第2章嵌入式系统基本知识(1)(2课时)

1、第二章 嵌入式系统基本知识（微处理器）,单片机原理与技术,王浩 副教授,本节内容,嵌入式系统的定义和特点 嵌入式微处理器相关的基本概念 嵌入式微处理器的分类及其特点,嵌入式系统的定义,以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 三大要素： 嵌入性、专用性、计算机系统,嵌入式系统的特点：三大要素,以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 “嵌入性” 物理环境（体积） 电气环境（可靠性、功耗） 成本（价廉）,嵌入式系统的特点：三大要素,以应用

2、为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 “专用性” 非通用* 应用为中心 适应应用系统要求 软硬件裁剪,嵌入式系统的特点：三大要素,以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 “计算机系统” 必须实现计算机功能 具备计算机的基本组成,嵌入式系统的定义,以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 三大要素： 嵌入性、专用性、计算机系统 两大特征： 实时性、专用的开发环

3、境,“高实时性” 如果系统的响应能力能够满足对象所规定的响应时间要求，那么这个系统便是实时的系统。,嵌入式系统的特点：两大特征,概念区分：实时性 和 及时性 不同应用系统，不同的实时要求,“高实时性” 如果系统的响应能力能够满足对象所规定的响应时间要求，那么这个系统便是实时的系统。,嵌入式系统的特点：两大特征,概念区分：实时性 和 及时性 不同应用系统，不同的实时性要求,“嵌入式系统需要专用开发工具和环境” 由于其本身不具备自主开发能力，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 专用的开发工具：调试需要各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。 专用的开发环境：交叉编译或称之为“宿主机/目标机”方式。,

4、嵌入式系统的特点：两大特征,“宿主机/目标机”方式,嵌入式系统采用“宿主机/目标机”方式交叉编译。,USB/RS232/以太网,宿主机：通用计算机（PC），开发环境。 目标机：嵌入式系统，运行环境。,通用计算机程序开发和编译在一台计算机上完成直接编译。,内存小 存储空间有限 计算能力有限,嵌入式系统的特点,“宿主机/目标机”的交叉编译方式是嵌入式系统开发的唯一选择。 也是它的典型特征。,本节内容,嵌入式系统的定义和特点 嵌入式微处理器相关的基本概念 嵌入式微处理器的分类及其特点,2.1 精简指令集RISC和复杂指令集CISC 2.2 冯诺依曼和哈佛体系结构 2.3 流水线技术 2.4 超标量技

5、术,二、硬件基本概念,1、CISC：复杂指令集计算机 Complex Instruction Set Computer 具有大量的指令和寻址方式。 指令长度可变。 多数程序只需少量指令，程序员的编程工作相对容易，代码短。,2.1 RISC和CISC,指令集：类似队列条令 早期计算机自由发展，厂家各自体系 为求兼容，复杂指令,举例/列概念,2、RISC：精简指令集计算机 Reduced Instruction Set Computer，IBM 1975 只包含最有用的指令，20%。 指令长度固定，4字节。 复杂指令由简单指令组合而成，代码长。 CPU硬件结构设计变得更为简单。 采用Load/St

6、ore结构，寻址方式简单，大量基于寄存器操作。,2.1 RISC和CISC,希望提高效率 60年代，发现20/80现象 精简指令、规范结构 指令少，组合：向后转 = 两个向右转,举例,2.1 RISC和CISC,C语言： a*=b,CISC指令： MUL ADDRA，ADDRB,RISC指令： MOV A， ADDRA； MOV B，ADDRB； MUL A， B； STR ADDRA， A,注释： a在内存ADDRA中，b在内存ADDRB中,内存,寄存器,运算基于寄存器,Load过程,Store过程,复杂指令由简单指令组合而成，代码长。,提问：a*=b是什么意思？,采用Load/Store结

7、构，大量基于寄存器操作,上述每个RISC指令都占用等同CPU时间,有利于降低芯片核复杂度，提高集成度 有利于降低处理器成本 有利于提高处理效率，实现流水线 加强了并行能力单芯多核,2.1 RISC和CISC,RISC的好处,复杂度低、并行、CISC不可能：多核,指令系统：在RISC 机器上实现特殊功能时，效率可能较低。但可以利用流水技术和超标量技术加以改进和弥补。而CISC 计算机的指令系统比较丰富，处理特殊任务效率较高。,2.1 RISC和CISC,RISC和CISC的区别,复杂度低、并行、CISC不可能：多核,存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器

8、操作指令多，操作直接。 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；而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社设计相对容易，效率较高。,2.1 RISC和CISC,RISC和CISC的区别,复杂度低、并行、CISC不可能：多核,中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。 CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短，

9、且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。,2.1 RISC和CISC,RISC和CISC的区别,复杂度低、并行、CISC不可能：多核,用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机器则更适合于通用机。,2.1 RISC和CISC,RISC和CISC的区别,复杂度低、并行、CISC不可能：多核,2.2 冯诺依曼和哈佛体系结构,冯诺依曼体系思想,1）采用二进制形式表示数据和指令 2）采用存储程

10、序方式 3）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统,列概念 足以载入史册，沿用至今,2.2 冯诺依曼和哈佛体系结构,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,缺点：数据吞吐量影响,冯诺依曼：数据程序共享,提问,2.2 冯诺依曼和哈佛体系结构,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,哈佛：两套独立,集成在片内,缺点：硬件存储器管脚,ARM7系列是冯诺依曼结构，指令系统是RI

11、SC。 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。,辨析,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。,提醒注意：后面考察,原理,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,2.3 流水线技术,举例：汽车等工厂/列概念,5+3-70?,原理,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

12、动后续指令,2.3 流水线技术,举例：汽车等工厂/列概念,5+3-70?,前提：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,2.3 流水线技术,超标量技术(Superscalar) ： 超标量CPU采用多条流水线结构 一个时钟周期执行多条指令,2.4 超标量技术,列概念,本节内容,嵌入式系统的定义和特点 嵌入式微处理器相关的基本概念 嵌入式微处理器的分类及其特点,嵌入式微处理器,嵌入式系统的核心部件 嵌入式微处理器家族人才济济：品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半，生

13、产厂家20多个 8051、ARM、Power PC 嵌入式微处理器家族不“嫌贫爱富”：应用决定生命力,一种控制着从移动电话和微波炉到巨型喷气式飞机和宇宙飞船的各种设备的隐藏着的芯片 PC、工作站和服务器在吸引着人们的眼球，而嵌入式微处理器却在推动着地球的转动,嵌入式微处理器分类,四大类：微处理器、微控制器、数字信号处理器和片上系统。,微处理器(MPU),MPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 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。 Intel创新模式 ：不是简单的删除和照搬改变：包括体系结构和指令集的改

14、变。,微处理器(MPU),嵌入式微处理器目前主要有Power PC、68000、MIPS、ARM等体系结构。 其中基于ARM技术的32位微处理器，市场的占有率目前已达到80%。在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处理器作为内核生产芯片的公司最多。,ARMv5TE 手机,ARM7 机顶盒，智能手机,ARM9 高端应用,ARM9E SOC,微控制器(MCU),又称单片机 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、Watch Dog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各

15、种必要功能和外设 特点：单片化、体积小、功耗低、成本下降、可靠性高。,微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。 Philips公司功不可没,微控制器(MCU),微控制器(MCU),8051,P51XA 洗衣机,C166/167 马达和机械驱动,68300 电话,PowerPC:MC68HC05,数字信号处理器(DSP),DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。 适用于大数据量运算。 为保证在高计算速度下的低耗电量和低成本，另一种微处理器应运而生：数字信号处理器,数字信号处理器(DSP),特点： （1）内部采用程序和数据分开的哈佛结构。

16、（2）专用硬件乘法器。 （3）广泛采用流水线操作。 （4）提供特殊的DSP指令（例如：倒序）。 典型特征：每个周期能够处理多条乘加操作。,DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。 1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 DSP的历史. 现在使用第五代DSP。,数字信号处理器(DSP),数字信号处理器(DSP),德州仪器TI、摩托罗拉Motorola、模拟器件AD 有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。

17、 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。,数字信号处理器(DSP),片上系统SoC （System on Chip ）。 将功能做在一个芯片上，像是ARM RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像通用串行端口（USB）、TCP/IP通信单元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、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

18、。,嵌入式片上系统(System On Chip),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,原理样机电路板,电路板,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,嵌入式片上系统(System On Chip),芯片,管脚,特点：软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。 运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。,嵌入式片上系统(System On Chip),SOC包括通用和专用两类。 专用较多，所以大部分都不为用户所知，如 Philips的Smart XA。S