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第二章 嵌入式系统硬件概论 2.1 计算机体系结构简介 2.2 嵌入式系统硬件构架 2.3 嵌入式微处理器 2.4 嵌入式系统的周边设备 2.5 嵌入式系统硬件设计方法之SOPC 2.1 计算机体系结构简介 1 #include 2 3 main() 4 5 printf(“hello, worldn“); 6 一、计算机系统中的信息就是位+上下文 Hello.c 称为源程序，它是以字节序列的方 式存放在文件中的。每个字节都是一个对应于某 个字符的整数，这就是在大多数现代系统中使用 的ASCII 标准来进行的文本表示。 # i n c l u d e n n i n t m a i n ( ) n n 104 62 10 10 105 110 116 32 109 97 105 110 40 41 10 123 10 p r i n t f ( “ h e l 32 32 32 32 112 114 105 110 116 102 40 34 104 101 108 l o , w o r l d n “ ) ; n 108 111 44 32 119 111 114 108 100 92 110 34 41 59 10 125 Hello.c 的ASCII 文本表示 Hello.c 的表示方法说明一个基本思想：系统中 的所有信息包括：磁盘文件、存储器中存放的程序和 用户数据等都是由一个比特序列来表示的，区分这些 数据对象的唯一方法是这些数据对象的上下文。 二、源程序是怎样被执行的？ unix gcc o hello hello.c 理解编译系统的工作对于编程的帮助是巨大的 优化程序性能，提高运行效率； 理解链接是出现的错误； 避免安全漏洞：编译器用来为函数产生代码的堆 栈规则； 三、hello 程序的执行 unix ./hello hello, world unix 用户输入 “hello ” “hello,worldn ” hello 程序代码 “hello,worldn ” hello 程序代码 “hello,worldn ” 四、高速缓存 计算机系统中采用了更快更小的存储设备，称 为高速缓存存储器，它们被作为存放处理器在不久 将会需要的信息的暂时集结区域。 寄存器堆：几百字节； （与高速缓存的速度相当） 高速缓存：几十K字节 （10-50倍于主存的速度） 主存储器：几百兆字节 （千万倍于硬盘的速度） ； 硬盘： 几百千兆字节（1） 五、层次结构的存储设备 存储器层次结构的主要思想是一个层次上的存 储器作为下一个层次存储器的高速缓存。对这种层 次结构的理解在提高程序和系统性能有重要的意义 。 六、操作系统对硬件的管理 所有应用程序对硬件的操作都必须通过操作系统 来实现，操作系统在硬件管理方面的用途：防止硬件 被失控的应用程序滥用；为应用程序使用低级的硬件 设备提供统一简单的方法。 操作系统是通过进程、虚拟存储器和文件等几个 基本概念实现以上两个用途的。 七、网络通信 2.2 嵌入式系统硬件构架 嵌入式系统微处理器（MPU、MCU）、存储器、 输入输出接口、扩展装置、电源系统。 嵌入式微处理器 存储器电源系统 输入/输出接口 扩展接口 嵌入式系统硬件 总 线 结 构 2.3 嵌入式微处理器 1、分类：初期的嵌入式微处理器分为两类：一般用 途的微处理器（微处理器内部仅包含中央处理单元 ）；单片机（将中央处理单元、ROM、RAM、IO设备 集成到一个单片上）。 后来的微处理器一般以微处理器在一个指令周期 内能处理的数据位数来分类。 4位8位16位32位64位 单片 型 TMS1000 8048/49/50 8051/52 6801/04/05 Z80 8096/97 68200 ARM RISC Core MIPS 32Bits RISC Core MIPS 64Bits RISC Core 一般 用途 型 4004 4040 8085 6809 Z80 6502 6802 8086 80286 Z8000 80386 80486 68000/10/20/30/40 32032 PentiumII/III 2、嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任 务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和 实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌 入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模 块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满 足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便 携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的 嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级 。 3、微处理器的指令构架 CISC：复杂指令集(Comlex Instruction Set Computer)构架 ； RISC：精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)构架 ； RISC与CISC构架微处理器的不同： 1、使用相当少的指令类别及寻址方式； 2、微指令采用软件构架实现； 3、在单一的执行周期内完成指令； 4、微处理器中拥有更多的寄存器； 5、使用最优化的程序代码编译； 8、高度并行化处理 7、简易的译码指令格式； 6、微处理器的内存存取主要用于指令的加载和存储 ； 现在的嵌入式系统纷纷采用RISC构架的微处理 器，如：ARM RISC Core 和 MIPS RISC Core 等。 1、4位、8位嵌入式微处理器 4004： 1971年1月，Intel公司的霍夫研制成功世界 上第一块4位微处理器芯片Intel 4004，为PMOS结构 ； TMS1000：TI第一个商用4位微处理器，为PMOS结构, CPU+4位输入接口+19位输出+1KROM+644bitRAM 4位微处理器 一、嵌入式微处理器的发展 Intel 4004微处理器问世，标志着 微处理器和微机时代从此开始。霍 夫也因此被英国经济学家杂志 列为“二战以来最有影响力的7位 科学家”之一。 4004包含2300个晶体管，尺寸规格为34mm ，性能远超过ENIAC，最初售价为200美元。 8位微处理器 8008：72年，Intel 在4004基础上开发的第一个 8位一般用途的微处理器， fmax=为200kHz， 0.06MIPS，功能较弱，为PMOS结构。 8080：74年，Intel 开发的第一个成熟的8位一 般用途的微处理器， fmax = 2MHz，可存取64KB 存储器，使用了基于6微米技术的6000个晶体管 ，处理速度达到0.64MIPS，拥有健全的指令集， 应用广泛。采用NMOS结构。 8008微处理器8080 微处理器 6800/02/09：Motorola 开发的8位一般用途的微 处理器，拥有健全的指令集，广泛应用于控制模 块。 Z80：Zilog公司于1976年在8080构架上推出的8 位一般用途的微处理器，拥有比8080更强的指令 集，增加了寄存器组的使用，省却了中断操作时 的堆栈操作，提高了处理器的数据处理性能，对 周边设备的控制更灵活，广泛用于微型计算机和 工业自动控制设备。当时，Zilog、Motorola和 Intel在微处理器领域三足鼎立。 8051：8051系列单片机，是Intel 在划时代产品 8048单片机上的完善和延续，至今仍被广泛使用 于各类电子产品中，如89C51，主频24MHz， 512ByteRAM，3个16位计数器，4*8Bit的可编程 I/O端口，6个中断源，低功耗等。 2、16位以上嵌入式微处理器 8086： 1978年6月Intel 在8080构架上开发的一款 16位一般用途的微处理器，主频为4.77MHz，标志 着第三代微处理器问世。它采用16位寄存器、16位 数据总线和29000个3微米技术的晶体管，售价360 美元。在IBM PC中被采用。在此基础上进一步推出 了80286、80386等系列产品。 8086微处理器8088微处理器68000微处理器 8096：Intel 开发的一款16位单片微处理器，拥有 高速的I/O接口和数据处理能力，fmax=12MHz。 32位以上嵌入式系统微处理器代表性产品 3、协同微处理器（Co-processor） 协同微处理器是一种辅助性的嵌入式系统微处理 器，它专门针对浮点运算的数据处理而设计，拥有浮 点运算硬件构架的特征，能减少主处理器的负担。 现在微处理器已经将浮点运算构架的逻辑运算单 元集成到处理器中，提高了其浮点运算的能力。如 Intel 的 Petium系列的微处理器，TI的DSP等。 Intel 推出的协同微处理器及搭配的X86架构的微处理器 4、数字信号处理器（Digital Signal Process - DSP ） 数字信号处理器是专门进行实时数字信号处理的 微处理器。 一般的微处理器大都采用冯.诺依曼构架，拥有 共同的指令和数据空间，单一的数据与地址总线。 数字信号处理器拥有哈佛构架的总线结构，拥有 不同的指令和数据总线。一般的DSP拥有3个总线，一 个指令总线和两个数据总线，使DSP可以同时读取一 个指令和两个运算数据。 DSP中内建的硬件构架，可以高效地实现乘法、 加法以及一些常见的信号处理运算，如：FIR Filter，IIR Filter，Convolution、离散傅立叶变 换，离散余弦变换等。 DSP设计相应的硬件构架加强并行数据处理的能力 。 二、SOC嵌入式系统微处理器 1、什么是SOC嵌入式系统微处理器 SOC（System on Chip）嵌入式系统微处理器就是 一种电路系统，它结合了许多功能模块，将其做到一 个单芯片上。RISC+周边IP=SOC。 2、SOC嵌入式系统微处理器的优势 通过改变内部工作电压，降低芯片的功耗 ； 通过减少芯片对外的引脚，简化微处理器的制作过 程； 通过减少外围驱动接口单元，减少了电路板上的信 号传递，提高了微处理器的速度； 采用内嵌线路以避免外部电路板在传递信号时引入 的系统噪声。 3、SOC嵌入式系统微处理器的设计开发：IP重用技术 IP（Intellectual Property），即是芯片电路 的制作方式或是电路图等的智能知识产权。 设计工具 快速原型技术 EDA设计开发工具 芯片测试检验工具 设计方法 可复用IP IP单元整合技术 噪声处理技术 功耗控制及分析 片内电路布线优化 IP类别 微处理器内核（如：ARM、MIPS等） IO单元 存储器 多媒体数据处理（如音视频压缩解压缩） 运算电路 射频电路 电源系统 SOC嵌入式系统 微处理器 4、RISC结合DSP的SOC嵌入式系统微处理器 RISC + DSP + 周边IP = SOC TI公司的OMAP构架的微处理器就是一款这样的微 处理器。 TI DSP Core TMS320C54X ARM RISC Core TMS320C54X DSP/ARM_MPU Bridge 周遍 IP OMAP1510硬件构架图（TI公司提供） 三、ARM RISC构架的嵌入式系统微处理器 ARM公司是一家提供RISC构架嵌入式微处理器IP Core 的公司，其32位微处理器在嵌入式系统占有广大的市场。 ARM RISC构架的微处理器目前主要有以下几个系 列的产品：ARM7，ARM8，ARM9，ARM10b，ARM11 Thumbe 。 （一）ARM7 Thumb 系列嵌入式微处理器 ARM7 Thumb 系列微处理器是基于ARMv4T构架，都 拥有ARM7TDMI 内核,主要有以下三种微处理器： ARM710T，ARM720T和ARM740T。 内核编号中的： T 代表可用16位Thumb指令集； D 代表片上调试支持； M 代表有增强型乘法器，可进行两个32位数相 乘 得到64位的结果； I 代表拥有EmbededICE硬件提供片上断点核调 试 点支持； ARM7TDMI系列处理器有两个指令集：32位ARM指令 集和16位Thumb指令集。 1、Thumb 指令集 Thumb 指令集是32位ARM RISC构架微处理器的 指令集，但它是以16位宽度压缩产生的。 其特点在于：在Thumb 指令集被ARM微处理器 执行时，可以在基本不消耗处理器性能的情况下实 现由 Thumb 指令集到32位的格式译码；由16位的 Thumb 指令集开发的程序占据的内存容量小。 因此，可以认为Thumb 指令集比一般的16位指 令集具有更高的性能（160%）；比32位ARM指令集 具有更高的代码密度（65%）。 Thumb 指令集具有32位内核的所有优点，可分 位4类指令：转移指令、数据处理指令、寄存器加 载与存储指令和异常产生指令。 3、ARM7 Thumb 系列微处理器的特点 ARM7 Thumb 系列的微处理器具有高的执行效率、低 的功耗以及低的价格，在手持设备中有广泛的应用。 2、ARM 32位 指令集 ARM 32位指令集分为5类指令： 转移指令、数据处理指令、寄存器加载与存储指令 、协处理器指令和杂项指令。 拥有多个（37）32位的寄存器 拥有32位的RISC构架的逻辑运算单元（ALU） 拥有32位的移位器（Shifter） 拥有32位的寻址模式 拥有32位的乘法器，便于数字信号处理 拥有16 位的Thumb 指令集 ARM7 Thumb 微处理器中除了ARM740T之外，都有 MMU，而740T是针对特殊的电子产品设计的电路，只有 简单的内存设定和保护单元。 ARM7 Thumb 系列微处理器特性表（ARM公司提供） ARM7 Thumb 微处理器可以依照要处理的工作选择 使用内存的种类、动态地调整微处理器的工作频率， 以降低嵌入式系统的功耗和提高工作效率。 （二）ARMThumb 系列嵌入式微处理器的发展 1、ARM9 Thumb系列微处理器 ARM9 Thumb是ARM公司在ARM7之后推出的32位嵌入 式微处理器。ARM9系列微处理器都拥有ARM9TDMI内核 ，主要有以下两种微处理器：ARM920T、ARM940T，运 算速度高达220MIPS ARM9 Thumb 系列微处理器特性表（ARM公司提供） 920T拥有16K的指令和数据缓存，可以使多数嵌入 式操作系统在其上运行，而940T只有4K的指令和数据 缓存，适合于简单的操作系统嵌入为系统控制之用。 接口单元 4K字节高速 指令缓存 4K字节高速 数据缓存 ARM9TDMI微 处理器内核 ETM（Embedded Trace Macrocell) 接口 AMBA接口总线 ARM940T 微处理器内核构架ARM920T 微处理器内核构架 ARM9 Thumb 微处理器同ARM7一样可以动态地调整 微处理器的工作频率，此外系统总线和可扩充内存的 工作频率也可以动态地调整，以进一步降低嵌入式系 统的功耗和提高工作效率。 ARM9 Thumb 微处理器作为微控制器在移动电话、 PDA、机顶盒、MP3等嵌入式系统中有广泛的应用。 16K字节高 速指令缓存 16K字节高速 数据缓存 ARM9 Thumb 微处理器在处理多媒体信号时具有 优异的性能。 ARM RISC MPU MPEG 4 Video Player 采用ARM构架微处理器做多媒体数据处理的 Nokia 9210c 移动电话 2、ARM10 Thumb系列微处理器 ARM10系列微处理器是为更强大的多媒体信号处 理和更有效的实时性而设计的ARM RISC 64位架构的 微处理器，最高工作频率为300MHz，包含ARM1020E 、ARM1022E，对整数的处理高达390MIPS。还设计了 相应的协处理器VFP10，对影像、数字音频数据及其 他的多媒体信号处理其性能可达600MFLOPS。 ARM1020E嵌入式微处理器构架图及功耗示意图（ARM公司提供 ） 3、ARM11 系列微处理器 ARM公司2004年公布了四个新的ARM11系列微处理器 内核（ARM1156T2-S、ARM1156T2F-S、ARM1176JZ-S和 ARM11JZF-S）。 ARM1156T2-S和ARM1156T2F-S内核都基于ARMv6指令 集体系结构，将是首批含有ARM Thumb-2内核技术的产 品，该技术提供的方案较现用的ARM技术方案减少使用 26的存储空间、较现用的Thumb技术方案增速25。 两内核在0.13工艺下的工作频率高达550MHz，同时拥 有AMBA 3.0 AXI系统总线。 同时提供的ARM CoreSight技术建于ARM Embedded Trace Macrocell （ETM）实时跟踪模块中，提供了最 标准的调试和跟踪性能，适用于各种内核和复杂外设 ，可对核内指令和数据进行追踪。 相关内容可到： 查找 4、ARM 系列微处理器的选择 1）MMU 对选用的操作系统的支撑； 用户如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以 减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有 MMU（Memory Management Unit）功能的ARM芯片。 而ARM7TDMI则没有MMU，不支持Windows CE和标准 Linux，可用UCLinux。 2）系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处 理器的处理能力 ARM7芯片系统主时钟为20MHz-133MHz ARM9芯片系统主时钟为100MHz-233MHz ARM10最高可以达到300MHz ARM11最高可以达到550MHz 3）芯片内存储器的容量 大多数的ARM微处理器片内存储器的容量都 不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器，但 也有例外，如ATMEL的AT91F40162就具有高达2MB 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑