嵌入式硬件系统概论课件

1、嵌入式硬件系统概论2嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式。通过优异的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到及至。如人的手、脚、头脑及感觉神经等部位，掌控了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和扩展功能等。31 嵌入式微处理器的发展初期的划分：一般用途型（仅包含单纯的CPU）单片机控制器型（将CPU、ROM、RAM、I/O做在一芯片上）4以处理器的位数来划分4位8位16位32位64位单片机型TMS1000COPS8048/49/508051/526801/04/05 Z88096/9768200ARM RISC COREMIPS 32 COREMIPS 64 CO

2、RE一般用途型400440408085 6809Z80 6502 68028086 8028680186 Z800080386 80486 68000/10/20/30/40Pentium II/III5不同等级的处理器应用：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61.1 四位及八位嵌入式系统微处理器71.2 16位以上嵌入式系统微处理器81.3 协处理器（Co-processo

3、r）Intel推出的协处理器及其搭配的X86架构微处理器名协处理器名Intel 8080Intel 8087Intel 80286Intel 80287Intel 80386SXIntel 80387Intel 80486SXIntel 8048791.4 RISC和CISC 计算机自40年代中叶问世以来，其体系结构的发展经历了：简单复杂极其复杂简单复杂极其复杂10CISC计算机复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现。1

4、1CISC的特点 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少；寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器；采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列；CPI ，指令越复杂，CPI越大。12CISC的主要缺点指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执

5、行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用13RISC基本设计思想减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cycle精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制14RISC精华:减少指令平均执行周期数CPUtime= IC *CPI *CCICRISC IC CISC, 30%-40%CCRISC CCCISC，CPIRISC CPICISC 差距在缩小超标量、超流水线、VLIW等系统结构， 目标在于减小CP

6、I， 可使CPI115RISC的提出与发展Load/Store结构提出： CDC6600(1963)-CRAY1(1976)RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC: MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)16高性能RISC处理器典型SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RIS

7、C,IBM, Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 171.5 数字信号处理器(DSP) 乘法与加法运算离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换(DCT)Finite Impluse ResponesFilter182 嵌入式片上系统( SoC )SoC - System on ChipCPU + DSP + USB + TCP/IP + GPRS + GSM + IEEE1394 + BLUETOOCH + SOC的优点:改变内部工作电压，减少功耗减少芯片对外管脚数，简化制造过程减

8、少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰192.1 SOC的设计开发203 整和型嵌入式处理器3.1 ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族21223.2 Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 111123243.3 德州仪器TMS320 DSP处理器TMS320C5X DSP家族TMS320C6X DSP家族253.4 Philips公司的Trimedia263.5

9、德州仪器OMAP处理器273.6 INTEL的Xscale架构处理器28Thin ClientsNetwork DevicesOffice AutomationKiosk/ATMGame PlatformsIndustrialAutomationEmbedded DevicesRetail POSSet-Top-BoxGateway/Media StoreIntel ArchitectureIntel XScale293.7 MIPS RISC30313.8 Motorola的DragonBall VZ 324 总线总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率334.1 ISAIBM

10、 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。344.2 PCI1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：

11、Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG354.3 I2CPHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串行总线I2C(inter IC 总线)364.4 PC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应374.5 CAN“Controller Area Network”即控制器局域网被设计作为汽车环

12、境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。38CPCIATCAPCI EXPRESS395 高速输入与输出接口5.1 IrDA/FastIrDA红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路40距离小于一尺低速9.6115K bps高速14M bps更高速16M bps415.2 USBIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合12M bps距离5 米树拓扑结构，127个点低速 1.5 M bpsUSB 2.0 速率高达480Mb

13、ps425.3 Ethernet/Fast Ethernet802.3 / 802.3n10M Ethernet100M Ethernet采用什么协议? CSMA/CD435.4 IEEE139420400M bps起源于APPLE的FireWire支持63个器件长度几米44使用1394的数字机顶盒架构图455.5 蓝牙模块 （bluetooth)无线传输收发单元基频处理单元数据传输接口通信频率在1.2GHZ以内。4647蓝牙和红外线的比较：486 输入输出装置6.1 触控面板电容式音波式红外线式近场感应式电阻式XGT式防水、防火、防刮、抗菌49电阻式触控面板结构506.2 LCD显示器Liquid Crystal Display液晶介于固态和液态用于显示GUI（图象用户界面）环境下的文字和图象数据适用于低压、微功耗电路。51段式液晶常见段式液晶的每字为8 段组成，即8 字和一点，只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异图形点阵式液晶又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT 等几类52彩色LCD 分：主动式LCD(有源, active)高端产品使用,如TFT被动式LCD(无源,passive)中低端产品，如ST