嵌入式系统开发Chapter嵌入式硬件系统基础

1、电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 第二章第二章 嵌入式硬件系统基础嵌入式硬件系统基础 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 主要内容主要内容 嵌入式硬件系统基本组成嵌入式硬件系统基本组成 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式系统总线嵌入式系统总线 嵌入式存储系统嵌入式存储系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 第一节第一节 嵌入式硬件系统基本组成嵌入式硬件系统基本组成 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式系统的硬件是以包含嵌入式微处嵌入式系统的硬件是以包含嵌入式微处 理器的理器的So

2、CSoC为核心，主要由为核心，主要由SoCSoC、总线、总线、 存储器、输入存储器、输入/ /输出接口和设备组成。输出接口和设备组成。 嵌入式微处理器为核心的嵌入式微处理器为核心的SoC 总线总线 存储器存储器 输入输入/输出接口和设备输出接口和设备 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处 理器理器 嵌入式微处理器体系结构可采用冯嵌入式微处理器体系结构可采用冯诺依曼诺依曼 （Von NeumannVon Neumann）结构或哈佛（）结构或哈佛（HarvardHarva

3、rd） 结构结构 地址地址 数据数据 主存储器主存储器 MOV r8,#8MOV r8,#8 CPUCPU PCPC 指令指令 程序存储器程序存储器 CPUCPU PCPC 地址地址 数据存储器数据存储器 MOV r8,#8MOV r8,#8 地址地址 数据数据 冯冯诺依曼结构诺依曼结构哈佛结构哈佛结构 指令和数据指令和数据 存放在同一存放在同一 存储空间中存储空间中, 统一编址统一编址 指令和指令和 数据通数据通 过同一过同一 总线访总线访 问问 程序和数据程序和数据 存储在不同存储在不同 的存储空间的存储空间 中中 两条总线（程两条总线（程 序总线和数据序总线和数据 总线），数据总线），数

4、据 的吞吐率提高的吞吐率提高 了一倍了一倍 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 传统的微处理器采用的冯传统的微处理器采用的冯诺依曼结构诺依曼结构将指令和将指令和 数据存放在同一存储空间中数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令，统一编址，指令 和数据通过同一总线访问。和数据通过同一总线访问。 哈佛结构则是不同于冯哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行诺依曼结构的一种并行 体系结构，其主要特点是体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不程序和数据存储在不 同的存储空间中同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器，即程序存储器和数据存储器 是两

5、个相互独立的存储器，每个存储器独立编是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的 两条总线（程序总线和数据总线），从而使数两条总线（程序总线和数据总线），从而使数 据的吞吐率提高了一倍据的吞吐率提高了一倍。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统RISCRISC （Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set C

6、omputer）或复杂指令集）或复杂指令集 系统系统CISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer） CISCCISCRISCRISC 价格价格 由硬件完成部分软件功能，硬件复由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高杂性增加，芯片成本高 由软件完成部分硬件功能，软件复由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低杂性增加，芯片成本低 性能性能 减少代码尺寸，增加指令的执行周减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数期数 使用流水线降低指令的执行周期数，使用流水线降低指令的执行周期数，

7、 增加代码尺寸增加代码尺寸 指令集指令集 大量的混杂型指令集，有简单快速大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令，的指令，也有复杂的多周期指令， 符合符合HLLHLL（high level languagehigh level language） 简单的单周期指令，在汇编指令方简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的面有相应的CISCCISC微代码指令微代码指令 高级语言支持高级语言支持硬件完成硬件完成软件完成软件完成 寻址模式寻址模式 复杂的寻址模式，支持内存到内存复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址寻址 简单的寻址模式，仅允许简单的寻址模式，仅允许LOADLOAD和和

8、 STORESTORE指令存取内存，其它所有的指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器操作都基于寄存器到寄存器 控制单元控制单元微码微码直接执行直接执行 寄存器数目寄存器数目寄存器较少寄存器较少寄存器较多寄存器较多 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也可能具有不同的在同一体系中也可能具有不同的时钟速度时钟速度 和和总线数据宽度总线数据宽度、集成不同的外部接口集成不同的外部接口和和 设备设备。 据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理据不完全统计，

9、目前全世界嵌入式微处理 器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌 入式微处理器体系，主流的体系有入式微处理器体系，主流的体系有ARMARM、 MIPSMIPS、PowerPCPowerPC、SHSH、 X86X86等。等。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 总总 线线 嵌入式系统的总线可分为：嵌入式系统的总线可分为： 片内总线：片内总线：与嵌入式微处理器集成在一起，与嵌入式微处理器集成在一起， 如：如：AMBA、AVALON、OCP、 WISHBONE等等 片外并行总线：片外并行总线：如：如：PCI、ISA等等 片外串行总线：片外串行

10、总线：UART、SPI、I2C、USB等等 片内总线的选择取决于片内总线的选择取决于CPUCore 片外总线的选择取决于应用片外总线的选择取决于应用 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 存储器存储器 嵌入式系统的存储器包括嵌入式系统的存储器包括主存主存和和外存外存。 大多数嵌入式系统的大多数嵌入式系统的代码和数据都存代码和数据都存 储在处理器可直接访问的存储空间即储在处理器可直接访问的存储空间即 主存中主存中。 系统上电后在主存中的代码直接运行。系统上电后在主存中的代码直接运行。 主存储器的特点是速度快，一般采用主存储器的特点是速度快，一般采用 ROMROM、EPRO

11、MEPROM、Nor FlashNor Flash、SRAMSRAM、DRAMDRAM 等存储器件。等存储器件。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 存储器存储器 目前目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放各种信息，相对主存而言具有放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量价格低、容量 大大的特点。的特点。 在嵌入式系统中在嵌入式系统中除部分采用硬盘外，大多数采除部分采用硬盘外，大多数采 用电子盘做外存用电子盘做外存，电子盘的主要种类有：，电子盘的主

12、要种类有： NandFlash SD（Secure Digital） CompactFlash U盘 SmartMedia Memory Stick MultiMediaCard DOC（Disk On Chip 等 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 输入输入/输出接口和设备输出接口和设备 嵌入式系统的大多数输入嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分输出接口和部分 设备已经与嵌入式微处理器集成在一起。设备已经与嵌入式微处理器集成在一起。 输入输入/输出接口和设备主要包括：输出接口和设备主要包括： 中断控制器、中断控制器、DMA、串行和并行接口、串行和并行接口 定时器

13、（定时器（Timers）、计数器（）、计数器（counters）、看）、看 门狗（门狗（watchdogtimers）、）、RTC、UARTs、 PWM（Pulsewidthmodulator） AD/DA、显示器、键盘和网络等、显示器、键盘和网络等。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 第二节第二节 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的发展 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器的特点嵌入式微处理器的特点 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 (ARM,MIPS,SH,PowerPC,x86) 电子科技大学嵌入式软

14、件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 2020世纪世纪8080年代年代 中后期中后期 2020世纪世纪9090年代年代 初期初期 2020世纪世纪9090年代年代 中后期中后期 2121世纪世纪 初期初期 制作工艺制作工艺1 - 0.8 1 - 0.8 m m0.8 - 0.5 0.8 - 0.5 m m0.5 0.5 0.35 0.35 m m 0.25 - 0.13 0.25 - 0.13 m m 主频主频 33 MHz 33 MHz100 MHz100 MHz200 MHz200 MHz 600 MHz 500K 500K2M2M5M5M22M22M 位数位数4/8/16bit4/8

15、/16bit4/8/16/32bit4/8/16/32bit4/8/16/32bit4/8/16/32bit4/8/16/32/64b4/8/16/32/64b 嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的发展 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器种类繁多，按嵌入式微处理器种类繁多，按位数位数可分为可分为4 4位、位、 8 8位、位、1616位、位、3232位和位和6464位。位。 按按用途用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式 DSPDSP和通用的嵌入式微处理器两种：和通用的嵌入式微处理器

16、两种： 嵌入式嵌入式DSP：专用于：专用于数字信号处理数字信号处理，采用哈，采用哈 佛结构和一系列措施保证数字信号的处理速佛结构和一系列措施保证数字信号的处理速 度，如对度，如对FFT（快速傅立叶变换）的专门优（快速傅立叶变换）的专门优 化。化。 通用的嵌入式微处理器通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的微处理器的核、总线、外围接口和设备的 SOCSOC芯片芯片，有些还将，有些还将DSP作为协处理器集成。作为协处理器集成。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的特点嵌入式微处理器的特点 体系结构体系

17、结构 指令集指令集 性能性能 功耗和管理功耗和管理 成本成本 集成度集成度 基础是通用微处理器基础是通用微处理器 与通用微处理器相比的与通用微处理器相比的 区别：区别： 体积小、重量轻体积小、重量轻 成本低、功耗低成本低、功耗低 工作温度宽工作温度宽 抗电磁干扰、可靠性抗电磁干扰、可靠性 强强 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 External Memory CPU Address Data Cache Bus Interface Write Buffer MMU / MPU R R W WW W (R/W) 外设外设 如如USB、LCD 控制器等控制器等 扩展芯片

18、扩展芯片 内核（内核（core）处理器存储器子系统处理器存储器子系统SoC的片内外设的片内外设 系统的片外设备系统的片外设备 处理器（处理器（Processor） 芯片（芯片（SoC） 系统（系统（System） 嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器的集成度 符合嵌入式系统的低成符合嵌入式系统的低成 本和低功耗需求本和低功耗需求 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器的集成度 嵌入式微处理器是嵌入式微处理器是面向应用面向应用的，其片内所包含的，其片内所包含 的的组件的数目和种类组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。是由它的市场定位决

19、定的。 在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括： 片内存储器：部分嵌入式微处理器片内存储器：部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器，外设接口外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口串口，并口) LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，中断控制器，DMA控制器，协处理器控制器，协处理器 定时器，定时器，A/D、D/A转换器转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线总线 其他标准接口或外设其他标准接口或外设 返回返回 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件

20、工程中心 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构 算术格式（算术格式（Arithmetic FormatArithmetic Format） 由于由于低成本低成本和和低功耗低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理的限制，大多数的嵌入式微处理 器使用器使用定点运算定点运算（fixed-point arithmetic） 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模软件模 拟拟的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处 理器时间。理器时间。 功能单元（功能单元（Functional UnitsFunctio

21、nal Units） 通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个 ALU、移位器和、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成，处理器通常用一条指令完成 乘法操作。乘法操作。 流水线（流水线（PipelinePipeline） 通常采用通常采用单周期执行指令单周期执行指令，可能导致比较长的流水线，可能导致比较长的流水线 返回返回 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的指令集嵌入式微处理器的指令集 为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令 集一般要针对特定领域的应用进行

22、集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充剪裁和扩充。 目前很多应用系统需要类似于目前很多应用系统需要类似于DSP的数字处理功的数字处理功 能。这些指令主要有：能。这些指令主要有： 乘加乘加(MAC)操作操作：它在一个周期中执行了一次乘法运：它在一个周期中执行了一次乘法运 算和一次加法运算。算和一次加法运算。 SIMD类操作类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流：允许使用一条指令进行多个并行数据流 的计算。的计算。 零开销的循环指令零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。：采用硬件方式减少了循环的开销。 仅使用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并仅使用两条指令实现一个循环，一条是

23、循环的开始并 提供循环次数，另一条是循环体。提供循环次数，另一条是循环体。 多媒体加速指令多媒体加速指令：像素处理、多边形、：像素处理、多边形、3D操作等指令。操作等指令。 返回返回 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的性能嵌入式微处理器的性能 低端（低价，低性能）低端（低价，低性能） 一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应，应 用在对性能要求不高但对用在对性能要求不高但对价格和功耗价格和功耗有严格要求的应有严格要求的应 用系统中。用系统中。 中档，低功耗中档，低功耗 中档的嵌入式微处理器可达到较好的性

24、能（如中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如 150MIPS左右），采用增加左右），采用增加时钟频率、加深流水深度、时钟频率、加深流水深度、 增加增加Cache及一些额外的功能块来提高性能及一些额外的功能块来提高性能，并保持，并保持 低功耗低功耗。 高端高端 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的性能嵌入式微处理器的性能 高端嵌入式微处理器用于高端嵌入式微处理器用于高强度计算高强度计算的应用，的应用， 使用不同的方法来达到更高的并行度使用不同的方法来达到更高的并行度 单指令执行乘法操作单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令：通过加入额外的

25、功能单元和扩展指令 集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。 每个周期执行多条指令每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支：桌面和服务器的超标量处理器都支 持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(very large instruction word)来实现，这样只需较少的硬件，总体来实现，这样只需较少的硬件，总体 价格会更低些。例如价格会更低些。例如TI的的TMS320C6201芯片，通过使用芯片，通过使用 VLIW方法，能在每个周期同时执行方法，能在每个周期同时执行8条独立的条

26、独立的32位指令。位指令。 使用多处理器使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要 求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如 TI的的OMAP730包括了三个处理器核包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。 返回返回 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的功耗管理嵌入式微处理器的功耗管理 大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池 供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷供电的系统），它们不支持使用

27、风扇和其他冷 却设备。却设备。 降低工作电压降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，而且甚至更低，而且 这个数值一直在下降。这个数值一直在下降。 提供不同的时钟频率提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的：通过软件设置不同的 时钟分频。时钟分频。 关闭暂时不使用的功能块关闭暂时不使用的功能块：如果某功能块在：如果某功能块在 一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以 节约能量。节约能量。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的功耗管理嵌入式微处理器的功耗管理 提供功耗管理机制提供功耗管理机制 运行模式运行模式（Runni

28、ng Mode）：处理器处于全速运）：处理器处于全速运 行状态下。行状态下。 待命模式待命模式（Standby Mode）：处理器不执行指令，）：处理器不执行指令， 所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内 返回运行模式。返回运行模式。 时钟关闭模式时钟关闭模式（clock-off mode）：时钟完全停止，）：时钟完全停止， 要退出这个模式系统需要重新启动。要退出这个模式系统需要重新启动。 影响功耗的其他因素还有影响功耗的其他因素还有总线总线（特别是总线转（特别是总线转 换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）换器，可以采用特殊的技术使它的功耗

29、最小） 和和存储器类型的大小存储器类型的大小（如果使用（如果使用DRAM，它需，它需 要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存 储器要保持在应用系统可接受的最小规模储器要保持在应用系统可接受的最小规模。 返回返回 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 嵌入式微处理器的成本嵌入式微处理器的成本 为降低价格，需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不为降低价格，需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不 同的折衷方案。同的折衷方案。 处理器的价格受如下因素影响处理器的价格受如下因素影响: : 处理器的特点处理器的特点：功能块的数目、总线类型等。功能块

30、的数目、总线类型等。 片上存储器的大小片上存储器的大小。 芯片的芯片的引脚数引脚数和和封装形式封装形式：如：如PQFP(Plastic Quad Flat Package)通常比通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜。便宜。 芯片大小芯片大小（die size）：取决于制造的工艺水平。）：取决于制造的工艺水平。 代码密度代码密度（code density）：代码存储器的大小将影响价代码存储器的大小将影响价 格，不同种类的处理器结构（格，不同种类的处理器结构（CISC/RISC/ VLIW ）有不）有不 同的代码密度。同的代码密度。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子

31、科技大学嵌入式软件工程中心 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 目前主流的嵌入式微处理器系列主要有目前主流的嵌入式微处理器系列主要有: : ARM系列系列 MIPS系列系列 PowerPC系列系列 Super H系列等系列等。 属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多， 有上千种以上。有上千种以上。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 Source: Andrew Allison, Inside The New Computer Industry, January 2001 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工

32、程中心 32位浪潮的到来位浪潮的到来 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 14,000 16,000 MillionsofUnits 2000200120022003200420052006200720082009 MPUMCU(excl.DSP)Cores Source: Semico Research Corp. and SIA/WSTS 0 2,000 4,000 6,000 8,000 10,000 12,000 MillionsofUnits 2000200120022003200420052006200720082009 32-Bit+1

33、6-Bit8-Bit4-Bit Total MCU, by Sub-Category (excl. DSP) Total Embedded Control Market Shipments by Type 总共约总共约26亿个亿个32位处理器位处理器 付运，占总数付运，占总数96亿的亿的27% 2005年年ARM为为17亿个，亿个， 约占约占32位总量的位总量的70%左右左右 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 X86系列系列 主要由主要由AMD，Intel，NS，ST等公司提等公司提 供，如：供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式、嵌入式 K6，386EX

34、、STPC等。等。 主要应用在主要应用在工业控制工业控制、通信通信等领域。等领域。 国内由于对国内由于对X86体系比较熟悉，得到广泛体系比较熟悉，得到广泛 应用，特别是嵌入式应用，特别是嵌入式PC的应用非常广泛。的应用非常广泛。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 Intel Atom processor Z5xx built on a new 45-nanometer Hi-k low power micro- architecture and 45 nm process technology the first generation of lowpower IA-

35、32 micro-architecture specially designed for the new class of Mobile Internet Devices (MIDs). In the Intel Centrino Atom processor technology platform, the Intel Atom processor Z5xx series supports the Intel System Controller Hub (Intel SCH), a single-chip component design for low-power. Intel Atom

36、processor Z540, Z530, Z520, Z510, and Z500 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 Intel Atom processor Z5xx New single-core processor for mobile devices offering enhanced performance On die, primary 32-kB instructions cache and 24-kB write-back data cache 100-MHz and 133-MHz Source-Synchronous front side bu

37、s (FSB) 100 MHz: Intel Atom processor Z500 133 MHz: Intel Atom processor Z540, Z530, Z520, and Z510 On die 512-kB, 8-way L2 cache Support for IA 32-bit architecture Intel Virtualization Technology (Intel VT) Intel Streaming SIMD Extensions 2 and 3 (Intel SSE2 and Intel SSE3) and Supplemental Streami

38、ng SIMD Extensions 3 (SSSE3) support 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 MPC/PPC系列系列 Freescale推出的推出的MPC系列，如系列，如 MPC8XX。 IBM推出推出PPC系列，如系列，如PPC4XX。 主要应用在主要应用在通信通信、消费电子及工业控制、消费电子及工业控制、 军用装备军用装备等等领域。领域。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 MPC/PPC系列系列 IBMPowerPC集成集成10/100Mbps以太网以太网 控制器、串行和并行端口、内存控制器控制器、串行和并行端口、内存控

39、制器 以及其它外设的高性能嵌入式处理器。以及其它外设的高性能嵌入式处理器。 Motorola(Freescale)MPC高度综合的高度综合的 SOC设备，它结合了设备，它结合了PPC微处理器核心微处理器核心 的功能、通信处理器和单硅成分内的显的功能、通信处理器和单硅成分内的显 示控制器。这个设备可以在大量的电子示控制器。这个设备可以在大量的电子 应用中使用，特别是在低能源、便携式、应用中使用，特别是在低能源、便携式、 图象捕捉和个人通信设备。图象捕捉和个人通信设备。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 技术技术0.25微米微米CMoSSA-12E 282Dhrysto

40、ne2.1MIPS200MHz 375Dhrystone2.1MIPS266MHz 200/100/66/50MHz 266/133/66/66MHz 晶体数量晶体数量480万万 电源消耗电源消耗1.1瓦瓦 信号信号 I/O300 温度范围温度范围-40到到80度度 电源供应电源供应2.5V( 逻辑电路逻辑电路 ),3.3V(I/O) ，支持，支持 5VI/Os 456-Ball,EnhancedPBGA(35mmx35mm) 性能性能 频率频率 (CPU/ SDRAM/PCI/EBC) 封装封装 DhrystoneDhrystone是一个综合性的基准测试程序，它是为了测试编译器和是一个综合性

41、的基准测试程序，它是为了测试编译器和CPUCPU处处 理整数指令和控制功能的有效性，人为地选择一些理整数指令和控制功能的有效性，人为地选择一些“典型指令综合起来形典型指令综合起来形 成的测试程序。成的测试程序。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 ARM系列系列 ARM(Advanced RISC Machine)ARM(Advanced RISC Machine)公司是一家专门从公司是一家专门从 事芯片事芯片IPIP设计与授权业务的英国公司，其产品有设计与授权业务的英国公司，其产品有 ARMARM内核以及各类外围接口。内核以及各类外围接口。 ARMARM内核是一种内

42、核是一种3232位位RISCRISC微处理器，具有微处理器，具有功耗低功耗低、 性价比高性价比高、代码密度高等代码密度高等三大特色。三大特色。 目前，目前，90%90%的移动电话、大量的游戏机、手持的移动电话、大量的游戏机、手持PCPC 和机顶盒等都已采用了和机顶盒等都已采用了ARMARM处理器，许多一流的处理器，许多一流的 芯片厂商都是芯片厂商都是ARMARM的授权用户（的授权用户（LicenseeLicensee），如），如 IntelIntel、SamsungSamsung、TITI、MotorolaMotorola、STST等，等，ARMARM已已 成为业界公认的嵌入式微处理器标准。成

43、为业界公认的嵌入式微处理器标准。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 ARM处理器的分类处理器的分类 结构体系版本结构体系版本（ArchitectureArchitecture） ARM v4T ARM v5TE ARM v6 ARM Cortex (v7) Processor FamilyProcessor Family ARM7 ARM9 ARM10 ARM11 ARM Cortex 按应用特征分类按应用特征分类 应用处理器应用处理器 Application Processor 实时控制处理器实时控制处理器 Real-time Controller 微控制器微控制

44、器 Micro-controller 特征：特征：MMU, Cache 最快频率、最高性能、合理功耗最快频率、最高性能、合理功耗 特征：特征：MPU, Cache 实时响应、合理性能、较低功耗实时响应、合理性能、较低功耗 特征：特征：no sub-memory system 一般性能、最低成本、极低功耗一般性能、最低成本、极低功耗 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 v4 v5TE SA110 v4T ARM720T ARM7TDMI-S ARM920T ARM940T ARM922T ARM966E-S ARM946E-S ARM1020E v5TEJ / Jaze

45、lle v6 / Jazelle ARM7EJ-S ARM926EJ-S ARM1026EJ-S ARM11 Micro-Architecture 基于基于32-bit地址空间的地址空间的32-bit指令集指令集 增加增加16-bit Thumb 指令集，使得编译器指令集，使得编译器 能产生紧凑代码（内存能节省到能产生紧凑代码（内存能节省到35%以上以上) Thumb在处理器中仍然要扩展为标准的在处理器中仍然要扩展为标准的 32位位ARM指令来运行。指令来运行。 采用采用16位位Thumb指令集最大的好处就是指令集最大的好处就是 可以获得可以获得更高的代码密度和降低功耗更高的代码密度和降低功耗

46、。 1999年推出年推出 增强了增强了Thumb体系体系:以更好地以更好地 平衡代码空间和性能平衡代码空间和性能 并在并在ARM ISA上扩展了上扩展了增强的增强的DSP 指令指令 集集: E扩展表示在通用的扩展表示在通用的CPU上提供上提供DSP 能力。能力。 2000年推出年推出, 增加了增加了Jazelle扩展以支持扩展以支持 Java加速技术。加速技术。 Jazelle技术比仅仅基于软件的技术比仅仅基于软件的JVM性能提性能提 高近高近8倍的性能减少了倍的性能减少了80的功耗。的功耗。 2001年推出，它在许多方面做了改进如内存系统、异年推出，它在许多方面做了改进如内存系统、异 常处理

47、和较好地支持多处理器。常处理和较好地支持多处理器。 SIMD扩展使得广大的软件应用如扩展使得广大的软件应用如Video和和Audio codec的性能提高了的性能提高了4倍。倍。 Thumb-2和和TrustZone 技术也用于技术也用于ARMv6中。中。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 ARMv7(Cortex) ARMv7定义了定义了3种不同的处理器配置（种不同的处理器配置（processor profiles）: Profile A是面向复杂、基于虚拟内存的是面向复杂、基于虚拟内存的OS和应用的和应用的 Profile R是针对实时系统的是针对实时系统的 P

48、rofile M是针对低成本应用的优化的微控制器的是针对低成本应用的优化的微控制器的。 所有所有ARMv7profiles实现实现Thumb-2技术，同时还技术，同时还 包括了包括了NEON技术的扩展提高技术的扩展提高DSP和多媒体处和多媒体处 理吞吐量理吞吐量400，并提供，并提供浮点支持浮点支持以满足下一代以满足下一代 3D图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要图形和游戏以及传统嵌入式控制应用的需要。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 ARM Family ARM7 Family ARM9 Family ARM10 Family ARM11 Family 150

49、DMIPS 300 DMIPS 500 DMIPS 1000 DMIPS ARM Cortex Family ARM720T ARM1136J ARM1176JZ ARM1026E ARM920T/ARM922T ARM926EJ Cortex A Application Processor ARM7TDMI ARM1156T2 ARM1026E ARM946E Cortex R Embedded RT Controller ARM7TDMI ARM966E ARM968E Cortex M Micro- controller ARM Architecture 电子科技大学嵌入式软件工程中心电

50、子科技大学嵌入式软件工程中心 H L H L Processors for All Applications H L Applications Processor Market Real-Time Embedded Market Microcontroller Market ARM926EJ-S Cortex-A8 ARM11 MPCore ARM1176JZ(F)-S ARM1136J(F)-S 600+ MIPS Uni-Proc 2000+ MIPS Uni-Proc 2000+ MIPS Multi-proc 600+ MIPS Uni-Proc 250+ MIPS Uni-Proc

51、ARM7TDMI Cortex-M3 ARM968E-S ARM946E-S ARM1156T2(F)-S ARM7TDMI 600+ MIPS Uni-Proc 150+ MIPS Uni-Proc 100+ MIPS Uni-Proc Cortex R4600+ MIPS Uni-Proc 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 当前的主流当前的主流ARM处理器处理器 ARM7 世界上最为广泛使用的世界上最为广泛使用的CPU之一之一 99% of PCs Interfaces (bridges) to other comms channels exist USB to

52、 serial port (serial port vanishing from laptops) USB to IrDA or to Ethernet USB to Bluetooth Extreme volumes force down IC and hardware prices Advantage of USB 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 Versions of USB specification USB 1.1 Established, large PC peripheral markets Well controlled hardware, spe

53、cial 4-pin plugs/sockets 12 Mbits/sec (normal) or 1.5 Mbits/sec (low speed) USB 2.0 Supersedes 1.1 specification Backwards compatible Encompasses LS, FS, HS Introduces smaller “mini-B” connector Challenging IEEE1394/Firewire for video possibilities 480 MHz clock for Hi-Speed means its real “UHF” Hi-

54、Speed option needs more complex chip H/W & S/W Hi-Speed component prices x3 approx. compared to full speed 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 Versions of USB specification USB “OTG” (On The Go) Supplement Supplement to the 2.0 specification Allows peripherals to “talk” to each other Dynamic host/periphe

55、ral switch Introduces new “mini-AB” receptacle and “mini-A” plug Lower power requirements 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 How are the connected devices recognized ? USB is essentially a one point to one point physical connection The information flow is multiplexed and repeated by hubs T connectors an

56、d extension cables are not permitted Balanced (differential) bus is unbalanced by resistors in a device to signal a connection has been made, and set Full/Low speed Resistors from bus wires to supply or ground are detected 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 How are the connected devices recognized ? Hos

57、t (= Master = PC usually) asks device to identify itself Device sends specific identification Host / PC needs to have correct software to communicate Hi-Speed devices send extra signals during the reset period requesting upgrade to high speed mode 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 USB hardware Connecti

58、ons and Terminations 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 第四节第四节 嵌入式存储系统嵌入式存储系统 概述概述 电子盘电子盘 NandFlash DOC DOM CompactFlash SmartMedia MemoryStick MMC SD 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 概述概述 嵌入式系统的存储结构嵌入式系统的存储结构 嵌入式嵌入式 微处理器微处理器 Cache 片内片内 RAM和和 ROM 主存：主存： NorFlash、SRAM、 DRAM等等 外存：外存： NandFlash、DOC、 CF、SD、MM

59、C等等 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 概述概述 高速缓存高速缓存CacheCache 高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最多的高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最多的 程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。 在嵌入式系统中在嵌入式系统中Cache全部都集成在嵌入式微全部都集成在嵌入式微 处理器内。处理器内。 可分为数据可分为数据Cache、指令、指令Cache或混合或混合Cache。 不同的处理器其不同的处理器其Cache的大小不一样。的大小不一样。 一般一般32位的嵌入式微处理器都内置位的嵌入式微处理器都内置Cache

60、。 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心 概述概述 CacheCache命中命中：CPU每次读取主存时，每次读取主存时，Cache 控制器都要检查控制器都要检查CPU送出的地址，判断送出的地址，判断 CPU要读取的数据是否在要读取的数据是否在Cache中，如果在中，如果在 就称为命中。就称为命中。 CacheCache未命中未命中：读取的数据不在：读取的数据不在Cache中，中， 则对主存储器进行操作，并将有关内容置入则对主存储器进行操作，并将有关内容置入 Cache。 写入方法：写入方法： 通写（通写（Write ThroughWrite Through）：写：写Ca