)3數(shù)字信號處理器特殊設(shè)計高效乘累加運算、超標(biāo)量操作、指令流水線高效數(shù)據(jù)存取、硬件重復(fù)循環(huán)確定性操作（程序執(zhí)行時間可預(yù)測）應(yīng)用場合數(shù)字濾波、FFT、頻譜分析等方面代表性的產(chǎn)品TI的TMS320系列ADI的21xx系列Motorola的DSP56000系列TI的TMS320系列C2000低成本系列16/32位，定點，最高150MIPS最低價格低于2.00美元應(yīng)用數(shù)字電機控制、數(shù)字電源和智能傳感器C6000高性能系列C62xx/C64xx系列——32位，定點C67xx系列——32位，浮點運行頻率高達

1GHz應(yīng)用領(lǐng)域包括無線、數(shù)字視頻、電信和成像TI的TMS320系列（續(xù)）C5000低功耗系列16位，定點性能高達900MIPS超低功耗，低至0.5mW/MHz適用于個人和便攜式產(chǎn)品，如數(shù)字音樂播放器、VoIP、GPS接收器和便攜式醫(yī)療設(shè)備OMAP多核系列與ARM核集成一拖二、四亞洲嵌入式處理器選用情況目前每年新上市的CPU有98%都是嵌入式的，這類新型CPU的長期發(fā)展性也非常樂觀美國那斯達克指數(shù)與新CPU出貨量變化的消長關(guān)系CPU出貨量達到10G/Year嵌入式處理器選擇原則CPUCore選擇應(yīng)用領(lǐng)域用戶需求性能浮點處理、MAC單元(MAC:乘加器)工具鏈完善友好的工具鏈開發(fā)的難易程度在系統(tǒng)編程、在系統(tǒng)調(diào)試嵌入式處理器選擇原則（續(xù)）處理器I/O接口選擇總線的需求GPIO的需求有沒有基本通信接口UART、I2C、SPI是否需要USB總線是否需要CAN總線是否需要Ethernet總線是否需要A/D、D/A是否需要LCD控制器是否需要Zigbee、藍牙等嵌入式處理器選擇原則（續(xù)）處理器存儲系統(tǒng)選擇MMU尋址空間（容量）程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、特殊寄存器片上Flash、SRAM、E2PROM是否支持SDRAM市場因素的影響價格是否容易購買技術(shù)支持與售后服務(wù)SoC就是SystemonChip，SoC是一種基于IP核嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。它結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上SoC是一個微小型系統(tǒng),如果說中央處理器(CPU)是大腦,那么SoC就是包括大腦、心臟、眼睛和手的系統(tǒng)。一般傾向?qū)oC定義為將微處理器、模擬IP核、數(shù)字IP核和存儲器集成在單一芯片上,它通常是客戶定制的,或是面向特定用途的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)SOC體系結(jié)構(gòu)ASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterface課后作業(yè)——龍芯了解我國號稱具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用CPU——龍芯；龍芯與意法半導(dǎo)體的關(guān)系？龍芯與MIPS的關(guān)系？哪些公司可以提供嵌入式處理器IP核？當(dāng)前比較著名的嵌入式處理器廠商有哪些？國內(nèi)有哪些公司在研發(fā)嵌入式處理器？主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢使用嵌入式操作系統(tǒng)的優(yōu)缺點優(yōu)點使程序的設(shè)計和擴展變得容易，大大提高了開發(fā)效率。充分發(fā)揮32位CPU多任務(wù)的潛力，實現(xiàn)多任務(wù)設(shè)計，能夠充分利用硬件資源和實現(xiàn)資源共享。實時性和健壯性能夠得到更好的保證。缺點嵌入式操作系統(tǒng)增加ROM/RAM等額外開銷，5～10％的CPU額外負(fù)荷。嵌入式操作系統(tǒng)分類按收費模式劃分商用型Vxworks,Nucleux，PlamOS,Symbian,WinCE,QNX,pSOS,VRTX,LynxOS,Hopen,DeltaOS免費型Linux,μCLinux,μC/OS-Ⅱ,eCos,uITRON按實時性劃分硬實時Vxworks軟實時WinCE,RTLinux無實時EmbeddedLinux

Linux是開放源碼和免費使用的，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)的強大技術(shù)后盾。嵌入式Linux(EmbeddedLinux)是指對Linux經(jīng)過小型化裁剪后，能夠固化在容量只有幾百K字節(jié)或幾兆字節(jié)的存儲器芯片或單片機中，應(yīng)用于特定嵌入式場合的專用Linux操作系統(tǒng)。嵌入式Linux的開發(fā)和研究是目前操作系統(tǒng)領(lǐng)域的一個熱點。主要有RTLinux和

CLinuxLinux的內(nèi)核小、功能強大、API豐富，系統(tǒng)健壯、效率高，易于定制剪裁，在價格上極具競爭力。Linux不僅支持x86CPU，還可以支持其他數(shù)十種CPU芯片。近幾年Linux在嵌入式領(lǐng)域異軍突起，過去的一年中有13%的用戶已經(jīng)開始使用嵌入式Linux系統(tǒng)進行開發(fā)工作；有52%的用戶決定在未來24個月內(nèi)開始使用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)的開發(fā)原型。嵌入式Linux及應(yīng)用μcLinuxWindowsEmbeddedWindowsCE：一種針對小容量、移動式、智能化、32位、連接設(shè)備的模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)（縮減的Win95）。針對掌上設(shè)備、無線設(shè)備的動態(tài)應(yīng)用程序和服務(wù)提供了一種功能豐富的操作系統(tǒng)平臺，屬于軟實時操作系統(tǒng)，由于其Windows背景，界面比較統(tǒng)一認(rèn)可。可以使用大多數(shù)Windows開發(fā)工具（如VB，VC等），大多數(shù)Windows應(yīng)用程序經(jīng)過移植后就可以運行在WinCE平臺上。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200K的ROM。VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)（RTOS），具有良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域牢牢占據(jù)著一席之地。VxWorks所具有的顯著特點是： －可靠性、實時性和可裁減性。 －它支持多種處理器，如x86、i960、SunSparc、MotorolaMC68xxx、MIPS、POWERPC等等。以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如火星探測器（1997年7月4日登陸火星表面）。SymbianOSSymbian由諾基亞、西門子、索尼愛立信等幾家大型移動通訊設(shè)備商共同出資組建的一個合資公司，專門研發(fā)手機操作系統(tǒng)。Symbian操作系統(tǒng)的前身是EPOC。針對PDA及智能手機的，能夠提供良好的軟實時的操作系統(tǒng)，目前幾乎退出智能手機市場主要版本Series60/90/80/40UIQPalmOSPalmOS是著名的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造商3COM旗下的PalmComputing掌上電腦公司的產(chǎn)品。PalmOS是一套專門為掌上電腦編寫的操作系統(tǒng)，充分考慮到了掌上電腦內(nèi)存相對較小的情況，所以Palm操作系統(tǒng)本身所占的內(nèi)存很小，基于Palm操作系統(tǒng)編寫的應(yīng)用程序所占的空間也很小，通常只有幾十KB，因此基于Palm操作系統(tǒng)的掌上電腦雖然只有幾兆內(nèi)存卻可以運行眾多的應(yīng)用程序。PalmOS在PDA市場上占有很大的市場份額，PalmOS的市場份額占到將近90%，最近下降70％，目前主要與WINCE進行激烈競爭。代表性的產(chǎn)品有Palmm505、Palmm500、PalmIII等。C/OS及C/OS-IIC/OS—MicroControllerOSC/OS簡介美國人JeanLabrosse1992年完成，已應(yīng)用于數(shù)百種產(chǎn)品中。應(yīng)用面覆蓋了諸多領(lǐng)域，如照相機、醫(yī)療器械、音響設(shè)備、發(fā)動機控制、高速公路電話系統(tǒng)、自動提款機等1998年

C/OS-II，目前的版本

C/OS-IIV2.722000年，得到美國航空管理局（FAA）的認(rèn)證，可以用于飛行器中是一個源碼公開、可移植、可裁減、占用資源少、搶先式的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。其絕大部分源碼采用ANSIC寫的，移植性好。高校教學(xué)可免費使用。網(wǎng)站www.ucos-II.com（)主要內(nèi)容1324嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式處理器嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用及發(fā)展趨勢嵌入式系統(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)備移動存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費電子軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopesNixvueDigitalAlbumDigitalPhotoAlbum一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實例嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲設(shè)備的核心。嵌入式視頻服務(wù)器現(xiàn)代化家庭嵌入式Internet應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)在信息家電中的應(yīng)用信息家電(InformationAppliance）一般可認(rèn)為，那些低單價、操作簡單、可通過因特網(wǎng)發(fā)送或獲取信息，將逐步分割或替代PC的某些功能，并能與其它信息產(chǎn)品交換資料或訊息的產(chǎn)品可統(tǒng)稱為信息家電。信息家電的分類及特點信息家電的分類網(wǎng)絡(luò)電視（NetTV）網(wǎng)上游戲機（Internetgamingdevice）智能掌上型設(shè)備(Internetsmarthandhelddevice)網(wǎng)絡(luò)電話（InternetscreenPhone）ConsumerNCclient等。信息家電技術(shù)特點處理器發(fā)展趨向低成本、高整合性與低耗能。整合數(shù)字與模擬處理的技術(shù)。較PC更強調(diào)通訊能力。利用軟件增加產(chǎn)品的差異性(高附加價值的關(guān)鍵)典型的信息家電產(chǎn)品信息家電定義代表性產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)電視具有機頂盒或內(nèi)建網(wǎng)絡(luò)連接的電視MicrosoftWebTV網(wǎng)絡(luò)可視電話具有集成網(wǎng)絡(luò)接入的屏幕電話InfoGeariPhone網(wǎng)絡(luò)游戲機具有集成網(wǎng)絡(luò)接入的游戲操縱臺SegaDreamcast網(wǎng)絡(luò)智能手持器件蜂窩電話、個人數(shù)據(jù)助理（PDA）和其它集成網(wǎng)絡(luò)接入的便攜式器件3ComPalmAT&TPocketNetPhoneNokia9000,9000I,9110,7110NC委托（clients）提供網(wǎng)絡(luò)接入以及能下載應(yīng)用軟件的器件IBMNetStationPC-中間器件通過PC接入網(wǎng)絡(luò)以下載內(nèi)容的器件DIAMONMultimediaRioPlayerNuvomediaRockete-BookAudibleMobilePlayerSource:IDC,Hambrecht&Quist信息家電——數(shù)字機頂盒汽車電子產(chǎn)品（18個嵌入式控制模塊）——CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVOS80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)

嵌入式應(yīng)用——汽車電子智能玩具與機器人嵌入式技術(shù)應(yīng)用——工業(yè)控制工業(yè)方面：機床、冶金、電子、交通、航空航天等行業(yè)技術(shù)升級的重要基礎(chǔ)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)揮了很好作用。軍事偵察2002年11月28日，以色列一選舉投票點，發(fā)生槍擊事件，造成至少7人死亡，數(shù)十人受傷。以警方用機器人在檢查一具巴勒斯坦槍手的尸體。反恐防暴微型飛行器---“黑寡婦”空中飛行器基于WinCE的移動機器人平臺基于RTLinux的仿人機器人高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號”再次登陸火星嵌入式處理器的發(fā)展趨勢內(nèi)部結(jié)構(gòu)SoC設(shè)計，與DSP、Flash、FPGA融合性能更強，集成更多的功能部件雙核或多核結(jié)構(gòu)功耗更低工作電流只有0.1μA（電池供電）可靠性更高倍頻技術(shù)、ESD（靜電防護）技術(shù)支持ISP（在系統(tǒng)編程）、ISD（在系統(tǒng)調(diào)試）2CHAPTERARM體系結(jié)構(gòu)第2章目錄1.簡介2.ARM7TDMI3.ARM7TDMI的模塊和內(nèi)部框圖4.體系結(jié)構(gòu)直接支持的數(shù)據(jù)類型5.處理器狀態(tài)6.處理器模式7.內(nèi)部寄存器8.程序狀態(tài)寄存器9.異常10.復(fù)位11.存儲器及存儲器映射I/O第2章目錄1.簡介2.ARM7TDMI3.ARM7TDMI的模塊和內(nèi)部框圖4.體系結(jié)構(gòu)直接支持的數(shù)據(jù)類型5.處理器狀態(tài)6.處理器模式7.內(nèi)部寄存器8.程序狀態(tài)寄存器9.異常10.復(fù)位11.存儲器及存儲器映射I/O2.1ARM簡介ARM公司簡介ARM是AdvancedRISCMachines的縮寫，它是一家微處理器行業(yè)的知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC（精簡指令集）處理器。公司的特點是只設(shè)計芯片，而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。2.1ARM簡介ARM（AdvancedRISCMachines）不僅是公司名字，也是一類微處理器的通稱ARM公司1991年成立于英國劍橋知識產(chǎn)權(quán)（IP）ARM公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可全世界有幾十家大的半導(dǎo)體公司都使用ARM公司的微處理器核（TI、NXP、Atmel、ST、Freescale等）市場份額基于ARM技術(shù)的微處理器占32位RISC微處理器75%以上的市場份額2.1ARM簡介ARM公司簡介將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...2.1ARM簡介微處理器是整個系統(tǒng)的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術(shù)邏輯單元和寄存器。

算術(shù)邏輯單元寄存器控制單元微處理器存儲器輸入輸出2.1ARM簡介ARM處理器的特點功耗低、成本低、性能高支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集Cortex支持Thumb-2（16/32位混合指令系統(tǒng)）指令長度固定（32位/16位）大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高C5000：0.5mW/MHzARM7TDMI：0.28mW/MHzCortex-M3：0.19mW/MHz2.1ARM簡介ARM處理器的應(yīng)用當(dāng)前主要應(yīng)用于消費類電子領(lǐng)域；到目前為止，基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位嵌入式微處理器75％以上的市場份額全球80%的GSM/3G手機、99%的CDMA手機以及絕大多數(shù)PDA產(chǎn)品均采用ARM體系的嵌入式處理器，“掌上計算”相關(guān)的所有領(lǐng)域皆為其所主宰。ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。2.1ARM簡介ARM體系結(jié)構(gòu)ARM處理器為RISC芯片，其簡單的結(jié)構(gòu)使ARM內(nèi)核非常小，這使得器件的功耗也非常低。它具有經(jīng)典RISC的特點：大的、統(tǒng)一的寄存器文件；裝載/保存結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)處理操作只針對寄存器的內(nèi)容，而不直接對存儲器進行操作；簡單的尋址模式;統(tǒng)一和固定長度的指令域，簡化了指令的譯碼，便于指令流水線設(shè)計。2.1ARM簡介ARM體系結(jié)構(gòu)ARM體系結(jié)構(gòu)的特點：每條數(shù)據(jù)處理指令都對算術(shù)邏輯單元和移位器控制，實現(xiàn)了ALU和移位器的最大利用；地址自動增加和減少尋址模式，優(yōu)化程序循環(huán)；多寄存器裝載和存儲指令實現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量;所有指令的條件執(zhí)行實現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本ARM體系結(jié)構(gòu)從最初開發(fā)到現(xiàn)在有了很大的改進，并仍在完善和發(fā)展。為了清楚的表達每個ARM應(yīng)用實例所使用的指令集，ARM公司定義了7種主要的ARM指令集體系結(jié)構(gòu)版本，以版本號V1～V7表示。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V1

該版本的ARM體系結(jié)構(gòu)，只有26位的尋址空間，沒有商業(yè)化，其特點為：基本的數(shù)據(jù)處理指令（不包括乘法）；字節(jié)、字和半字加載/存儲指令；具有分支指令，包括在子程序調(diào)用中使用的分支和鏈接指令；在操作系統(tǒng)調(diào)用中使用的軟件中斷指令。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V2

同樣為26位尋址空間，現(xiàn)在已經(jīng)廢棄不再使用，它相對V1版本有以下改進：具有乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器；快速中斷模式中的兩個以上的分組寄存器；具有原子性加載/存儲指令SWP和SWPB。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V3

尋址范圍擴展到32位（目前已廢棄），具有獨立的程序：具有乘法和乘加指令；支持協(xié)處理器；快速中斷模式中具有的兩個以上的分組寄存器；具有原子性加載/存儲指令SWP和SWPB。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V4

不在為了與以前的版本兼容而支持26位體系結(jié)構(gòu)，并明確了哪些指令會引起未定義指令異常發(fā)生，它相對V3版本作了以下的改進：半字加載/存儲指令；字節(jié)和半字的加載和符號擴展指令；具有可以轉(zhuǎn)換到Thumb狀態(tài)的指令（BX）；增加了用戶模式寄存器的新的特權(quán)處理器模式。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V5

在V4版本的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)在指令的定義進行了必要的修正，對V4版本的體系結(jié)構(gòu)進行了擴展并并增加了指令，具體如下：改進了ARM/Thumb狀態(tài)之間的切換效率；E---增強型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作；J----支持新的JAVA,提供字節(jié)代碼執(zhí)行的硬件和優(yōu)化軟件加速功能。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V62001年推出ARMv6，它在許多方面做了改進。如內(nèi)存系統(tǒng)、異常處理和較好地支持多處理器。具體如下：SIMD擴展使得廣大的軟件應(yīng)用如Video和Audiocodec的性能提高了4倍；Thumb-2和TrustZone技術(shù)也用于ARMv6中。ARMv6第一個實現(xiàn)是2002年春推出的ARM1136J(F)-STM處理器，2003年又推出了

ARM1156T2(F)-S

和ARM1176JZ(F)-S處理器。2.1ARM簡介各ARM體系結(jié)構(gòu)版本——V7

ARMv7定義了3種不同的處理器配置（processorprofiles）:

ProfileA—面向復(fù)雜、基于虛擬內(nèi)存的OSProfileR—針對實時系統(tǒng)的ProfileM—針對低成本應(yīng)用的微控制器的所有ARMv7profiles實現(xiàn)Thumb-2技術(shù)，同時還包括了NEON?技術(shù)的擴展，提高DSP和多媒體處理吞吐量400％

，并提供浮點支持以滿足下一代3D圖形、游戲以及傳統(tǒng)嵌入式控制應(yīng)用的需要。2.1ARM簡介ARM處理器核簡介ARM公司開發(fā)了很多系列的ARM處理器核，目前最新的系列已經(jīng)是ARM11了，而ARM6核以及更早的系列已經(jīng)很罕見了。目前應(yīng)用比較廣泛的系列是：ARM7ARM9ARM9EARM10SecurCoreXscaleARM11Cortex2.1ARM微處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個系列通用系列1ARM7系列2ARM9系列3ARM9E系列4ARM10E系列5ARM11系列6Cortex系列安全系列7SecurCore系列體系結(jié)構(gòu)版本（Architecture）ARMv4TARMv5TEARMv6ARMCortex(v7)ProcessorFamilyARM7ARM9ARM10ARM11ARMCortex按應(yīng)用特征分類應(yīng)用處理器

ApplicationProcessor實時控制處理器

Real-timeController微控制器

Micro-controller特征：MMU,Cache最快頻率、最高性能、合理功耗特征：MPU,Cache實時響應(yīng)、合理性能、較低功耗特征：nosub-memorysystem一般性能、最低成本、極低功耗ARMFamilyARM7?FamilyARM9?FamilyARM10?FamilyARM11?Family150DMIPS300DMIPS500DMIPS1000DMIPSARMCortex?FamilyARM720TARM1136JARM1176JZARM1026EARM920T/ARM922TARM926EJCortexAApplicationProcessorARM7TDMIARM1156T2ARM1026EARM946ECortexREmbeddedRTControllerARM7TDMIARM966EARM968ECortexMMicro-controllerARMArchitecture系列相應(yīng)產(chǎn)品性能特點ARM7系列ARM7TDMI，ARM7TDMI-S，ARM720T，ARM7EJ三級流水性能：0.9MIPS/MHz,可達到130MIPs(Dhrystone2.1)

ARM9系列ARM920T，ARM922T

五級流水，性能：1.1MIPS/MHz，可達300MIPS(Dhrystone2.1)，單32-bitAMBAbus接口，支持MMUARM9E系列ARM926EJ-S,RM946E-S,ARM966E-S,ARM968E-S,ARM996HS

五級流水，支持DSP指令。性能：1.1MIPS/MHz，可達300MIPS(Dhrystone2.1)，高性能AHB,軟核（softIP）

ARM10系列ARM1020E,ARM1022EARM1026EJ-S

6級流水支持分支預(yù)測（branchprediction），支持DSP指令。性能：1.35MIPS/MHz，可達430+Dhrystone2.1

MIPS，可選支持高性能浮點操作，雙64位總線接口，內(nèi)部64位數(shù)據(jù)通路系列相應(yīng)產(chǎn)品性能特點ARM11系列ARM11MPCore,ARM1136J(F)-S,ARM1156T2(F)-S,ARM1176JZ(F)-S

8級流水線(9級ARM1156T2(F)-S)，獨立的load-store和arithmetic流水線，支持分支預(yù)測和返回棧（ReturnStack）。強大的ARMv6指令集，支持DSP，SIMD(SingleInstructionMultipleData)擴展，支持ARMTrustZone、Thumb-2核心技術(shù)。740Dhrystone2.1MIPS，低功耗0.6mW/MHz(0.13μm,1.2V)Cortex系列Cortex-A9MPCoreCortex-A9SingleCoreProcessorCortex-A8,Cortex-M3,Cortex-R4Cortex-A系列：面向用于復(fù)雜OS和應(yīng)用的應(yīng)用處理器（applicationsprocessors），支持ARM,ThumbandThumb-2指令集。Cortex-R系列：面向嵌入式實時領(lǐng)域的嵌入式處理器，支持ARM,Thumb,和Thumb-2指令集。Cortex-M系列：面向深嵌入式價格敏感的嵌入式處理器，只支持Thumb-2指令集SecurCore系列SecurCoreSC100，SecurCoreSC200用于SmartCard和SecureIC的32-bit解決方案。支持ARM和Thumb

指令集，軟核。具有安全特征和低成本安全存儲保護單元

當(dāng)前的主流ARM處理器ARM7世界上最為廣泛使用的CPU之一<100MHzARM9100-300MHzARMPowerdshipmentinyearof2005,31%isARM9based.ARM11芯片廣泛應(yīng)用ARM11300-700+MHzSIMD指令擴展支持更豐富的多媒體應(yīng)用40家授權(quán)芯片公司，一些已開始量產(chǎn)FOMAN902iFirstARM11basedphoneOMAP2420i.MX31/i.MX31L目前最快的嵌入式處理器之一最快的處理器A9提供超過10,000DMIPS的性能運行于2GHz頻率(40nm制造工藝)功耗小于1.9WARMCortexA9ApplicationProcessor目前最快的嵌入式處理器之一ARMCortexA9ApplicationProcessorTI獲得首家ARMCortex-A9授權(quán)

OMAP4430的芯片將提供比目前的OMAP3系列芯片強大一倍的性能，使應(yīng)用程序在移動設(shè)備上運行的速度更快。雙核芯片將給移動設(shè)備帶來1080p高清視頻重放等功能。處理器的時鐘速度最多可達到1GHz，耗電量比它以前的產(chǎn)品減少50%。Cortex-M3實現(xiàn)$1

ARM芯片ARMCortexArchitectureThumb-2ISA3StagePipeline1.22DMIPS/MHz–30%overARM7TDMI33Kgates–30%smallerthanARM7TDMILuminaryMicro的Stellaris系列MCU產(chǎn)品售價僅1美元ARMCortex-M3微控制器內(nèi)核，專門針對MCU應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計，突出低成本、低功耗和高效率。預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫入（Write）預(yù)?。‵etch）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）預(yù)?。‵etch）預(yù)取（Fetch）執(zhí)行（Execute）訪存（Memory）寫入（Write）譯碼（Decode）發(fā)送（Issue）執(zhí)行（Execute）轉(zhuǎn)換（Snny）訪存（Memory）寫入（Write）ARM7ARM9ARM10ARM112.1ARM簡介各版本指令情況項目ARM7ARM9ARM10ARM11流水線3568典型頻率（MHz）80150260335功耗（mW/MHz）0.060.19（+cache）0.5（+cache）0.4（+cache）性能MIPS**/MHz0.971.11.31.2架構(gòu)馮

諾伊曼哈佛哈佛哈佛2.1ARM簡介各版本情況一覽1ARM7系列ARM7微處理器系列特點極低的功耗（0.28mW/MHz），適合對功耗要求較高的應(yīng)用具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)支持的操作系統(tǒng)：uC/OS-II、uCLinux等性能最高可達130MIPSC5000：0.5mW/MHzARMT7DMI：0.28mW/MHzCortex-M3：0.19mW/MHz1ARM7系列（續(xù)）ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域為工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器移動電話、消費電子等ARM7系列包括如下幾種類型ARM7TDMI、ARM7TDMI-SARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式處理器，屬低端ARM處理器核TDMI的基本含義為T：支持16位壓縮指令集ThumbD：支持片上DebugM：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式ICE，支持片上斷點和調(diào)試點ATMELARM7框圖2ARM9系列ARM9系列微處理器具有以下特點5級流水線，指令執(zhí)行效率更高提供1.1MIPS/MHz的加速能力全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux等支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達300MIPS2ARM9系列（續(xù)）ARM9系列微處理器主要應(yīng)用無線設(shè)備機頂盒高端打印機、數(shù)字照相機和數(shù)字?jǐn)z像機汽車電子ARM9系列微處理器類型ARM920TARM922TATMELARM9框圖3ARM9E系列ARM9E系列微處理器的主要特點支持DSP指令集（MAC）5級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高支持VFP9浮點處理協(xié)處理器全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux等支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達300MIPS3ARM9E系列（續(xù)）ARM9系列微處理器主要應(yīng)用工業(yè)控制無線設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)字消費品、圖像處理設(shè)備、存儲設(shè)備ARM9E系列微處理器類型ARM926EJ-SARM946E-SARM966E-S、ARM968E-SARM996HS4ARM10E系列ARM10E系列微處理器的主要特點支持DSP指令集（MAC）6級整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高支持VFP10浮點處理協(xié)處理器全性能的MMU，支持WindowsCE、EmbeddedLinux支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache性能最高可達400MIPS4ARM10E系列（續(xù)）ARM10E系列微處理器主要應(yīng)用手持設(shè)備工業(yè)控制數(shù)字消費品、汽車電子圖像處理設(shè)備ARM10E系列微處理器類型ARM1020EARM1022EARM1026EJ-S5ARM11系列高性能8級流水增強的ARMv6體系結(jié)構(gòu)與同等的ARM10相比較，在同樣的時鐘頻率下，性能提高了近50％時鐘頻率達到500~750MHz低功耗ARM11系列微處理器采用了兩種先進的節(jié)能方式，使其功耗極低0.6mW/MHz(0.13μm,1.2V)C5000：0.5mW/MHzARMT7DMI：0.28mW/MHzCortex-M3：0.19mW/MHz5ARM11系列ARM11系列