第3章：嵌入式IA架构

1 嵌入式系统导论之第三章 张惠娟mszhj 嵌入式IA结构 2 课程内容 系统概述 第1章 硬件平台 第2 3 4 5章 软件技术 第 7 8 6 9章 应用技术 第10 11 12 13 14章 调试技术 第15章 3 课程大纲 IA架构处理器 EmbeddedIA Tolapai ATOM UEFI IA架构 IA IntelArchitecture 英特尔处理器架构的通称第一代处理器以8086命名 其后产品以8088 80186 80188命名80286推出后 英特尔即改以i386 i486命名 被称为X86架构 i486处理器之后 英特尔不再以X86命名 而以IA指称该架构 IA 32 IA 64 x86 32 x86 64IA 32 x86 32 x86 64属于x86 x86 64是AMD在其64处理器系列中采用的新架构 这一处理器基础架构还是IA 32 IA 64是intel和Hp共同开发了6年的64位CPU架构 是专为服务器市场开发的一种全新的处理器架构 放弃了以前的x86架构 摩尔定律 戈登 摩尔 当价格不变时 集成电路上可容纳的晶体管数目 约每隔18个月便会增加一倍 性能也将提升一倍问题 芯片上集成晶体管数目越多 即主频更快 但速度遇到极限 单纯主频提升 已无法明显提升系统整体性能 随着功率增大 散热问题成为无法逾越的障碍 解决思路AMD推出64位处理器后 英特尔利用多核这一武器进行反击 2005年4月 英特尔推出简单封装双核的奔腾D和奔腾四至尊版840 真正意义上市2006年的酷睿双核出现 AMD四核 Barcelona 处理器 64位 2007年 采用300mm晶圆 45纳米技术制造 2007年英特尔推出45nm正式量产工艺 摆钟定律 Intel采取的制程 tick 与架构 tock 当Intel钟摆往左摆的时候 tick这个策略会更新工艺 往右摆时 tock会更新处理器微架构 2005年是tick Intel工艺从90纳米走向65纳米 2006年是tock Intel推出酷睿架构2007年 工艺从65纳米走向45纳米 2008年 新型微处理器架构Nehalem 2009年 32纳米技术 2010年 SandyBridge2011年 22纳米技术2012年 Haswell 它是已知的Intel最新的一代微架构 15 课程大纲 IA架构处理器 EmbeddedIA Tolapai ATOM UEFI 机遇 挑战 ARM关功耗关图形关 未来 两件事情Build2011开发者大会 Windows8支持arm和x86 英特尔信息高峰论坛IDF 与Google合作 即双方共同优化用于英特尔低能耗Atom处理器产品系列的未来版本的Android系统 四种组合ARM AndroidARM WindowsWintelAndroid X86 芯片组 1 2 芯片组 Chipset 技术主板芯片组几乎决定着主板的全部功能 简化硬件设计 减少主板上芯片数量 增加硬件可靠性1999年开始 控制芯片组采用了 整合技术 将板卡 I O卡 或其它部件的功能集成于芯片组中 形成了 整合型芯片组 芯片组 北桥 南桥 北桥芯片 起主导作用 也称为主桥 HostBridge 负责与CPU的联系并控制内存 AGP PCI数据在北桥内部传输 确定CPU的类型 主板的系统总线频率 内存类型 容量和性能 显卡插槽规格 南桥芯片 负责外部设备的数据处理与传输 确定扩展槽的种类与数量 扩展接口的类型和数量等 19 生产厂家INTEL VIA 中国台湾威盛 SiS 中国台湾矽统科技 ULI 中国台湾宇力 Ali 中国台湾扬智 AMD 美国超微 NVIDIA 美国英伟达 ATI 冶天已被AMD收购 ServerWorks 美国 IBM 美国 HP 美国 等为数不多的几家 其中以英特尔 NVIDIA AMD的芯片组最为常见 芯片组 2 2 850芯片组的结构示意图 21 嵌入式IA芯片组 服务器芯片组性能 稳定性最高台式机芯片组性价比最高笔记本芯片组能耗最低 稳定性良好嵌入式IA芯片基本上来源于笔记本芯片组主要用于工业控制 机顶盒 MID UMPC等领域目前代表处理器Tolapai ATOM目前主要intel活跃在该领域 22 23 课程大纲 IA架构处理器 EmbeddedIA Tolapai ATOM UEFI Tolapai 2008年10月首款IA架构嵌入式SoC处理器Tolapai英特尔 EP80579集成处理器 研发代号 Tolapai 自1994年的80386EX以来Intel第一次将x86处理器 芯片组和内存控制器整合在一起 特征基于英特尔奔腾M处理器设计集成了内存控制器中枢以及通信和嵌入式I O控制器平台主板尺寸缩小45 功耗降低34 24 Tolapai结构 25 26 课程大纲 IA架构处理器 EmbeddedIA Tolapai ATOM UEFI 凌动处理器 ATOM 1 3 2008年3月 英特尔有史以来最小的 功耗最低的处理器 基于酷睿2双核结构的新型双核低功耗微型处理器 散热设计功耗 TDP 规格在0 6 2 5瓦之间速度可达1 8GHz尺寸不到25平方毫米4700万个晶体管45nm技术处理器为25mm 27 英特尔迅驰Atom处理器技术 是一套完整的平台 包括Atom处理器 无线网卡 包含集成显卡的低功耗芯片组 以及轻薄设计 IntelAtom系列产品 z系列 掌上MID 平板电脑N系列 NoteBook 小型台式机D系列 入门台式机E系列 嵌入式设备CE系列 消费电子Atom凌动处理器在能耗方面仍无法与ARM处理器相比 28 凌动处理器 ATOM 2 3 案例 Z500系列 掌上电脑设备专用Z5X0系列Z500 800MHz Z510 1 1GHz Z520 1 33GHz Z530 1 6GHz Z540 1 86GHz 封装尺寸只有13x14mm 单核 上网本 4700万个晶体管组成带有56kBL1cache 24kB数据与32kB指令 512kBL2cache总线的频率是400MHz QDR 或533MHz QDR 支持SIMD指令 从MMX到SSSE3 EIST与超线程技术 29 凌动处理器 ATOM 3 3 ATOM嵌入式板 30 Intel SCH Silverthorne New GroundsUp LowPowerArchitectureBuilton45nmProcess LowPowerChipsetwithIntegratedGraphics 74mm 143mm 63x90mm MenlowPlatformpoweris10 xlowerwhencomparedagainstfirst2006UCPPlatforms InthisinstancepowerreferstoCPUTDPMeasurements 其他EIA架构 凌珑 威盛的凌珑 Nano 处理器超标量乱序执行的微体系结构支持完整64位指令集宏融合 Macro Fusion 微融合 micro fusion 精密复杂的分支预测性能封装尺寸 威盛凌珑 VIANano BGA2封装 21mmx21mm 65nm工艺主频1 0 1 8G闲置功耗 0 1 0 5w 最大的设计功耗 TDP 5 25瓦前端总线最大为800MHz支持新的SSE指令2个64KBL11MB独立L2高速缓存具有16路信道连接性能支持多媒体 31 其他EIA架构 山猫 AMD的Bobcat 山猫 计划Athlon64的简化版 1GHZAMD64处理器内核减少了缓存和降低了时钟频率 128KB一级缓存和256KB二级缓存热设计功耗 TDP 是8瓦 比Atom芯片4瓦大一倍 ATOM搭配北桥后达8 5W 32 非EIA的一个挑战者 Nvidia的TegraARM架构CPU 整合HDvideo处理单元 图像处理单元 音频处理单元 低电压版本GeForceGPU2008年6月Tegra600 650800MHzARM11CPU支持1080pH 264解码的视频处理器图片处理器音频处理器超低功耗的GeForceGPU运行功耗却仅为1W左右便携式移动计算设备的应用解决方案其极低的系统功耗和强劲的媒体处理能力 33 34 课程大纲 IA架构处理器 EmbeddedIA Tolapai ATOM UEFI BIOS 1 2 BIOS BasicInputOutputSystem 基础输入 输出系统 是一组固化到计算机内主板上一个ROM芯片上的程序 保存着计算机最重要的基本输入输出的程序 系统设置信息 开机后自检程序和系统自启动程序 用于管理在操作系统与连接设备 如硬盘 视频适配器 键盘和鼠标 之间的传输数据 35 自检及初始化自检 用于电脑刚接通电源时对硬件部分的检测 PowerOnSelfTest 简称POST 初始化 包括创建中断向量 设置寄存器 对一些外部设备进行初始化和检测 其中很重要的一部分是BIOS设置 主要是对硬件设置的一些参数 引导程序 引导DOS或其他操作系统 程序服务处理为应用程序和操作系统服务 这些服务主要与输入输出设备有关 例如读磁盘 文件输出到打印机等 硬件中断处理处理PC机硬件的需求 BIOS的服务功能是通过调用中断服务程序来实现 36 BIOS 2 2 X86平台启动过程 1 4 第一步 按下电源开关时 向主板和其它设备供电主板上的控制芯片组会向CPU发出并保持一个RESET 重置 信号 CPU内部自动恢复到初始状态 当芯片组检测到电源已经开始稳定供电了 从不稳定到稳定的过程只是一瞬间的事情 便撤去RESET信号 CPU马上就从地址FFFF0H处开始执行指令 这个地址实际上在系统BIOS的地址范围内 放在这里的只是一条跳转指令 跳到系统BIOS中真正的启动代码处 第二步 系统BIOS的启动代码首先进行POST POWER ONSELFTEST 加电后自检 POST的主要任务是检测系统中一些关键设备是否存在和能否正常工作 POST结束之后就会调用其它代码来进行更完整的硬件检测 37 第三步 系统BIOS查找显卡的BIOS存放显卡BIOS的ROM芯片的起始地址通常设在C0000H处 系统BIOS在这个地方找到显卡BIOS之后就调用它的初始化代码 由显卡BIOS来初始化显卡 系统BIOS接着会查找其它设备的BIOS程序 找到之后同样要调用这些BIOS内部的初始化相关的设备 第四步 启动画面查找完所有其它设备的BIOS之后 系统BIOS将显示出它自己的启动画面 包括有系统BIOS的类型 序列号和版本号等内容 第五步 检测CPU与内存系统BIOS将检测和显示CPU的类型和工作频率检测所有的RAM 并同时在屏幕上显示内存测试的进度 38 X86平台启动过程 2 4 第六步 检测标准硬件系统BIOS开始检测系统中安装的一些标准硬件设备 包括硬盘 CD ROM 串口 并口 软驱等设备绝大多数较新版本的系统BIOS在这一过程中还要自动检测和设置内存的定时参数 硬盘参数和访问模式等 第七步 既插即用系统BIOS内部支持既插即用的代码开始检测和配置系统中安装的既插即用设备找到设备后系统BIOS在屏幕上显示出设备的名称和型号等信息 同时为该设备分配中断 DMA通道和I O端口等资源 第八步 硬件概要信息BIOS重新清屏并在屏幕上方显示出一个表格 概略地列出了系统中安装的各种标准硬件设备 以及它们使用的资源和相关工作参数 39 X86平台启动过程 3 4 第九步 扩展系统配置数据系统BIOS更新ESCD EXTENDEDSYSTEMCONFIGURATIONDATA ESCD是系统BIOS用来操作系统交换硬件配置信息的一种手段 数据存放在CMOS 一小块特殊RAM 由主板上的电池来供电 中 ESCD数据只在系统硬件配置发生改变后才会更新 第十步 启动ESCD更新完毕后 系统BIOS根据拥护指定的启动顺序从U盘 硬盘或光驱启动 系统BIOS读取并执行硬盘上的主引导记录 从分区表中找到一个分区 然后读取并执行存贮在这个分区上的操作系统引导程序 由操作系统引导程序完成操作系统的装载和初始化工作 40 X86平台启动过程 4 4 BIOS的问题 BIOS启动时采用实模式 寻址空间只有16位 可扩充性差 BIOS启动程序采用汇编语言编写 编写BIOS程序变得比较复杂 BIOS程序并没有统一的规范可以遵循 各个厂家之间的产品不具有兼容性 41 可扩展固件接口 EFI 1 2 EFI ExtensibleFirmwareInterface 是Intel因为BIOS的极限性无法为大型安腾服务器提供支持而提出了的项目 后来成为一种在未来类PC的电脑系统中替代BIOS的升级方案 用模块化 C语言风格 较BIOS而言更易于实现 容错和纠错特性更强 缩短了系统研发的时间 运行于32位或64位模式 达到处理器的最大寻址 利用加载EFI驱动的形式 识别及操作硬件 不同于BIOS利用挂载实模式中断的方式增加硬件功能EFI在概念上非常类似于一个低阶的操作系统 并且具有操控所有硬件资源的能力 42 43 固件 Firmware 固件是固化在硬件中的软件 存储着计算机系统中硬件设备最基本的参数 为系统提供最底层 最直接的硬件控制 其存储介质主要有ROM PROM EPROM EEPROM FlashROM 主板的BIOS就属于Firmware的一种 EFI ExtensibleFirmwareInterface 可扩展固件接口位于平台固件与操作系统之间是一个规范 而不是一个发行代码UEFI unifiedExtensibleFirmwareInterface 统一的可扩展固件接口可扩展的 标准化的统一固件接口规范模块化 动态链接和C语言风格堆栈传递方式摆脱了传统BIOS复杂的16位汇编代码 44 可扩展固件接口 EFI 2 2 2000年12月12日正式发布EFI1 02 英特尔拥有EFI的版权 UEFI UnifiedEFI 是在EFI1 1