嵌入式系统原理与设计 课件 第二讲 硬件基础

1单片机与嵌入式系统第二讲本次课主要内容第二章嵌入式系统硬件基础2嵌入式系统硬件组成初步认识！嵌入式系统硬件基础1本次课的目标2嵌入式系统硬件基本概念3嵌入式系统硬件基本组成4嵌入式处理器5小结6下次课准备31.本次课的目标了解嵌入式系统硬件基本概念，掌握基本硬件组成：中央处理器、存储器、输入输出设备和总线，为后续单片机接口和应用的学习打下基础。4嵌入式系统硬件基础1本次课的目标2嵌入式系统硬件基本概念3嵌入式系统硬件基本组成4嵌入式处理器5小结6下次课准备562.1精简指令集RISC和复杂指令集CISC2.2冯·诺依曼和哈佛体系结构2.3流水线技术2.嵌入式系统硬件基本概念2.1精简指令集RISC和复杂指令集CISC嵌入式微处理器分为：CISC

（ComplexInstructionSetComputer）架构

：大多数PC机均使用CISC微处理器，如Intel的X86；RISC（ReducedInstructionSetComputer）架构SiliconGraphics的MIPS(MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages)技术ARM公司的AdvancedRISCMachines技术Hitachi公司的SuperH技术7RISC和CISC是目前设计制作微处理器的两种典型技术，它们都试图在体系结构、指令集、软硬件、编译时间和运行时间等诸多因素中做出平衡，以求达到高效的目的，只是采用的方法不同。8CISC架构1960年前后的主流架构新的指令不断引入，计算机体系结构变得复杂20%的指令经常使用，占80%程序代码量；80%的指令较少使用，占20%程序代码量——不合理9RISC架构1979年加州大学伯克利分校提出目的是使计算机体系结构更合理，提高运算速度选取使用频繁的简单指令，固定指令长度，减少指令类型和寻址方式，以逻辑控制为主。10RISC和CISC的差异（1）指令系统RISC设计者把主要精力放在经常使用的指令上，使其具有简单高效的特点。对于不常用的功能，通常通过指令组合来实现。CISC指令系统丰富，有专用指令完成特定功能，处理特殊任务效率较高。11（2）存储器操作RISC对存储器操作指令少，控制简单化。CISC存储器操作指令多，操作直接。（3）程序RISC汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计。CISC汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序设计相对容易，效率较高。12（4）中断RISC在一条指令执行的适当地方可以响应中断;CISC在一条指令执行结束后响应中断。（5)CPURISC包含较少的单元电路，面积小，功耗低;CISC：包含丰富的电路单元，功能强、面积大、功耗大。13（6）设计周期RISC结构简单，布局紧凑，设计周期短，易于采用最新技术;CISC结构复杂，设计周期长。（7）易用性RISC结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用;CISC结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。14（8）应用范围RISC指令系统与特定的应用领域有关，更适于嵌入式系统应用；CISC更适合于通用计算机。1516类别CISCRISC指令系统处理特殊任务效率高规整性差处理特殊任务效率低指令规律齐全存储器操作操作指令多，操作直接操作有限，控制简单程序程序设计相对容易程序设计相对复杂，依靠编译器中断指令执行完响应指令执行过程中响应CPU功能强、面积大、功耗高面积小、功耗低设计周期结构复杂，设计周期长布局紧凑，设计周期短用户使用功能强大，专业使用指令规整，易学易用应用范围适合通用机适合专用机RISC架构的特点:采用固定长度的指令格式使用单周期指令，便于流水线操作执行使用很少的指令类型和寻址模式，基本寻址方式只有2、3种大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，以提高指令的执行效率。17尽管RISC架构有很多优点，但是决不能认为RISC架构就能够替代CISC架构，两者是各有优势，而且界限并不明显。一些现代CPU外围采用CISC的外围，内部加入RISC的特性，如超长指令集CPU融合了RISC和CISC的优势，成为未来CPU发展方向之一。182.2冯·诺依曼和哈佛体系结构1945年，冯.诺伊曼首先提出了“存储程序”的概念和二进制原理，后来，人们把利用这种概念和原理设计的电子计算机系统统称为“冯.诺伊曼型结构”计算机。冯.诺伊曼结构的处理器使用一个存储器，经由同一个总线传输。1920冯.诺伊曼结构处理器具有以下几个特点：必须有一个存储器；必须有一个控制器；必须有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；必须有输入和输出设备，用于进行人机通信。21

冯.诺伊曼结构处理在典型情况下，完成一条指令需要3个步骤，即：取指令、指令译码和执行指令。2223指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2特点：数据程序共享存储器与冯.诺伊曼结构处理器比较，哈佛结构处理器有两个明显的特点：使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据；使用独立的两条总线，分别作为CPU与每个存储器之间的专用通信路径，而这两条总线之间相互独立。242526指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据特点：数据存储器和程序存储器相互独立哈佛体系体系结构

如果采用哈佛结构处理以上同样的3条存取数指令，由于取指令和存取数据分别经由不同的存储空间和不同的总线，使得各条指令可以重叠执行，这样，也就克服了数据流传输的瓶颈，提高了运算速度。272829

哈佛结构和冯.诺依曼结构主要是指存储器结构，与指令系统没有严格的对应关系。ARM7系列是冯诺依曼结构，指令系统是RISC。ARM9系列是哈佛结构，指令系统是RISC。TI的DSP系列是哈佛结构，指令系统是CISC。MCS-51是哈佛结构，指令系统是CISC。PIC单片机是哈佛结构，指令系统是RISC。30预先取若干条指令每条指令分解为多步，并让各步操作重叠（分成几步称为几级流水）当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间加Add减Sub

比较cmp5+3-7>0?2.3流水线技术31流水线技术特点：各个分解步骤的执行时间固定几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动本质：指令并行处理的技术32ARM7处理器核采用了3级流水线结构，指令执行分为取指、译码和执行等3个阶段ARM9内核采用了五级流水线，指令分5个阶段执行：取址→译码→执行→存储→写。ARM10处理器核采用六级流水线。ARM11系列采用8级流水线操作，个别处理器采用9级流水线。嵌入式系统硬件基础1本次课的目标2嵌入式系统硬件基本概念3嵌入式系统硬件基本组成4嵌入式处理器5小结6下次课准备33343.嵌入式系统硬件基本组成嵌入式系统硬件组成353.1嵌入式处理器3.2存储器3.3输入设备3.4输出设备3.5总线3.1嵌入式处理器嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。种类极多，目前已超过1000种。36主要类型：、嵌入式微控制器MCU（MicrocontrollerUnit）嵌入式DSP处理器EDSP(EmbeddedDigitalSignalProcessor)嵌入式微处理器MPU(EmbeddedMicroprocessorUnit)嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip)373.2嵌入式存储器嵌入式系统各部分中的存储器Register：具有寄存功能Cache：高速缓冲存储器MainMemory：ROM、DRAM、SRAMDisk、TapeU盘(FlashMemory)其他具有数据存储功能的器件和设备38对存储器的三个要求：“容量大、价格低、速度快”实现“容量大、价格低”的要求，需采用提供大容量的存储技术;满足“速度快”的要求，需采用昂贵且容量小的快速存储技术;对存储器的三个要求是相互矛盾的!3940

解决矛盾的唯一方法就是采用多种存储技术构成具有层次结构的存储系统。

41高速暂存存储器(Scratch-padStorage)亦称便笺式存储器，由寄存器构成用来暂存即刻要执行的指令、马上要用的数据或得到的处理结果，属于CPU的组成部分高速缓冲存储器(Cache)存放当前正在执行程序的部分程序段或数据，位于主存和CPU之间速度ns级别、容量KBMB级别主存储器存放当前处于活动状态的程序和有关数据速度ns级别、容量MBGB级别辅助存储器不能由CPU的指令直接访问，必须通过专门的程序或专门的通道把所需的信息与主存进行成批交换，调入主存后才能使用联机：速度ms级别、容量GBTB级别脱机：速度s级别、容量为海量42高速暂存存储器的存储容量一般不超过2KB，寄存器的位数与机器字长相同，它属于CPU的组成部分。高速缓冲存储器的存储容量一般在几十KB到几MB之间。主存储器的存储容量比Cache大得多，一般在几百MB到几GB之间。YH-1巨型机主存为32MB，YH-2巨型机主存为256MB。433.3嵌入式输入设备

计算机输入信息的设备，负责将输入的信息（包括数据和指令）转换成计算机能识别的二进制代码，送入存储器保存。

在嵌入式系统中，输入设备主要包括小型键盘、触摸屏等。441、小型键盘

小型键盘为嵌入式系统的一种常用输入设备，分为全编码键盘和非编码键盘两种，非编码键盘在单片机应用系统中使用较多。454647首先判别键盘中有无键按下：由Ｉ／Ｏ口向键盘送(输出)全扫描字，然后读入(输入)列线状态来判断。判断键盘中哪一个键被按下：通过将行线逐行置低电平后，检查列输入状态实现的。482、触摸屏

在液晶屏上叠加一片触摸屏，用触控笔或手指头直接点选按键或输入文字。特点：轻薄短小，便于携带，使用方便。类别：电容式、表面声波式、电阻式和XGT式。其中，电容式为最早出现的触摸屏；电阻式的市场份额最大。493.4嵌入式输出设备

输出设备是指输出计算机处理结果的设备。在大多数情况下，需要将这些结果转换成便于人们识别的形式。

在嵌入式系统中，输出设备主要包括LED、LCD等。

501、LED LED（LightEmittingDiode）主要作为电源指示灯、电平指示、工作状态显示或微光源之用，主要分为发光二极管（基本单元）、数码管、符号管、米字管、点阵显示屏等。51522、LCD液晶显示器简称LCD（LiquidCrystalDiodes）是利用液晶经过处理后能够改变光线传输方向的特性，达到显示字符或者图形的目的。其特点是体积小、重量轻、功耗极低、显示内容丰富等特点，在单嵌入式应用系统中有着日益广泛的应用。53

液晶屏主要由背光板、液晶阵列、彩色滤光膜、两块偏光板等组成。5455563.5嵌入式总线

微处理器通过一组线路，配置以适当的接口电路，与各部件和外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。

总线一般有内部总线、系统总线和外部总线。571、内部总线

内部总线，微机内部各外围芯片与处理器之间的总线，用于芯片一级的互连，如IIC总线、SCI总线、SPI总线等。582、系统总线

系统总线，微机中各插件板与系统板之间的总线，用于插件板一级的互连。平常所说的微机总线就是指系统总线，如ISA总线、EISA总线、PCI总线、PCI-E总线、PXIe总线等。593、外部总线

外部总线，微机和外部设备之间的总线，通过该总线和其他设备进行信息与数据交换，它用于设备一级的互连。如RS-232-C总线、RS-422A总线、RS-485总线、USB总线、IEEE1394总线等。60嵌入式系统硬件基础1本次课的目标2嵌入式系统硬件基本概念3嵌入式系统硬件基本组成4嵌入式处理器5小结6下次课准备614嵌入式处理器4.1嵌入式处理器概述4.2嵌入式处理器分类4.3嵌入式处理器的主要技术指标4.4如何选择嵌入式处理器4.5嵌入式处理器的发展624.1嵌入式处理器概述

嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心，在嵌入式处理器上运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。63嵌入式处理器具有多种形式，但都具有：处理器内核；地址总线、数据总线、控制总线；辅助电路，如时钟、复位电路；片上I/O接口电路。644.2嵌入式处理器分类4.2.1嵌入式微控制器MCU4.2.2嵌入式DSP处理器EDSP4.2.3嵌入式微处理器MPU4.2.4嵌入式片上系统SOC654.2.1嵌入式微控制器MCU嵌入式微控制器将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。一般以微处理器内核为核心，集成ROM/EPROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、串口、A/D、D/A等各种必要的功能和外设。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。单片机是嵌入式微控制器的典型代表。66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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流，占嵌入式系统约70％的市场份额。67目前MCU的品种和数量很多，有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、MC68300等。另外，还有许多半通用系列，如支持USB接口、I2C、CAN总线的专用和兼容系列等。典型器件包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541等。6869复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核704.2.2嵌入式DSP处理器EDSP

嵌入式DSP（DigitalSignalProcessor，DSP）处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构采用Harvard结构和专用的硬件乘法器，指令为快速DSP指令（属于RISC精简指令集），使其适合于对处理器运算速度要求较高的应用领域。71DSP是当今发展最为迅速的和最有发展前景的技术之一。目前，DSP已经成为通信、计算机、网络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。DSP的应用领域包括语音处理，图像压缩，视频处理，调制解调，控制算法，通信处理等。72DSP发展70年代理论先行:70年代出现DSP的理论算法；80年代产品普及:1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。73到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。74DSP的特点(1)采用哈佛(HARVARD)结构，高度并行运算大大提高运算速度；(2)芯片内配置了一个或多个硬件乘法器和累加器，能实现单指令乘加运算和变址运算；(3)芯片内专门设置了功能很强的专用指令，可以实现指令的重叠运行；(4)芯片内设置了多种功能很强的外围器件和接口；(5)DSP增加了硬件循环控制，当完成循环初始化后。实际运行中循环不再消耗指令周期。大大提高了数字信号处理的运算速度。（零开销循环）75DSP的分类定点DSP：完成定点数的算术操作；通常16位的DSP用于定点操作；特点为精度低、耗电低、成本低，适合于低端应用；浮点DSP：处理浮点数，32位的DSP通常用于浮点运算。特点为性能高、价格高，通常用于高端应用的场合，包括视频处理、图像识别。76DSP典型产品

嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列和ADI公司的ADSP系列。TMS320系列处理器包括用于控制的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。7778TMS320DSP微处理器系列产品推出时间图79TMS320C5x的方块图(德州仪器公司提供)80DSP技术展望系统级集成DSP是潮流缩小DSP芯片尺寸始终是DSP的技术发展方向。当前的DSP多数基于RISC（精简指令集计算）结构，这种结构的优点是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP厂商纷纷采用新工艺，改进DSP芯核，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元、存储单元统统集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路。81追求更高的运算速度目前一般DSP运算速度为100MIPS，即每秒钟可运算1亿条指令。DSP运算速度的提高，主要依靠新工艺改进芯片结构。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（VeryLongInstructionWord超长指令字）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS。82定点DSP是主流

从理论上讲，虽然浮点DSP的动态范围比定点DSP大，且更适合于DSP的应用场合，但定点运算的DSP器件的成本较低，对存储器的要求也较低，而且耗电较省。因此，定点运算的可编程DSP器件仍是市场上的主流产品。据统计，目前销售的DSP器件中的80%以上属于16位定点可编程DSP器件，预计今后的比重将逐渐增大。834.2.3嵌入式微处理器（MPU）嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。具有较高的性能，其价格也相应较高。嵌入式微处理器在功能上和标准微处理器基本是一样的，但一般在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面做了各种增强。84和工业控制计算机相比，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。嵌入式微处理器及其存储器、总线和外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。8586CPUROMRAM外设1外设2单板计算机目前主要的嵌入式处理器类型有PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等。874.2.4嵌入式片上系统SOC随着超大规模集成电路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经来临，这就是SOC。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为超大规模集成电路设计中一种标准的器件，通过VHDL等语言描述，仿真通过后就可以交给半导体工厂制作芯片样品。8889专用集成电路芯片——FPGA存储器—FLASH嵌入式处理器采样等模拟芯片通信芯片传感器芯片电路板90专用集成电路核存储区嵌入式处理器核采样等模拟功能蓝牙等通信模块传感器芯片管脚整个系统大部分均集成到一块或几块芯片中，应用系统电路板将变得很简洁，对于减少体积、功耗、提高可靠性非常有利。SOC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合。SOC芯片在声音、图像、影视、网络等应用领域中发挥重要作用。91SoC嵌入式系统微处理器特点和优势：利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统干扰。92934.3嵌入式处理器的主要技术指标字长字长是处理器内部一次可以处理的二进制数码的位数。一般处理器的字长决定于它的通用寄存器、内存储器、ALU的位数和数据总线的宽度。字长越长，一个字所能表示的数据精度就越高；在完成同样精度的运算时，则数据的处理速度越高。处理速度计算机运算速度一般用每秒钟所能执行的指令条数来表示。MIPS:MillionInstructionsPerSecond)寻址能力寻址能力取决于处理器地址线的数目，它是衡量处理器存储信息能力的主要指标。94功耗在嵌入式系统中，一般需要注意系统的功耗，嵌入式处理器的功耗对系统的总功耗有较大影响。功能嵌入式处理器的功能取决于处理器集成的存储器的数量和外部设备接口的种类。处理器的功能往往决定了嵌入式系统的功能。95平均无故障间隔时间嵌入式系统经常需要连续工作，平均无故障时间表明嵌入式系统长期工作的可靠性。MTBF(MeanTimeBetweenFailures)工作温度范围嵌入式处理器的工作温度范围决定了它能应用的环境。一般分为民用级，工业级，军用级，航天级。964.4如何选择嵌入式处理器4.4.1选择嵌入式处理器的总原则4.4.2选择嵌入式处理器的具体方法4.4.3选择嵌入式处理器小结974.4.1选择嵌入式处理器的总原则简单控制—8位微控制器需要使用嵌入式操作系统－16位以上处理器涉及到复杂数学运算、信号处理－选择DSP涉及到图形处理－高性能的处理器984.4.2选择嵌入式处理器的具体方法够用原则成本原则技术支持参考设计技术积累购买渠道供货能力行业用途和使用情况99考虑技术指标参数体系结构处理速度-MIPS（MillionInstructionsPerSecond）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功耗特性mW/MHz电源管理功能价格-批量价格100参数比较选择表101特性ARMPowerPCColdfire…字