《嵌入式系统概论》PPT课件.ppt

1,第一章 嵌入式系统概述,主讲教师：曲强 EMAIL： ASKDQQ163.COM 辽宁科技大学电信学院,嵌入式系统原理与接口技术,2,内容提要,计算机系统的分类,通用计算机,嵌入式计算机,嵌入式系统介绍,3,通用计算机,具有一般计算机的基本标准形态，通过装配不同的软件，以基本雷同的面目出现并应用于社会各领域。 通用计算机按处理字长、运算速度、结构规模分为：大型、中型、小型、微型计算机。 大型计算机实例,4,大型计算机实例,“银河”计算机从1978年开始研制，到1983年通过了国家鉴定。它是由中国国防科技大学自行设计的第一个每秒向量运算1亿次的巨型计算机系统。 10万亿次曙光4000A超大型计算机，是一套由中国曙光信息产业有限公司研制的超级计算机系统。该系统使用了共2560个AMD Opteron 850 2.2GHz处理器，速度达每秒10万亿次。该系统于2004年6月投入服务，当时在全世界所有超级计算机中排名第十，现排名降至42。,5,微型计算机,6,微型计算机的发展史,全球第一块微处理器4004 1971年，4位，工作频率108kHz,寻址空间640B。 新一代8位微处理器8080 1974年，8位，时钟频率2MHz，寻址空间64KB。,7,微型计算机的发展史,第一代微处理机16位的8086 CPU 主频5MHz/8MHz/10MHz,寻址空间1MB； Intel 8088/8086 + IBM 操作系统； 第一代个人计算机 personal computer； 第二代微处理机16位的80286 CPU 主频20MHz,可访问1GB的虚拟地址空间。,8,微型计算机的发展史,第三代微处理机32位的80386 CPU 时钟频率33MHz,具有4GB的物理寻址能力(地址总线数据总线32位）； 分段、分页存储管理部件MMU，支持虚拟存储器，可管理64TB的虚拟存储空间。,9,微型计算机的发展史,第四代微处理机32位的80486 CPU 主频超过100MHz； 8k的数据和指令高速缓存； 内部集成浮点运算部件,首次采用了RISC（精简指令集）技术，可以在一个时钟周期内执行一条指令； 采用了时钟倍频技术，也就是说芯片内部的运行速度是外部总线运行速度的两倍，即芯片内部以2倍于系统时钟的速度运行。,10,微型计算机的发展史,第五代微处理机32位的Pentium 频率有:66MHz1GHz,CPU的内部频率从60MHz到1GHz不等； 超标量流水线，具有u、v两条指令流水线，每个时钟周期可执行两条简单指令； 借助转移目标缓冲器实现分支转移的动态预测； 外部数据总线经总线接口部件扩展到64位； 8k指令cache, 8k数据cache。,11,微型计算机的发展史,高能奔腾（Pentium Pro） 内部时钟频率133MHz； 16KB一级cache，256kB 二级cache； 动态执行技术； 包括无序执行、动态分支预测和推测执行； 无序执行，可以打乱程序原有指令顺序，按照优化顺序同时执行多条指令； 推测执行，处理器使用一种动态分支预测算法来预测程序代码中的分支结果，然后推测性地执行预测出的代码分支。,12,微型计算机的发展史,多能奔腾（Pentium MMX） MMX（MultiMedia Extensions，多媒体扩展指令集）； 频率主要有166/200/233MHz； 将一级缓存提高到32kB； 多媒体扩展技术/ MMX技术； 4种新的数据类型； 8个64位宽的MMX寄存器；,13,微型计算机的发展史,二代奔腾（Pentium ） 主频分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz； 把Pentium Pro的动态执行技术与MMX多媒体增强技术相结合； 双重独立的总线结构具有纠错功能的64位CPU总线负责与系统内存和IO通信； SEC单边接触封装技术 为了双重独立总线结构的需要；Pentium II处理器的封装采用了一种新型的单边接触SEC（Single Edge Contact）卡式盒结构。,14,微型计算机的发展史,三代奔腾（Pentium ） 主频达到1GHz； 集成动态执行技术、MMX技术和SIMD流技术等最新技术于一身，71条新增的SSE(单指令多数据扩展)指令大大提高了对视频、3D图像、音频的处理和Internet浏览能力。,15,微型计算机的发展史,四代奔腾（Pentium 4） 主频达到1.3GHz-2GHz； NetBurst微处理器体系结构，突发式数据传送方式极大提高了多媒体数据传送速度； 快速执行引擎：在处理器中简单的算术逻辑单元(ALUs)运行在2倍的处理器核心频率下；,16,Intel奔腾双核 E2180(盒) 接口类型：LGA 775 处理器频率：2GHz 二级缓存容量：1024KB 多核心：双核 制程工艺：65纳米 前端总线：800MHz 工作功率：19W,微型计算机的发展史,主要品牌有Intel和AMD，并且基本全是双核及4核,17,微型计算机的发展史,Intel酷睿2双核 E7200(盒) 接口类型：LGA 775 核心类型：Wolfdale 处理器频率：2.53GHz 二级缓存容量：3072KB 多核心：双核 制程工艺：45纳米 前端总线：1066MHz 额定电压：1.176V,18,Intel酷睿2四核 Q6600(盒) 接口类型：LGA775 核心类型：Kentsfield 处理器频率：2.4GHz 二级缓存容量：24096KB 多核心：四核 制程工艺：65纳米 系统总线：266MHz 前端总线：1066MHz 处理器倍频：9 支持指令集：x86,x86-64,MMX,SSE,SSE2,SSE3,微型计算机的发展史,19,Intel酷睿2四核 Q9400(散) 接口类型：LGA775 核心类型：Yorkfield 处理器频率：2.66GHz 二级缓存容量：6144KB 多核心：四核 制程工艺：45纳米 前端总线：1333MHz 工作功率：95W,微型计算机的发展史,20,AMD速龙64 X2 5400+ AM2(散) 接口类型：Socket AM2 核心类型：Windsor 处理器频率：2.8GHz 二级缓存容量：1024KB 多核心：双核 制程工艺：90纳米 HT总线：1000MHz 工作功率：89W,微型计算机的发展史,21,CPU型号： Phenom X4 Quad-Core 核心类型 ：Agena 接口类型： Socket AM2+，940Pin 制程工艺： 65纳米 处理器频率： 2.2GHz 处理器倍频 11 系统总线： 200MHz HT总线： 1800MHz CPU支持指令集： MMX, SSE, SSE2, SSE3, SSE4a, Enhanced 3DNow! 三级缓存：2048kB，功率：125W,微型计算机的发展史,22,嵌入式处理器,嵌入式处理器由以下四部分组成：,23,1、嵌入式微处理器,由于嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，虽然嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本是一样的，但一般在工作温度、抗电磁干扰及可靠性等方面都做了各种增强。 嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低及可靠性高的优点，但是在电路板上必须包含ROM、RAM、总线接口及各种外设等器件。 目前主要有：Power Pc、68000、MIPS和ARM系列等。,24,2、嵌入式微控制器,MCU = CPU + 存储器 + I/O接口 + 辅助电路（时钟、A/D、D/A等）。 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,25,2、嵌入式微控制器,嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C68HC05/11/12、等。 目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。 近来Atmel推出的AVR单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。,26,3、嵌入式DSP处理器(EDSP),嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)。 嵌入式DSP是专用于离散信号的处理、计算，针对某些领域而设计的处理器。 DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。 DSP算法：数字滤波、FFT、谱分析等。,27,3、嵌入式DSP处理器,DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度的进一步提高，使得其应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。,28,3、典型DSP产品,嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola摩托罗拉的DSP56000系列。 TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。 摩托罗拉公司于1997年推出了24位DSP56300系列的首枚芯片DSP56301，并不断升级，该系列24位DSP提供了大容量的片内存储器、滤波器、协处理器,具有较优异的性能与体积、价位、功耗比。,29,4、嵌入式片上系统(SoC),片上系统SoC（System on Chip）: 将系统功能模块集成于一块芯片上的系统。 嵌入式片上系统从整个系统性能要求出发，把微处理器、芯片结构、外围器件各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，并通过建立在全新理念上的系统软件和硬件的协同设计，在单个芯片上实现整个系统的功能。,30,内容提要,计算机系统的分类,通用计算机,嵌入式计算机,嵌入式系统介绍,31,嵌入式系统的组成,嵌入式系统 = 嵌入式处理器 + 存储器 + 接口电路外围电路 + 外设 + 嵌入式操作系统 + 应用软件。 硬件部分 软件部分 开发环境,32,硬件部分,存储器,接口电路 外围电路,33,存储器,嵌入式系统的存储器按其所处位置分为内部存储器和外部存储器： 内部存储器位于嵌入式处理器芯片内部，其特点是容量小、可快速访问。 外部存储器位于嵌入式处理器芯片外部，其特点是容量大、访问速度慢。,34,存储器的类型,静态易失性存储器SRAM 动态存储器DRAM 非易失性存储器： EPROM 紫外线可擦除可编程存储器。 EEPROM电可擦除可编程存储器。 Flash闪速存储器。主要特点是既可在不加电的情况下长期保存信息，有非易失性，又能在线进行快速擦除与重写，兼具有EEPROM和SRAM的优点。其集成度与位价格己接近EPROM，是代替EPROM和EEPROM的理想器件 。,35,接口电路外围电路,通信接口:非易失性存储器： RS-232接口(通用异步收发器,Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)软件开发调试时，用于进行各种输入输出操作。 USB接口（通用串行总线）。 Ethernet（以太网接口）。,36,输入输出设备，电源及辅助设备,输入/输出设备 LCD：液晶显示器。 触摸屏：触摸屏可实现鼠标和键盘功能。 电源及辅助设备,37,软件部分,软件部分包括嵌入式操作系统以及相应的各种应用程序。 嵌入式操作系统： 一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，具有编码体积小，面向应用，可裁剪和移植，实时性强，可靠性高，专用性强等特点。 典型的嵌入式操作系统有：windows CE、vxWork、 嵌入式Linux，C/OS-II 等。,38,嵌入式操作系统的结构框图,39,嵌入式操作系统的组成,嵌入式操作系统通常包括： 驱动层：硬件相关的底层驱动软件和设备驱动接口；如：LCD、触摸屏的驱动及接口。 操作系统层：系统内核（基本模块），扩展模块（可裁剪）。 应用层：应用程序接口。,40,C/OS-II操作系统,C/OS-II基于抢占式的实时多任务内核，实时内核总是运行优先级最高已就绪任务，是真正的实时操作系统。 特点： 可固化、可剪裁、具有高稳定性和可靠性； 源码公开，便于移植和维护； 结构紧凑，内核可编译至2k10k； 使用c语言开发，已移植到40多个处理器。,41,Linux操作系统,Linux操作系统：真正的抢先式多任务处理，支持多用户、内存保护、虚拟内存，支持绝大多数的32位和64位CPU。