硬件编程概述.ppt

硬件编程的那些事 浅析单片机 DSP PLD EDA的区别和联系 单片机 单片微型计算机简称单片机 是典型的嵌入式微控制器 MicrocontrollerUnit 常用英文字母的缩写MCU表示单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 单片机由运算器 控制器 存储器 输入输出设备构成 相当于一个微型的计算机 最小系统 和计算机相比 单片机缺少了外围设备等 单片机 单片体积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 同时 学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 硬件特性 1 单片机集成度高 单片机包括CPU 4KB容量的ROM 8031无 128B容量的RAM 2个16位定时 计数器 4个8位并行口 全双工串口行口 2 系统结构简单 使用方便 实现模块化 3 单片机可靠性高 可工作到10 6 10 7小时无故障 4 处理功能强 速度快 单片机 单片机特点之一 品种齐全 型号多样自从INTEL推出51系列单片机 许多公司对它做出改进 发展成为增强型51系列 而且新的单片机类型也不断涌现 如MOTOROLA和PHILIPS均有几十个系列 几百种产品 CPU从8 16 32到64位 多采用RISC技术 片上I O非常丰富 有的单片机集成有A D 看门狗 PWM 显示驱动 函数发生器 键盘控制等 它们的价格也高低不等 这样极大地满足了开发者的选择自由 特点之二 低电压和低功耗随着超大规模集成电路的发展 NMOS工艺单片机被CMOS代替 并开始向HMOS过渡 供电电压由5V降到3V 2V甚至到1V 工作电流由mA降至 A 这在便携式产品中大有用武之地 DSP芯片 DSP digitalsignalprocessor又叫数字信号处理器 顾名思义 DSP主要用于数字信号处理领域 非常适合高密度 重复运算及大数据容量的信号处理 现在已经广泛应用于通信 便携式计算机和便携式仪表 雷达 图像 航空 家用电器 医疗设备等领域 常见的手机 数字电视和数码相机都离不开DSP DSP用于手机和基站中为移动通信的发展做出重要贡献 将在2 5G和3G中扮演重要角色 可以说 DSP已经融入到生活的方方面面 DSP已经融入到生活的方方面面 DSP工作原理是接收模拟信号 转换为0或1的数字信号 再对数字信号进行修改 删除 强化 并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式 它不仅具有可编程性 而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序 远远超过通用微处理器 是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片 它的强大数据处理能力和高运行速度 是最值得称道的两大特色 DSP芯片 DSP微处理器 芯片 一般具有如下主要特点 1 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法 2 程序和数据空间分开 可以同时访问指令和数据 3 片内具有快速RAM 通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问 4 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持 5 快速的中断处理和硬件I O支持 6 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器 7 可以并行执行多个操作 8 支持流水线操作 使取指 译码和执行等操作可以重叠执行 当然 与通用微处理器相比 DSP微处理器 芯片 的其他通用功能相对较弱些 DSP优点 对元件值的容限不敏感 受温度 环境等外部参与影响小容易实现集成 VLSI可以分时复用 共享处理器方便调整处理器的系数实现自适应滤波可实现模拟处理不能实现的功能 线性相位 多抽样率处理 级联 易于存储等可用于频率非常低的信号 DSP缺点 需要模数转换 受采样频率的限制 处理频率范围有限 数字系统由耗电的有源器件构成 没有无源设备可靠 但是其优点远远超过缺点 DSP的优缺点 DSP与单片机的融合 微处理器是低成本的 主要执行智能定向控制任务的通用处理器能很好执行智能控制任务 但是数字信号处理功能很差 而DSP的功能正好与之相反 在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能 如数字蜂窝电话就需要监测和声音处理功能 因此 把DSP和微处理器结合起来 用单一芯片的处理器实现这两种功能 将加速个人通信机 智能电话 无线网络产品的开发 同时简化设计 减小PCB体积 降低功耗和整个系统的成本 例如 有多个处理器的Motorola公司的DSP5665x 有协处理器功能的Massan公司FILU 200 把MCU功能扩展成DSP和MCU功能的TI公司的TMS320C27xx以及Hitachi公司的SH DSP 都是DSP和MCU融合在一起的产品 互联网和多媒体的应用需要将进一步加速这一融合过程 EDA技术 EDA 即ElectronicDesignAutomation 即电子设计自动化 它是以计算机为工具 在EDA软件平台上 对用硬件描述语言HDL完成的设计文件自动地逻辑编译 逻辑化简 逻辑分割 逻辑综合及优化 逻辑布局布线 逻辑仿真 直至对于特定目标芯片进行适配编译 逻辑影射和编程下载等 设计者只需用HDL语言完成系统功能的描述 借助EDA工具就可得到设计结果 将编译后的代码下载到目标芯片就可在硬件上实现 这里的目标芯片就是PLD器件 FPGA CPLD FPGA CPLD是EDA技术的物质基础 这两者是分不开的 可以说没有PLD器件 EDA技术就成为无源之水 EDA技术作为一种现代电子系统开发方式 具有两方面特点 一 修改软件程序即可改变硬件由于FPGA CPLD可以通过软件编程对该硬件的结构和工作方式进行重构 修改软件程序就相当于改变了硬件 这是非常有用的 软件可以使用自顶向下的设计方案 而且可以多个人分工并行工作 这些年来IP核产业的崛起 将若干软核结合起来就可以构成一个完整的系统 这一切极大地缩短了开发周期和上市时间 有利于在激烈的市场竞争中抢占先机 二 速度快 可靠性高MCU和DSP都是通过串行执行指令来实现特定功能 不可避免低速 而FPGA CPLD则可实现硬件上的并行工作 在实时测控和高速应用领域前景广阔 另一方面 FPGA CPLD器件在功能开发上是软件实现的 但物理机制却和纯硬件电路一样 十分可靠 而MCU和DS