第二部分嵌入式硬件

1、嵌入式操作系统嵌入式操作系统Embedded Operating System2016年2月桑楠桑楠 信息与软件工程学院1第二部分第二部分信息与软件工程学院2嵌入式硬件学什么？学什么？信息与软件工程学院3嵌入式开发板与PC板有哪些差别?如何在评估板上调试软件？ 如何将评估板变成MP4?如何设计一个QUADX的硬件系统?核心内容核心内容 嵌入式硬件基础 嵌入式处理器 ADI (Analog Devices Inc) 的Black-fin BF-561 嵌入式硬件设计信息与软件工程学院4嵌入式硬件基础嵌入式硬件基础信息与软件工程学院5嵌入式硬件的基本构成嵌入式硬件的基本构成信息与软件工程学院6嵌入

2、式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式处理器嵌入式处理器信息与软件工程学院7n嵌入式处理器结构冯诺依曼结构：将指令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。哈佛结构：程序和数据存储在不同的存储空间中，每个存储器独立编制、独立访问AddrDataMemoryMOV r8,#8CPUPCInstFig.1 Von Neumann (Princeton) InstCPUPCAddr Data MemoryInstruction MemoryAddrDataFig.2 Harvard嵌入式处理器（嵌入式处理器

3、（2）信息与软件工程学院8n指令集：RISC（Reduced Instruction Set Computer）、CISC（Complex Instruction Set Computer） 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

4、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（high 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CISC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LOAD和和STORE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

5、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嵌入式处理器（嵌入式处理器（3）信息与软件工程学院9n特点高集成度：SOC（System On Chip）；集成32位CPU和电源、电路板面积减小50%。体 系 结 构 ： 支 持 浮 点 运 算 、 流 水 线 、 多 功 能 单 元（2*ALU+2*MAC+4*ALU(Video).）、多核架构多核架构、.指令集：乘加(MAC)、SIMD(单指令多数据)类操作、零开销的循环指令、多媒体加速指令、.性能：VLIW、多核、GPU、.功耗：降低多维功耗（待机、模拟、外设、数据写入、运行处理）工作环境：高低温、EMI (

6、电磁干扰)、EMC (电磁兼容性)专用化：工业的安全和稳定需求；传感器网络；汽车；.嵌入式处理器（嵌入式处理器（4）信息与软件工程学院10n分类按位数：4位、8位、16位、32位和64位。MPU：单板机 整个计算机系统集中在一个板上；386EX、PC104、.MCU：单片机 整个计算机系统集中在一个芯片中；MSC51、PPC5xx、.DSP：数字信号处理器 大运算量、高速实时信号处理；TMS320系列、达芬奇系列、系列、达芬奇系列、ADI的的Blackfin系列系列、.SOC：片上系统 有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容；海思海思Hi3751、.嵌入式处理器（嵌入式处

7、理器（5）信息与软件工程学院11n流行的嵌入式处理器ARM：Advanced RISC Machine。MIPS：Microprocessor without Interlocked Piped StagesADI：Analog Devices, Inc.(亚德诺半导体)。Blackfin系列：TI：德州仪器；全球第三；达芬奇系列达芬奇系列Atmel：现属Microchip Technology；非易失性存储器、SOC、RF、.Infineon：英飞凌，西门子的半导体公司。全球第五freescale：飞思卡尔；2015-2与 NXP（恩智浦）合并ST：意法半导体；全球第四华为海思：海思半导体；

8、无线/固定网络、数字媒体等领域的芯片及解决方案总线（总线（Bus）信息与软件工程学院12n总线：CPU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、地址和控制信息的公共通道位置位置：片内总线或内部总线、片外总线功能功能：数据总线Dbus、地址总线Abus、控制总线CbusnARM AMBA：Advanced Microcontroller Bus ArchitectureAHB：用于高性能系统模块的连接ASB：也用于高性能系统模块的连接，可由AHB代替APB：用于较低性能外设的简单连接总线（总线（Bus，2）信息与软件工程学院13n示例示例：基于AMBA总线的典型系统框架外部总线外部总

9、线APB系统总线系统总线AHB测试测试接口接口ARMCPUSDRAMControlSRAMLCDControl桥桥并行并行接口接口串行串行接口接口TimerUART总线（总线（Bus，3）信息与软件工程学院14nPCI 总线：地址、数据多路复用的高性能32位和64位总线微处理器与外围控制部件、外围附加板之间的互连机构规定了互连的协议、电气、机械及配置空间规范，以保证全系统的自动配置电气方面专门定义了5V和3.3V信号、环境定义了64位总线扩展和66MHz总线时钟的技术规范.总线（总线（Bus，4）信息与软件工程学院15nPCI-E 总线：PCI-Express，一种通用的总线规格，Intel，

10、取代现有电脑系统内部的总线传输接口线I/O层次的根部，将CPU/存储器子系统与I/O相连；支持一个或多个PCI Express 端口 定义为多个虚拟 PCI 之间的桥路器件的逻辑组 能作为 PCI Express 执行的请求者或完成者的那一类器件 总线（总线（Bus，5）信息与软件工程学院16nCPCI 总线：紧凑型PCI，以PCI电气规范为标准的高性能工业用总线，广泛应用在通讯、网络、实时系统控制、产业自动化、实时数据采集、军事系统等。基于基于CPCI总线的测井数据采集板卡总线的测井数据采集板卡总线（总线（Bus，6）信息与软件工程学院17n双机通信在CPCI上的实现存储（存储（Memory

11、）信息与软件工程学院18n高速缓存Cache：嵌入式系统中，Cache全部都集成在嵌入式微处理器内数据Cache、指令Cache或混合Cachen主存：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Nor Flash、EPROM、PROM；SRAM、DRAM、SDRAMn外存：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NandFlash、DOC、CF、SD、MS（记忆棒）、.存储（存储（Memory, 2）信息与软件工程学院19nNorFlash与NandFlash（示意） NORNAND写入写入/擦除一个块的操擦除一个块的操作时间作时间15s24ms读性能读性能12

12、001500KB600800KB写性能写性能80KB200400KB接口接口/总线总线SRAM接口接口/独立的独立的地址数据总线地址数据总线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的一的一半，生产过程简单，同样大小半，生产过程简单，同样大小的芯片可以做更大的容量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，主要用于存储代码于存储代码8MB1GB，主要用于，主要用于存储数据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

13、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较多，关键性数据需要错误探测探测/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，无法修正ADI Black-fin BF-561信息与软件工程学院20简介简介信息与软件工程学院21nADI公司：Analog Devices, Inc. 亚德诺半导体技术有限公司业界认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商遍布世界各地的60,000客户涵盖了全部类型的电子设备制造商总部位于美国马萨诸塞州诺伍德市，被纳入标准普尔500指数产品用于模拟信号

14、和数字信号处理领域唯一获评全球最具创新力企业100强的模拟半导体公司简介（简介（2）信息与软件工程学院22nADI的DSP：低端领域：ADSP Sharc 211xx（现已淘汰，改Blackfin）高端领域：ADSP TigerSharc 101、201、.（太贵）消费电子领域消费电子领域：ADSP Blackfin 系列n处理器特点：浮点运算强、SIMD编程Linkport数据传输能力强，但是使用不够稳定，调试难度大Blackfin系列比同一级别TI产品功耗低，但不如TI的C语言编译优化好ADSP Blackfin ADSP Blackfin 系列系列信息与软件工程学院23nBlackfin

15、：16/32位嵌入式处理器提供软件灵活性和扩展能力应用：多格式音频、视频、语音和图像处理、多模式基带和分组处理、控制处理以及实时安全nBFxxx：50多种处理器多种处理器：ADSP-BFADSP-BF707多种双核处理器多种双核处理器：BF561、BF6xx、. 处理速度处理速度：4002400MMACS（亿次乘加运算）功耗功耗：不到100mW，800 MMACS的处理性能ADSP BADSP BF561信息与软件工程学院24nBlackfin对称多处理器：面向消费类多媒体两个高性能两个高性能Blackfin处理器内核处理器内核：每个性能均高达600 MHz/1200 MMAC（共2400 M

16、MAC）灵活的高速缓存架构增强的DMA子系统328 KB大容量片上存储器：每个内核具有独立的32/64KB的L1指令存储器、每个内核具有4KB的L1暂存器、以及一个128 KB的低延迟共享L2存储器动态电源管理（DPM）可提供两倍的信号处理性能、两倍的片上处理器以及显著提高的数据带宽能力提供各种音/视频转换器及通用ADC/DAC的无缝连接ADSP BADSP BF561（2）信息与软件工程学院25nBlackfin对称多处理器：技术指标Clock Speed MHz (Max)：600MHzMMACS (Max)：2400External Memory Bus：32bitPPI（并行外设总线）

17、：YesUSB Device：NoCore Voltage (V)：0.8-1.35Core Voltage Regulation：YesPackage：297-PBGA，CSP_BGAADSP BADSP BF561（3）信息与软件工程学院26n功能框图ADSP BADSP BF561（4）信息与软件工程学院27nBF561 CoreADSP BADSP BF561（5）信息与软件工程学院28n视频ALU：更快速运行视频处理算法四个8位 video ALU每个8位ALU 指令在一个周期内完成这些指令可以在四个8位对上操作n评估：四个SAD指令（差分绝对值和）可以在一个周期内完成ADSP BA

18、DSP BF561（6）信息与软件工程学院29n可调用系统服务库或uClinux的接口API完成编程控制可编程控制的电压可编程控制的时钟ADSP BADSP BF561（7）信息与软件工程学院30n示例：电压和频率的改变嵌入式硬件设计嵌入式硬件设计信息与软件工程学院31基本过程基本过程信息与软件工程学院32n确定需求n选择评估板：完成原理开发n设计目标板利用Protel等工具进行设计可靠性验证 ：EMC、EMI、BIT(Build In Test)、.n制作目标板购买元器件、焊接、.调试目标板n工程化：面向应用评估板评估板信息与软件工程学院33BF561评估板设计目标板设计目标板信息与软件工程学院34Protel99se的原理图设计目标板目标板信息与软件工程学院35目标板调试目标板调试信息与软件工程