嵌入式处理器

1、1嵌入式处理器东北大学信息学院辽宁省嵌入式软件技术工程中心邓庆绪2内容1. 嵌入式系统的硬件组成2. 嵌入式处理器的技术指标3. 典型的嵌入式处理器4. 如何选择嵌入式处理器5. 嵌入式处理器子系统的设计方法34嵌入式处理器处理器的种类1. 通用处理器2. 嵌入式微控制器3. 嵌入式微处理器4. 数字信号处理器5. SOC6. 可编程器件1. PLD集成了处理器/控制器/DSP单元2. FPGA7. 多核处理器（ARM和DSP 集成在一起的，SMP）5其它子系统1. 存储器子系统2. IO子系统3. 附属电路子系统4. 调试子系统6嵌入式处理器 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded

2、Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 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，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 7嵌入式处理器 嵌入式微处理器嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点

3、。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像ARM RISC、MIPS RISC或其他的微处理器核心，加上通信接口单元，像通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、WIFI蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。 8嵌入式处理器 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般

4、以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。 和嵌入式微处理器相比，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。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。 9嵌入式处

5、理器 数字信号数字信号处理器处理器( Digital Signal Processor, DSP) 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。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000 /C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和I

6、nfineon(Siemens)的TriCore。 推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘， ADSL 接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP 处理器的长处所在。 10嵌入式处理器 数字信号处理器( Digital Signal Processor, DSP) DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。 TMS320系列处理器包括

7、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。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。 11嵌入式处理器冯冯.诺依曼结构诺依曼结构VS 哈佛结构：哈佛结构： 12嵌入式处理器冯冯.诺依曼结构：诺依曼结构： 将数据和指令都存储在一个存储器的计算机称为冯.诺依曼机。这种

8、计算机由一个中央处理单元（CPU）和一个存储器组成。存储器拥有数据和指令，并且可以根据所给的地址对它进行读写。如ARM的ARM7就是这种结构的,大多数的通用处理器和微处理器都是这种结构。哈佛结构：哈佛结构： 哈佛结构为数据和程序提供各自独立的存储器，程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器。这样做可以使指令和数据有不同的数据宽度，但是，其结果是不能在哈佛机上编写一个自修改的程序（写入数据然后使用这些值作为指令的程序）。 哈佛体系结构被广泛使用的原因简单，即独立的程序存储器和数据存储器，为数字信号处理提高了较高的性能。 目前使用哈佛结构的中央处理器和微控制器有很多，如51系列和各类DSP。

9、13嵌入式处理器 嵌入式片上系统(System On Chip) 随着EDA的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为 VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性

10、非常有利。 SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048 位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。 14嵌入式处理器 可编程器件PLD：PLD是可编程逻辑器件（Programable Logic Device）的

11、简称，FPGA是现场可编程门阵列（Field Programable Gate Array）的简称，两者的功能基本相同，只是实现原理略有不同，所以我们有时可以忽略这两者的区别，统称为可编程逻辑器件或PLD/FPGA。 PLD是电子设计领域中最具活力和发展前途的一项技术，它的影响丝毫不亚于70年代单片机的发明和使用。PLD能做什么呢？可以毫不夸张的讲，PLD能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用PLD来实现。PLD如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PC

12、B完成以后，还可以利用PLD的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用PLD来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与一或”表达式来描述，所以，PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能.这一阶段的产品主要有PAL(可编程阵列逻辑)和GAL(通用阵列逻辑)。 FPGA：现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Arrays，FPGA）技术。在可重构计算系统中，硬件的结构配置信息可以像软件程序一样被动态调用或修改，这样既保留了用ASIC方法（硬件方法）

13、实现计算的性能，又具有用处理器方法（软件方法）实现计算的灵活性。15如何选择处理单元 1选择哪一类处理单元通用微处理器嵌入式微控制器（定义、概念）嵌入式处理器（定义、概念）嵌入式DSPSOC可编程器件PLD、FPGA16如何选择处理单元 1选择哪一类处理单元通用微处理器嵌入式微控制器（定义、概念）嵌入式处理器（定义、概念）嵌入式DSPSOC可编程器件PLD、FPGA17如何选择处理单元 1选择哪一类处理单元 通用微处理器、 嵌入式微控制器（定义、概念） 嵌入式处理器（定义、概念） 嵌入式DSP SOC 可编程器件PLD22选择哪个厂家的产品 1成本，包括处理器本身的成本和外围电路的成本。 2处

14、理器的技术指标。 3开发工具的支持。 4制造商的持续生产情况。 5集成度和功能，通常采用高度集成的处理器设计的嵌入式系统的成本不一定低，需要考虑外部电路的成本。182嵌入式处理器的技术指标1.功能2.字宽3.处理速度4.工作温度5.功耗6.寻址能力7.平均无故障工作时间（可靠性）8.性能价格比9.工艺10. 电磁兼容性指标193如何选择嵌入式处理器l 选择嵌入式处理器的总原则l 选择嵌入式处理器的具体方法20嵌入式处理器的选择总原则 8位微控制器-可以不使用操作系统 需要使用嵌入式操作系统-16位以上处理器 涉及到数学运算、信号处理-选择DSP 涉及到图形处理-高性能的处理器21选择处理器的方

15、法 够用原则 成本原则 考虑技术指标参数 体系结构 处理速度-MIPS 寻址能力 总线宽度 片上存储器的集成情况 工作温度 封装形式 操作系统、开发工具的支持 调试接口 行业用途和使用情况 功耗特性mW/MHz 电源管理功能 价格-批量价格22阅读手册1. 32位处理器手册2. 阅读features: 几页3. 决定是否选用4. 列出候选的处理器特性比较表-next23嵌入式处理器参数比较选择表特性ARMPowerPCColdfire字长速度片上存储器中断DMA以太网支持存储器功耗行业用途价格243典型的嵌入式微控制器1.Microchip系列嵌入式微控制器2.特点1.RISC结构2.高性能，

16、低价格，小包装 3.应用：工业应用，消费，办公自动化设备4.OPT，低电压，低功率选择，并带有多种封装选择3.系列产品 1.PIC12-8位系列2.PIC16-12位结构3.PIC16-14位系列4.PIC17-16位结构5.PIC18-16位结构253典型的嵌入式微控制器目前国内仍然是Intel的MCS51系列及其兼容的单片机占决对主流地位，MCS51系列单片机采用CISC结构（集中指令集）其数据线和指令线分时复用，它的指令丰富，功能较强，但取指令和取数据不能同时进行，速度受限，价格亦高。随着各领域的应用需求不断增加，美国Microchip技术公司率先推出PIC单片机系列产品，该产品采用RI

17、SC结构（精简指令集）其数据线和指令线分离，这使得取指令和取数据可以同时进行，由于一般指令线宽于数据线，使其指令较同类CISC单片机指令包含更多的处理信息，执行效率更高，速度更快。同时，这种单片机指令多为单字节，程序存储器的空间利用率大大提高，有利于实现超小型化。其高速度、低工作电压、低功耗、较大的输入输出直接驱动LED能力，一次编程芯片的低价位、小体积、指令简单易学易用等，都体现了微控制器工业发展的新趋势。Microchip公司生产的PIC16C74是PIC16xx系列微控制器中的一种，一款基于EPROM的8位高性能微控制器。与其它价格相当的微控制器相比，它在执行速度和代码压缩方面都有很大的

18、改进。由于随时可以买到需要的OPT（一次性编程）产品，因而缩短了利用PIC16C74进行产品设计开发的周期。263典型的嵌入式处理器lPHILIPS LPC系列1.OTP型2.与MCS51兼容的指令系统3.丰富的IO功能1.模拟比较器、Watchdog、I2C总线、A/D、D/A、PWM 4.运行速度20MHz5.片内RC振荡器6.工作电压2.7-6V7.工业品:4085 273典型的嵌入式微控制器lMotorola的MC68HC08系列微控制器l有通用的GP、JL和XL型，l汽车控制的AZ型，l模糊控制的KX、KJ型，l马达控制的MR型，l电话用的W型等各种微控制器。l以后还将推出电话控制型

19、、家用消费型、智能IC卡型、LCD驱动及VFD驱动型微控制器，MC68HC08将会逐步覆盖MC68HC05的应用范畴。 283典型的嵌入式微控制器1. MCS51系列293典型的嵌入式微控制器1.ATMEL AVR90系列（89/90/91)1.以EEPROM电可擦除及Flash技术为主导2.多种封装形式和高的质量 3.用途商业C档，工业I档，汽车A档，军用M档4.RISC结构，高的MIPS/mW资源：1K128K字节可下载的Flash存储器、644K字节EEPROM、1284K字节RAM、548条通用的I/O线、32个通用工作寄存器、带模拟比较器的定时器/计数器、可编程的异步UART串行口、

20、内部及外部中断、带内部晶振的可编程看门狗定时器、一个为下载程序而设计的SPI串行口、10位A/D转换器以及2个可通过软件选择的省电模式。 303典型的嵌入式微处理器Intel and AMD1. 80186系列1. CISC结构2. 80 x86结构3. intel和AMD公司提供产品，目前AMD大量提供4. AMD系列1. AM186Ex系列：DRAM（动态随机存取存储器）控制器2. Am186Cx系列：4通道的HDLC，USB313典型的嵌入式微处理器1. MC68HC12系列1. 16位的CPU2. FLASH, EEPROM集成3. 多种外设接口4. BDM调试方式5. 支持模糊指令3

21、23典型的嵌入式微处理器1.PowerPC系列-MPC5551.32位嵌入式处理器2.特点：1.带有浮点单元的PowerPC内核2.26K字节的快速RAM和6K字节的TPU微码RAM3.5V编程电压的448K字节的flash EEPROM4.5V I/O系统5.串行系统：基于队列的串行多通道模块，两个CAN2.0B控制器模块6.50-通道定时器系统：双定时处理单元（TPU3），模块化I/O系统7.32个模拟量输入：两个基于队列的A/D转换器（QADC64）8.272引脚的PBGA封装9.工作频率40MHz，40125，双电源供电33MPC555343典型的嵌入式微处理器1. ColdFire系

22、列-68000系列改进内核1. 存储器：支持缓存，与多种存储器无缝连接2. 调试-JTAG3. 网络：以太网，CAN总线4. I/O2. 框图-35 ColdFire框图363典型的嵌入式微处理器-ARM系列1. ARM72. ARM93. ARM9E4. ARMl05. SecurCore6. 未来。37ARM7系列 ARM7TDMI T: Thumb D:debug M:乘法器 I：嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持 ARM7-S ARM720T ARM7EJ 应用38ARM9系列 5级流水线； 提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。 应用 引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端

23、打印机、PDA、网络电脑和智能电脑 39ARM9E系列 DSP扩充； 嵌入式ICE-RT调试逻辑； 提供1.1MIPS/MH2的5级流水线和哈佛结构； 紧耦合存储器（TCM）接口，可使存储器以最高的处理器速度运转，可直接连接到内核上，非常适用于必须有确定性能和快速访问时间的代码。40ARM10系列 ARM10系列为硬宏单元，带有： DSP扩展； 嵌入式ICE-RT； 全性能MMU； Cache； 对于指令和数据，64位AHB接口； 6级流水线； 内部64位数据通路； 25MIPS/MHz； 在实际应用中，与同等ARM9器件相比，在同样的时钟速度下，性能提高了50。41SecurCore SC1

24、00 SecurCore SC100系列专为安全需要而设计，具有特定的抗窜改（resisit tampering）和反工程（reverse engineering）特性。它还有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。 42基于ARM内核的产品 ATMEL公司带ARM核的芯片 Cirrus Logic公司带ARM核的芯片 Intel公司带ARM核的芯片 NetSilicon公司带ARM核的芯片 Samsung公司带ARM核的芯片 Triscend公司带ARM核的芯片43ARM的合作伙伴 Agere Systems、Agilent、AKM、Alcatel、AnalogDevices Inc

25、、Atmel、Basis、Cirrus Logic，Conexant Systems Inc、Epson、Ericsson、Fujitsu、Global UniChip、Hynix、IBM、Intel、LinkUp、LSI Logic、Micronas、Mitel、Semiconductor、Mitsubishi Electric Corporation、Motorola、National Semiconductor、NEC、Netsilicon、Oki、Panasonic、Philips、Qualcomm、Rohm、Sanyo、Samsung、Sharp、Sony、ST Microeletr

26、onics、Texas Instruments、3Com、Toshiba、Triscend、Yamaha、Zeevo 44Atmel公司带ARM核的芯片 应用 通用 工业应用45型号ARM核用途备注AT91M40400ARM7TDMI通用AT91M40800ARM7TDMI通用低成本AT91M40807ARM7TDMI通用128KB掩膜ROM为32位，低功耗AT91M43300ARM7TDMI通用AT91M42800AARM7TDMI通用RTC、OSC和PLLAT91M55800AARM7TDMI通用极低功耗，8通道10位ADC，2通道10位DAC、RTC、OSC和PLLAT91M63200A

27、RM7TDMI多处理器具有多处理器接口MPIAT91R40807ARM7TDMI通用SRAM位32位，单周期访问AT91R40008ARM7TDMI通用SRAM位32位，单周期访问AT91F40416ARM7TDMI通用AT91F40816ARM7TDMI通用AT91FR4081ARM7TDMI通用高集成度AT75C310ARM7TDMIInternet处理器AT75C220ARM7TDMIInternet设备处理器46Cirrus Logic公司带ARM核的芯片 通信-internet 手持计算 多媒体应用-音频47型号ARM核用途备注EP7211ARM720T手持计算超低功耗片上系统EP7

28、212ARM720T手持计算，数字音频带LCD控制器和数字音频接口DAI（Digital Audio Interface）的高性能、低功耗片上系统EP7312ARM720T手持计算、数字音频带SDRAM和改进数字音频接口的高性能、低功耗片上系统EP7209ARM720T音频解码超低功耗音频解码片上系统EP7309音频解码超低功耗音频解码SOCEP7339ARM720T安全音频解码EP9312ARM920T数字音频处理器Internet音频Jukebox处理器CLPS6700手持计算用于CLPS7111的低功耗PC卡控制器CLPS7110ARM710A手持计算手持应用的超低功耗器件CLPS711

29、1ARM710A手持计算带LCD控制器的超低功耗片上系统CLPS7500FEARM710AInternet电器设备带CRT/LCD控制器的片上系统CS89712ARM720T通信处理器48Intel公司带ARM核的芯片 型号ARM核用途备 注SA110StrongARM处理器超低功耗片上系统SA1100StrongARM处理器带LCD控制器和数字音频接口DAI的高性能、低功耗片上系统SA1110StrongARM处理器带SDRAM和改进数字音频接口的高性能、低功耗片上系统SA1111StrongARM处理器IXP1200StrongARM网络处理器80200XscaleI/O处理器49NetS

30、ilicon公司带ARM核的芯片 型号ARM核用途NET15ARM7TDMI通用以太网NET40ARM7TDMI通用以太网NET50ARM7TDMI通用以太网50Samsung公司带ARM核的芯片 应用-办公室产品应用1. 通用2. 以太网3. PDA温度范围主要商用51器件名ARM核用途S3C3400AARM7TDMI通用，PDAS3C3410XARM7TDMI通用，PDA，游戏，GPSS3C44A0AARM7TDMI通用，PDAS3C44B0ARM7TDMI通用，PDA，电子书，LCD游戏，GPSS3C44B0AARM7TDMI通用，PDAS3C4510ARM7TDMIEthernet H

31、ub/交换器，xDSL路由器/WLAN AP，VoIP电话/网关，家庭PNA路由器S3C4530ARM7TDMIEthernet Hub/交换器，xDSL路由器/WLAN AP，VoIP电话/网关，家庭PNA路由器S3C4520ARM7TDMIModem路由器S3C4909AARM7TDMIFlash产品S3C49F9XARM7TDMIFlash产品52Triscend公司带ARM核的芯片 型号ARM核专用资源系统RAM可配置系统逻辑单元CSI地址选择器PIO引脚（最大）TA7S05ARM7TDMI存储器接口单元4通道DMA控制器2个16C550型UART2个16位定时器32位看门狗定时器电源

32、管理上电复位硬件断点单元JATG口4K32位51232124TA7S12115272188TA7S202048128252TA7S32320020031653基于ARM的嵌入式系统开发特点1.指令的兼容性，便于软件移植2.功能丰富，厂家支持丰富3.低功耗: MIPS/mW4.高效率：MIPS/MHz5.操作系统支持丰富6.各行各业的解决方案7.支持片上系统设计8.基于IP的系统设计9.大厂的加入（intel, freescale)543典型的嵌入式处理器-我国1. 方舟系列 1. 方舟1号2. 方舟2号2. 龙芯系列1. 兼顾通用和嵌入式应用 55方舟 RISC技术 应用：网络、终端、工控56方舟1号性能166MHz功耗1.2瓦166MHz工