嵌入式系统体系结构与开发体系结构ppt课件

1、20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式系统体系结构与开发嵌入式处理器2014级级 研究生研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式系统体系结构与开发ARM 体系结构p 计算机组成与结构计算机组成与结构p 体系结构体系结构冯冯. .偌依曼与哈佛偌依曼与哈佛p 指令系统指令系统精简指令与复杂指令精简指令与复杂指令p 总线结构总线结构单总线与多总线结构单总线与多总线结构p 存储结构存储结构多级存储结构多级存储结构20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发计算机组成结构n体系结构n冯冯. .诺依曼结构诺依曼结构n哈佛体

2、系结构哈佛体系结构n指令系统nCISCCISC：复杂指令系统计算机：复杂指令系统计算机nRISCRISC：精简指令系统计算机：精简指令系统计算机n总线结构n总线原理总线原理nAMBAAMBA总线总线n存储结构n外部设备20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发计算机体系结构n计算机体系结构据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86等。n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时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。

3、20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发冯.诺依曼结构n计算机系统五大部件nALUALUnControllerControllernMemoryMemoryn Input InputnOutputOutputn核心部件n早期是早期是CPUCPUn后来是后来是Memory,Memory,存储程序存储程序(stored program)(stored program)：程序以数字形式存在，可以与：程序以数字形式存在，可以与数据一样被读写数据一样被读写n指令执行次序：n顺序顺序n跳转跳转n程序计数器Program Counter（PC）n传统的微处理器采用的

4、传统的微处理器采用的冯冯诺依曼结构诺依曼结构将指令和数据将指令和数据存放在同一存储空间中存放在同一存储空间中，统，统一编址，指令和数据通过同一编址，指令和数据通过同一总线访问。一总线访问。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发哈佛体系结构n程序与数据有独立的存储器nPC只能指向程序存储器n独立编址运行n指令指令cachecache与数据与数据cachecachen适用于实时信号处理（大部分的适用于实时信号处理（大部分的DSPDSP）n哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储

5、器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。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发冯.诺依曼结构与哈佛体系结构n两种体系结构比较地址地址数据数据主存储器主存储器MOV r8,#8MOV r8,#8CPUCPUPCPC指令指令程序存储器程序存储器CPUCPUPCPC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20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系

6、结构与开发RISC与CISCn嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统和复杂指令集系统。n拼写:nRISCRISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer）nCISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发指令系统RISC与CISC特点比较CISCRISC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

7、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，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HLL（highlevellanguage）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CISC微代码指令微代码指令高级

8、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LOAD和和STORE指令存取内存，其它所有指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器的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20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发指令流水线n3级指令流水线n取指取指n译码译码n执行执行n5级指令流水线n取指取指n译码译码n执行执行n存储存储n写写2

9、0142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发系统总线n总线n是是CPUCPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的数据、地址和控制信息的公共通道公共通道。n总线分类n从微处理器的角度来分，总线可分为从微处理器的角度来分，总线可分为片外总线片外总线( (如：如：PCIPCI、ISAISA等等) )和和片内总线片内总线（如：（如：AMBAAMBA、 AVALONAVALON、OCPOCP、WISHBONEWISHBONE等）。等）。n从信号线功能和性质分，数据线、地址线和控制线。从信

10、号线功能和性质分，数据线、地址线和控制线。n嵌入式系统的总线n一般集成在嵌入式微处理器中。一般集成在嵌入式微处理器中。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发系统总线参数n总线宽度n又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的位数。如又称总线位数，指的是总线能同时传送数据的位数。如1616位总线就位总线就是具有是具有1616位数据传送能力。位数据传送能力。n总线频率n总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。总线工作速度的一个重要参数，工作频率越高，速度越快。n通常用通常用MHzMHz表示。表示。n总线带宽n又称总线的数据传送率，是指在一定时间内

11、总线上可传送的数据总又称总线的数据传送率，是指在一定时间内总线上可传送的数据总量，用每秒最大传送数据量来衡量。量，用每秒最大传送数据量来衡量。n总线带宽越宽，传输率越高。总线带宽越宽，传输率越高。总线带宽(单位:MB/s) =（总线宽度/8） 总线频率20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发多总线结构n数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。数据宽度：高速总线通常提供较宽的数据连接。n成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。成本：高速总线通常采用更昂贵的电路和连接器。n桥允许总线独立操作，在桥允许总线独立操作，在I/OI/O操作中可提供某些并行性

12、。操作中可提供某些并行性。存储器存储器高速设备高速设备CPU CPU 低速设备低速设备低速设备低速设备桥桥高速总线高速总线低速总线低速总线20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA总线规范nAMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）是ARM 公司研发的一种总线规范，目前为3.0 版本。n在AMBA总线规范中，定义了3种总线:nAHB(Advanced High-performance Bus)AHB(Advanced High-performance Bus)：用于高性能系统模块的连：用于高性能

13、系统模块的连接，支持突发模式数据传输和事务分割；可以有效地连接处理器、接，支持突发模式数据传输和事务分割；可以有效地连接处理器、片上和片外存储器，支持流水线操作。片上和片外存储器，支持流水线操作。nASBASB（Advanced System BusAdvanced System Bus）：也用于高性能系统模块的连接，由也用于高性能系统模块的连接，由AHBAHB总线替代；总线替代； nAPBAPB（Advanced Peripheral BusAdvanced Peripheral Bus）：用于较低性能外设的简单连接，用于较低性能外设的简单连接，一般是接在一般是接在AHBAHB或或ASBAS

14、B系统总线上的第二级总线。系统总线上的第二级总线。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBAnS3C2410内部结构图20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA S3C2410多总线结构外设外设总线总线高性能高性能总线总线桥与桥与DMA仲裁器仲裁器20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA-AHB总线n主单元n只有主单元可在任何时刻使用总线。只有主单元可在任何时刻使用总线。AHBAHB可以有一个或多个主单元。可以有一个或多个主单元。n主单元可以是主单元

15、可以是RISCRISC处理器、协处理器以及处理器、协处理器以及DMADMA控制器，以启动和控制总线操作。控制器，以启动和控制总线操作。n从单元n可以响应（并非启动）读或写总线操作。可以响应（并非启动）读或写总线操作。n总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。总线的从单元可以在给定的地址范围内对读写操作进行相应的反应。n从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。从单元向主单元发出成功、失败信号或等待各种反馈信号。n从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如从单元通常是其复杂程度不足以成为主单元的固定功能块，例如外存接口、总线桥接口以及任外存接口、总线桥

16、接口以及任何内存何内存都可以是从单元，系统的其他外设也包含在都可以是从单元，系统的其他外设也包含在AHBAHB的从单元中。的从单元中。n仲裁器n 用来确定控制总线是哪个主单元，以保证在任何时候只有一个主单元可以启动数据传输。用来确定控制总线是哪个主单元，以保证在任何时候只有一个主单元可以启动数据传输。n 一般来说仲裁协议都是固定好的，例如最高优先级方法或平等方法，可根据实际的情况选择适一般来说仲裁协议都是固定好的，例如最高优先级方法或平等方法，可根据实际的情况选择适当的仲裁协议。当的仲裁协议。n译码器n 总线译码器用于传输译码工作，提供传输过程中从单元的片选信号。总线译码器用于传输译码工作，提

17、供传输过程中从单元的片选信号。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA-AHB总线n典型的AHB总线工作过程包括两个阶段： n地址传送阶段地址传送阶段(address phase)(address phase)：它将只持续一个时钟周期。：它将只持续一个时钟周期。在在HCLKHCLK的上升沿数据有效的上升沿数据有效。所有的从单元都在这个上升沿来采。所有的从单元都在这个上升沿来采样地址信息。样地址信息。n数据传送阶段（数据传送阶段（data phasedata phase）：）：它需要一个或几个时钟周期。它需要一个或几个时钟周期。可以通过可以通过H

18、READYHREADY信号来延长数据传输时间，当信号来延长数据传输时间，当HREADYHREADY信号为低信号为低电平时，就在数据传输中加入等待周期，直到电平时，就在数据传输中加入等待周期，直到HREADYHREADY信号为高信号为高电平才表示这次传输阶段结束。电平才表示这次传输阶段结束。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA-AHB总线nAMBA-AHB总线工作时序Data（A）HADDR31:0HWDATA31:0AddressphaseDataphaseControlAControlData（A）HCLKHREADYHRDATA31:0

19、AMBA总线-APBnAPB主要用于低带宽的周边外设之间的连接，在APB里面唯一的主模块就是APB 桥。n其特性包括：两个时钟周期传输；无需等待周期和回应信号；控制逻辑简单，只有四个控制信号。 nAPB主要组成：nAPBAPB桥桥nAPBAPB从单元（从单元（SlaveSlave）nAPB桥是APB中唯一的主单元，是AHB/ASB的从单元nAPB主要信号2020142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发AMBA总线-APBnAPB桥将系统总线AHB/ASB和APB连接起来，并执行下列功能：n锁存地址并保持其有效，直到数据传送完成。锁存地址并保持其有效，直到数

20、据传送完成。n译码地址并产生一个外部片选信号，在每次传送时只有一个片译码地址并产生一个外部片选信号，在每次传送时只有一个片选信号（选信号（PSELxPSELx）有效。）有效。n写传送（写传送（write transferwrite transfer）时驱动数据到）时驱动数据到APBAPB。n读传送（读传送（read transferread transfer）时驱动数据到系统总线）时驱动数据到系统总线AHB/ASBAHB/ASB。n传送时产生定时触发信号传送时产生定时触发信号PENABLEPENABLE。AMBA总线-APBnAPB从单元具有简单灵活的接口，接口的具体实现是依赖于特定设计的，有

21、许多不同的可能。n当写传送时数据锁定在下列点：n当当PSELxPSELx为高电平时，在每个为高电平时，在每个PCLKPCLK的上升沿，在的上升沿，在PENABLEPENABLE的的上升沿。上升沿。n片选信号片选信号PSELxPSELx和地址信号和地址信号PADDRPADDR可合并起来决定需要操可合并起来决定需要操作的寄存器。作的寄存器。Read data2220142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发存储器n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。n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储在处理器可直接访问的代码和数据

22、都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中存储空间即主存中。n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，一般采用快，一般采用ROMROM、EPROMEPROM、Nor FlashNor Flash、SRAMSRAM、DRAMDRAM等存储器等存储器件。件。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发存储器n目前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，用来存放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量大的特点。n在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子

23、盘的主要种类有NandFlash、 SD （Secure Digital）卡、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、 DOC（Disk On Chip）等。 20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器n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、MMC等等20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌

24、入式存储器-Cachen高速缓存Cachen高速缓冲存储器中存放的是高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最多当前使用得最多的程序代码和数据，即的程序代码和数据，即主存中部分内容的副本。主存中部分内容的副本。n在嵌入式系统中在嵌入式系统中CacheCache全部都全部都集成在嵌入式微处理器内。集成在嵌入式微处理器内。n可分为数据可分为数据CacheCache、指令、指令CacheCache或混合或混合CacheCache。n不同的处理器其不同的处理器其CacheCache的大小不一样。的大小不一样。n一般一般3232位的嵌入式微处理器都内置位的嵌入式微处理器都内置CacheCache。201420

25、14级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器-CachenCache使用nCacheCache命中命中：CPUCPU每次读取主存时，每次读取主存时，CacheCache控制器都要检查控制器都要检查CPUCPU送出的地址，判断送出的地址，判断CPUCPU要读取的数据是否在要读取的数据是否在CacheCache中，中，如果在就称为命中。如果在就称为命中。nCacheCache未命中未命中：读取的数据不在：读取的数据不在CacheCache中，则对主存储器进中，则对主存储器进行操作，并将有关内容置入行操作，并将有关内容置入CacheCache。n写入方法：写入方

26、法：通写（通写（Write ThroughWrite Through）：写：写CacheCache时，时，CacheCache与对应内存与对应内存内容同步更新。内容同步更新。回写（回写（Write BackWrite Back）：写写CacheCache时，只有写入时，只有写入CacheCache内容移内容移出时才更新对应内存内容。出时才更新对应内存内容。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发CPU地址地址索引索引机构机构置换控制器置换控制器高速缓冲高速缓冲存储器存储器主主存存段（页）段（页）地址地址高位地址高位地址低位地址低位地址地址总线地址总线数

27、据总线数据总线嵌入式存储器-CachepCacheCache结构框图结构框图20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器n主存 n主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程主存是处理器能直接访问的存储器，用来存放系统和用户的程序和数据。序和数据。n嵌入式系统的主存可位于嵌入式系统的主存可位于SoCSoC内和内和SoCSoC外，片内存储器存储容量外，片内存储器存储容量小、速度快，片外存储器容量大。小、速度快，片外存储器容量大。n可以做主存的存储器有：可以做主存的存储器有：nROMROM类：类：Nor FlashNor Flash、EP

28、ROMEPROM、E2PROME2PROM、PROMPROM等等nRAMRAM类：类：SRAMSRAM、DRAMDRAM、SDRAMSDRAM等等20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器-RAMnSRAMn静态存储器静态存储器nDRAMn动态存储器动态存储器nSDRAM（Synchronous RAM)nCPUCPU和和RAMRAM共享共享相同的时钟周期相同的时钟周期，以相同的速度同步工作，以相同的速度同步工作n基于双存储器结构，内含两个交错的存储阵列，读取效率得到基于双存储器结构，内含两个交错的存储阵列，读取效率得到成倍提高成倍提高, ,

29、是是DRAMDRAM中速度最快的一种中速度最快的一种20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器-外存n外存 n外存是外存是处理器不能直接访问处理器不能直接访问的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大。的存储器，用来存放用户的各种信息，容量大。n在嵌入式系统中常用的外存有：在嵌入式系统中常用的外存有：nNandFlashNandFlashnDOCDOC（Disk On ChipDisk On Chip）nCFCF（Compact FlashCompact Flash）nSDSD（Secure DigitalSecure Digital）nMMC

30、MMC（Multi Multi MediaCardMediaCard）等）等 n电子盘n采用采用半导体芯片半导体芯片来存贮数据，具有来存贮数据，具有体积小体积小、功耗低功耗低和和极强的抗震性极强的抗震性等特点。等特点。n在嵌入式系统中普遍采用各种电子盘作为外存。在嵌入式系统中普遍采用各种电子盘作为外存。n常用的电子盘有：常用的电子盘有：NandFlash、MMC、SD、MemeoryStick、CF、SM、DOC等。等。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式存储器-Flash MemorynNandFlash是Flash Memory的一种。F

31、lash Memory的中文称为快闪存储器或快速擦写存储器。nFlash Memory由Toshiba于1980年申请专利，并在1984年的国际半导体学术会议上首先发表。n目前在Flash Memory技术上主要发展两种非易失性内存n一种叫一种叫NORNOR（逻辑或），（逻辑或），是是Intel Intel 于于19881988年发明的年发明的n另一种叫另一种叫NANDNAND（逻辑与）（逻辑与）是是ToshibaToshiba于于19991999年创造的。年创造的。nNandFlash可独立成为外存，也可组成其他各种类型的电子盘如USB盘、CF、SD和MMC存储卡等。nNandFlash强调

32、降低每比特的成本，更高的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升级。nNandFlash具有容量大、回写速度快、芯片面积小等特点，主要用于外存。nNOR Flash具有随机存储速度快、电压低、功耗低、稳定性高等特点，主要用于主存。嵌入式存储器-Flash MemoryNORNAND写入写入/擦除一个块的擦除一个块的操作时间操作时间15s24ms读性能读性能12001500KB600800KB写性能写性能80KB200400KB接口接口/总线总线SRAM接口接口/独立的地址独立的地址数据总线数据总线8位地址位地址/数据数据/控制总线，控制总线，I/O接口复杂接口复杂读取模式读取模式随机读取随机读取

33、串行地存取数据串行地存取数据成本成本较高较高较低，单元尺寸约为较低，单元尺寸约为NOR的一半，生产过程简的一半，生产过程简单，同样大小的芯片可以做更大的容量单，同样大小的芯片可以做更大的容量容量及应用场合容量及应用场合164MB，主要用于存储，主要用于存储代码代码8MB4GB，主要用于存储数据，主要用于存储数据擦写次数擦写次数(耐用性耐用性)约约10万次万次约约100万次万次位交换位交换(bit位反转位反转)少少较多，关键性数据需要错误探测较多，关键性数据需要错误探测/错误更正错误更正(EDC/ECC)算法算法坏块处理坏块处理无，因为坏块故障率少无，因为坏块故障率少随机分布，无法修正随机分布，

34、无法修正3320142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发输入/输出接口和设备n嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设备已经集成在嵌入式微处理器中。n输入/输出接口主要有：n中断控制器中断控制器、DMADMA、串行串行和和并行接口并行接口等，等，n设备主要有定时器（设备主要有定时器（TimersTimers）、计数器（）、计数器（counterscounters）; ;n看门狗（看门狗（watchdog timerswatchdog timers）、）、RTCRTC、UARTsUARTs、PWMPWM（Pulse Pulse width modulator

35、width modulator）、）、AD/DAAD/DA、显示器、键盘和网络等。、显示器、键盘和网络等。 2014级级 研究生研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式系统体系结构与开发嵌入式微处理器概述p 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述p 嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类p 嵌入式微处理器主要产品嵌入式微处理器主要产品20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式系统中的处理器n嵌入式系统的核心部件 n品种总量已经超过品种总量已经超过10001000多种多种每个月都有新产品出现每个月都有新产品出现n流行体系结构有流行体系结构有三十三十几个系列几

36、个系列n80518051体系的占有多半体系的占有多半n32,6432,64位微处理器是目前嵌入式系统的核心位微处理器是目前嵌入式系统的核心n主要硬件厂商包括主要硬件厂商包括IntelIntel，MotorolaMotorola，PhilipPhilip，AMDAMD等等数字化 产品上上 游游嵌入式系统软件平台嵌入式系统软件平台下下 游游芯片、硬件 嵌入式 操作系统 嵌入式 应用组件 嵌入式 开发环境20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式计算机内核分类与综述 n嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

37、 n嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) n嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) n嵌入式片上系统(System On Chip) 20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式微处理器(EMPU)n通用通用计算机中的CPUn专门设计的电路板 n只保留和嵌入式应用有关的母板功能只保留和嵌入式应用有关的母板功能 n增强工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面n功能与和工业控制计算机相似n嵌入式处理器主要类型nAm186/88Am186/88n386EX386EXnS

38、C-400SC-400nPower PCPower PCn6800068000nMIPSMIPSnARMARM系列系列20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式微控制器(MCU)n又称单片机 n以某一种微处理器内核为核心n芯片内部集成nROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总线逻辑、定时、总线、总线逻辑、定时/ /计数器、计数器、WatchDogWatchDog、I/OI/O、串行、串行口、脉宽调制输出、口、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外

39、设等各种必要功能和外设n特点n单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高 n代表性的通用系列n80518051、P51XAP51XA、MCS-251MCS-251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、C166/167C166/167、MC68HC05/11/12/16MC68HC05/11/12/16、6830068300等。等。n半通用系列n支持支持USBUSB接口的接口的MCU 8XC930/931MCU 8XC930/931、C540C540、C541C541；支持；支持I2CI2C、CAN-BusC

40、AN-Bus、LCDLCD及及众多专用众多专用MCUMCU和兼容系列和兼容系列n占嵌入式系统约70的市场份额20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式DSP处理器(EDSP)nDSP应用n数字信号处理数字信号处理n限时完成限时完成nDSP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。n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。n代表性的产品nTexas InstrumentsTexas In

41、struments的的 TMS320TMS320系列系列nTMS320TMS320系列处理器包括用于控制的系列处理器包括用于控制的C2000C2000系列，移动通信的系列，移动通信的C5000C5000系列，以及性能系列，以及性能更高的更高的C6000C6000和和C8000C8000系列。系列。nMotorolaMotorola的的DSP56000DSP56000系列系列nDSP56000DSP56000目前已经发展成为目前已经发展成为DSP56000DSP56000，DSP56100DSP56100，DSP56200DSP56200和和DSP56300DSP56300等几个不等几个不同系列

42、的处理器同系列的处理器20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式片上系统(SOC)n在一个硅片上实现一个复杂的系统 n整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去n应用系统电路板将变得很简洁 nSOC可以分为通用和专用两类。n通用系列通用系列nInfineon(Siemens)Infineon(Siemens)的的TriCoreTriCore，MotorolaMotorola的的M-CoreM-Core，某些，某些ARMARM系列器件，系列器件，EchelonEchelon和和MotorolaMotorola联合研制的联合研制的NeuronNe

43、uron芯片等。芯片等。n专用专用SOCSOC一般专用于某个或某类系统中一般专用于某个或某类系统中n代表性的产品代表性的产品: :PhilipsPhilips的的Smart XASmart XA处理器位数4位8位163264单片机型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05 Z88096/9768200ARM RISC COREMIPS 32 COREMIPS 64 CORE一般用途型400440408085 6809Z80 6502 68028086 8028680186 Z800080386 80486 68000/10/20/30/40Pentium I

44、I/III/IV/ ? /Core2duo嵌入式处理器应用产品4位遥控器 相机 防盗器 玩具 简易计量表等8位电视游戏机 空调 传真机 电话录音16位手机 摄象机 录象机 各种多媒体应用32位MODEM 掌上电脑 路由器 数码相机 GPRS 网络家庭64位高级工作站 新型电脑游戏机 各种多媒体应用42对比嵌入式微处理器嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式片上系统硬件尺寸(包括外围)大小小最小功耗大小中中开发难度小大大大软件移植性好坏坏坏成本高最低低中性能强弱较强较强应用领域通用较通用低端专用较通用高端网络能力强弱较弱强实时性差好好一般从计算机角度看从计算机角度看单片机功能太简单单片机功能太简

45、单, 性能太差性能太差DSP太专用太专用, 可以看成一个外设可以看成一个外设通用处理器与通用处理器与SOC是主要发展方向是主要发展方向4320142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式CPU特点n处理速度快或者相当nI/O功能强n功率损耗低n实时响应快主流处理器迅速在嵌入式领域得到使用n CISCn EIA: Embedded IA, EIA: Embedded IA, 工业控制工业控制n Multicore: Multicore: ViiVViiV欢跃双核欢跃双核, ,用于数字电视用于数字电视n RISCn ARMARMn MIPSMIPSn PPC

46、PPCn PA-RISCPA-RISC等等n 嵌入式中的主流嵌入式中的主流n 数字信号处理器(DSP)n 乘法与加法运算乘法与加法运算n 离散傅立叶变换离散傅立叶变换(DFT)(DFT)n 离散余弦变换离散余弦变换(DCT)(DCT)n Finite Finite ImpluseImpluse ResponesResponesn FilterFilternRISC主流的理由n指令使用频度较均衡指令使用频度较均衡n控制逻辑规整，适于控制逻辑规整，适于VLSIVLSI工艺工艺n软硬功能分配合理软硬功能分配合理n利于指令级并行技术利于指令级并行技术n芯片代码公开芯片代码公开n可定制性强可定制性强n桌

47、面市场被桌面市场被CISCCISC积压积压, , 需要寻找出路需要寻找出路n性能强性能强nIA架构的挑战nEIAEIA通用性太强通用性太强n开放环境成熟度高开放环境成熟度高1niiiX Y45嵌入式处理器五大类体系结构nARMnMIPSnPOWER PCnX86nSH系列 462014级级 研究生研究生嵌入式系统体系结构与开发嵌入式系统体系结构与开发主流嵌入式处理器ARMp 体系结构体系结构p 架构架构 系列系列 变种变种 特点特点p ARM ARM 处理器模式处理器模式 指令集指令集 寄存器寄存器 存储器存储器20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发

48、关于ARMnARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。n1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。nARM 公司的Chip less模式n世界各大半导体生产商从世界各大半导体生产商从ARMARM公司购买其设计的公司购买其设计的ARMARM微处微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的路，从而形成自己的ARMARM微处理器芯片进入市场。微处理器芯片进入市场。20142014级级 研究生嵌入式系统体

49、系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM微处理器的特点n低功耗、低成本、高性能n采用采用RISCRISC指令集指令集n使用大量的寄存器使用大量的寄存器nARM/THUMBARM/THUMB指令支持指令支持n三三/ /五级流水线五级流水线n采用RISC体系结构n固定长度的指令格式，指令归整、简单、固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本基本寻址方式有寻址方式有2 23 3种；种；n使用单周期指令，便于流水线操作执行；使用单周期指令，便于流水线操作执行；n大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/ /存存储指令可以访问

50、存储器，以提高指令的执行效率。储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM微处理器的特点n大量使用寄存器n3131个通用寄存器，包括程序计数器（个通用寄存器，包括程序计数器（PC PC 指针），均为指针），均为3232位的寄存器；位的寄存器；n6 6个状态寄存器，用以标识个状态寄存器，用以标识CPUCPU的工作状态及程序的运行状态，均为的工作状态及程序的运行状态，均为3232位。位。n高效的指令系统nARMARM微处理器支持两种指令集：微处理器支持两种指令集：ARMARM指令集和指令集和ThumbThumb

51、指令集。指令集。nARMARM指令为指令为3232位的长度，位的长度，ThumbThumb指令为指令为1616位长度。位长度。ThumbThumb指令集为指令集为ARMARM指令集的功能子集，但与等价的指令集的功能子集，但与等价的ARMARM代码相比较，可节省代码相比较，可节省30304040以上的存储空间，同时具备以上的存储空间，同时具备3232位代码的所有优点。位代码的所有优点。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM微处理器的特点n其他技术n除此以外，除此以外，ARMARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保体系结构还采用了一些特别的技术，

52、在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗：n所有的指令都所有的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率。从而提高指令的执行效率。n可用可用加载加载/ /存储指令批量传输数据存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效，以提高数据的传输效率。率。n可在可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理。n在在循环处理中使用地址的自动增减循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率。来提高运行效率。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开

53、发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM微处理器系列nARM7系列nARM9系列nARM9E系列nARM10系列nSecurCore系列nIntel的Xscale n其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。SecurCore系列专门为安全要求较高的应用而设计。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM FamilyARM7 FamilyARM9 FamilyARM10 FamilyARM11 Family150DMIPS300 DMIPS500 DMIPS1000

54、 DMIPSARM Cortex FamilyARM720TARM1136J ARM1176JZARM1026EARM920T/ARM922T ARM926EJCortex AApplication ProcessorARM7TDMIARM1156T2ARM1026EARM946ECortex REmbedded RT ControllerARM7TDMIARM966E ARM968ECortex MMicro-controllerARM Architecture20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM7微处理器系列nARM7系列是为低功耗的32

55、位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。nARM7系列有如下特点：n具有嵌入式具有嵌入式ICEICERTRT逻辑逻辑，调试开发方便；，调试开发方便；n极低的功耗，适合便携式产品使用极低的功耗，适合便携式产品使用n代码密度高，并兼容代码密度高，并兼容1616位的位的ThumbThumb指令集指令集；n对操作系统的支持广泛，如对操作系统的支持广泛，如Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等；等；n指令系统与指令系统与ARM9ARM9系列、系列、ARM9EARM9E系列和系列和ARM10EARM10E系列兼容，便于用户的产品

56、升级系列兼容，便于用户的产品升级换代；换代；n主频最高可达主频最高可达130M130M，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM7微处理器系列n主要应用领域n工业控制、工业控制、InternetInternet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。体和嵌入式应用。nARM7系列几种类型的核nARM7TDMIARM7TDMI、ARM7TDMI-SARM7TDMI-S、ARM720TARM72

57、0T、ARM7EJARM7EJ。其中，。其中，ARM7TMDIARM7TMDI是目前使用最是目前使用最广泛的广泛的3232位嵌入式位嵌入式RISCRISC处理器，属低端处理器，属低端ARMARM处理器核。处理器核。nTDMITDMI的基本含义为：的基本含义为：nT T：支持：支持1616为压缩指令集为压缩指令集ThumbThumb；nD D：支持片上：支持片上DebugDebug；nM M：内嵌硬件乘法器（：内嵌硬件乘法器（MultiplierMultiplier）nI I：嵌入式：嵌入式ICEICE，支持片上断点和调试点；，支持片上断点和调试点；20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构

58、与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM9微处理器系列nARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的表现。具有以下特点n5 5级整数流水线级整数流水线，指令执行效率更高。，指令执行效率更高。n提供提供1.1MIPS/MHz1.1MIPS/MHz的的哈佛结构哈佛结构。n支持支持3232位位ARMARM指令集和指令集和1616位位ThumbThumb指令集。指令集。n支持支持3232位的高速位的高速AMBAAMBA总线接口总线接口。n全性能的全性能的MMUMMU，支持，支持Windows CEWindows CE、LinuxLinux、Palm OSPalm OS等多种主流嵌入式等多种

59、主流嵌入式操作系统。操作系统。nMPUMPU支持支持实时操作系统实时操作系统。n支持数据支持数据CacheCache和指令和指令CacheCache，具有更高的指令和数据处理能力。，具有更高的指令和数据处理能力。20142014级级 研究生嵌入式系统体系结构与开发研究生嵌入式系统体系结构与开发ARM9TDMI五级流水线InstructionFetch Shift + ALUMemoryAccessRegWriteRegReadRegDecodeFETCHDECODEEXECUTEMEMORYWRITEARM9TDMIARM or ThumbInst DecodeReg SelectRegRea

60、dShiftALURegWriteThumbARMdecompressARM decodeInstructionFetchFETCHDECODEEXECUTEARM7TDMIARM9微处理器系列nARM9系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。nARM9系列微处理器三种类型:nARM920TARM920TnARM922TARM922TnARM940TARM940TnARM9处理器特征 内核内核Cache大小大小紧密耦合紧密耦合存储器存储器存储管存储管理单元理单元AHB总线总线接口接口ThumbDSPJezelleARM920T16KB无