【正文】 H、 X86等。電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式系統(tǒng) 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 第二章 嵌入式硬件系統(tǒng)基礎(chǔ) 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 主要內(nèi)容 嵌入式硬件系統(tǒng)基本組成 嵌入式微處理器 嵌入式系統(tǒng)總線 嵌入式存儲(chǔ)系統(tǒng) 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 第一節(jié) 嵌入式硬件系統(tǒng)基本組成 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式系統(tǒng)的硬件是以包含嵌入式微處理器的 SoC為核心，主要由 SoC、總線、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出接口和設(shè)備組成。 –嵌入式微處理器為核心的 SoC –總線 –存儲(chǔ)器 –輸入 /輸出接口和設(shè)備 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器 ? 每個(gè)嵌入式系統(tǒng)至少包含一個(gè)嵌入式微處理器 ? 嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)可采用馮 ?諾依曼（ Von Neumann）結(jié)構(gòu)或哈佛（ Harvard）結(jié)構(gòu) 地址 數(shù)據(jù) 主存儲(chǔ)器 MOV r8,8 CPU PC 指令 程序存儲(chǔ)器 CPU PC 地址 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 MOV r8,8 地址 數(shù)據(jù) 馮 ?諾依曼結(jié)構(gòu) 哈佛結(jié)構(gòu) 指令和數(shù)據(jù)存放在同一存儲(chǔ)空間中 ,統(tǒng)一編址 指令和數(shù)據(jù)通過同一總線訪問 程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中 兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），數(shù)據(jù)的吞吐率提高了一倍 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的指令系統(tǒng)可采用精簡(jiǎn)指令集系統(tǒng) RISC（ Reduced Instruction Set Computer）或復(fù)雜指令集系統(tǒng) CISC（ Complex Instruction Set Computer） CISC RISC 價(jià)格 由硬件完成部分軟件功能 ， 硬件復(fù)雜性增加 ， 芯片成本高 由軟件完成部分硬件功能 ， 軟件復(fù)雜性增加 ， 芯片成本低 性能 減少代碼尺寸 ， 增加指令的執(zhí)行周期數(shù) 使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數(shù) ，增加代碼尺寸 指令集 大量的混雜型指令集 ， 有簡(jiǎn)單快速的指令 ， 也有復(fù)雜的多周期指令 ，符合 HLL（ high level language） 簡(jiǎn)單的單周期指令 ， 在匯編指令方面有相應(yīng)的 CISC微代碼指令 高級(jí)語(yǔ)言支持 硬件完成 軟件完成 尋址模式 復(fù)雜的尋址模式 ， 支持內(nèi)存到內(nèi)存尋址 簡(jiǎn)單的尋址模式 ， 僅允許 LOAD和STORE指令存取內(nèi)存 ， 其它所有的操作都基于寄存器到寄存器 控制單元 微碼 直接執(zhí)行 寄存器數(shù)目 寄存器較少 寄存器較多 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器 ? 嵌入式微處理器有許多不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的 時(shí)鐘速度和 總線數(shù)據(jù)寬度 、 集成不同的外部接口 和設(shè)備 。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 總 線 ? 嵌入式系統(tǒng)的總線可分為： – 片內(nèi)總線： 與嵌入式微處理器集成在一起，如： AMBA、 AVALON、 OCP、WISHBONE等 – 片外并行總線： 如： PCI、 ISA等 – 片外串行總線： UART、 SPI、 I2C、 USB等 ? 片內(nèi)總線的選擇取決于 CPU Core ? 片外總線的選擇取決于應(yīng)用 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 存儲(chǔ)器 ? 嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包括 主存 和 外存 。 ? 系統(tǒng)上電后在主存中的代碼直接運(yùn)行 。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 存儲(chǔ)器 ? 目前 有些嵌入式系統(tǒng)除了主存外，還有外存 。 ? 在嵌入式系統(tǒng)中 除部分采用硬盤外，大多數(shù)采用電子盤做外存 ，電子盤的主要種類有： – NandFlash – SD（ Secure Digital） – CompactFlash – U盤 –SmartMedia –Memory Stick –MultiMediaCard –DOC（ Disk On Chip等 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 輸入 /輸出接口和設(shè)備 ? 嵌入式系統(tǒng)的大多數(shù)輸入 /輸出接口和部分設(shè)備已經(jīng)與嵌入式微處理器集成在一起。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 第二節(jié) 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的發(fā)展 嵌入式微處理器的分類 嵌入式微處理器的特點(diǎn) 主流的嵌入式微處理器 —— (ARM, MIPS, SH, PowerPC, x86) 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 20世紀(jì) 80年代 中后期 20世紀(jì) 90年代 初期 20世紀(jì) 90年代 中后期 21世紀(jì) 初期 制作工藝 1 ?m ?m – ?m ?m 主頻 33 MHz 100 MHz 200 MHz 600 MHz 晶體管個(gè)數(shù) 500K 2M 5M 22M 位數(shù) 4/8/16bit 4/8/16/32bit 4/8/16/32bit 4/8/16/32/64b 嵌入式微處理器的發(fā)展 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器的分類 ? 嵌入式微處理器種類繁多 ， 按 位數(shù) 可分為 4位 、8位 、 16位 、 32位和 64位 。 –通用的嵌入式微處理器 ：一般是集成了通用微處理器的核 、 總線 、 外圍接口和設(shè)備的SOC芯片 ， 有些還將 DSP作為協(xié)處理器集成 。 ? 在最普通的情況下 ， 嵌入式微處理器包括 ： – 片內(nèi)存儲(chǔ)器：部分嵌入式微處理器 – 外部存儲(chǔ)器的控制器 ， 外設(shè)接口 (串口 ， 并口 ) – LCD控制器：面向終端類應(yīng)用的嵌入式微處理器 – 中斷控制器 ， DMA控制器 ， 協(xié)處理器 – 定時(shí)器 ， A/D、 D/A轉(zhuǎn)換器 – 多媒體加速器：當(dāng)高級(jí)圖形功能需要時(shí) – 總線 – 其他標(biāo)準(zhǔn)接口或外設(shè) 返回 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu) ? 算術(shù)格式（ Arithmetic Format） – 由于 低成本 和 低功耗 的限制 ， 大多數(shù)的嵌入式微處理器使用 定點(diǎn)運(yùn)算 （ fixedpoint arithmetic） – 當(dāng)嵌入式系統(tǒng)中需要使用浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí) ， 可采用 軟件模擬 的方式實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算 ， 只不過這樣要占用更多的處理器時(shí)間 。 ? 流水線（ Pipeline） – 通常采用 單周期執(zhí)行指令 ，可能導(dǎo)致比較長(zhǎng)的流水線 返回 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器的指令集 ? 為滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需要，嵌入式微處理器的指令集一般要針對(duì)特定領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行 剪裁和擴(kuò)充 。這些指令主要有： – 乘加 (MAC)操作 ：它在一個(gè)周期中執(zhí)行了一次乘法運(yùn)算和一次加法運(yùn)算。 – 零開銷的循環(huán)指令 ：采用硬件方式減少了循環(huán)的開銷。 – 多媒體加速指令 ：像素處理、多邊形、 3D操作等指令。 ? 中檔，低功耗 – 中檔的嵌入式微處理器可達(dá)到較好的性能（如150MIPS左右），采用增加 時(shí)鐘頻率、加深流水深度、增加 Cache及一些額外的功能塊來提高性能 ，并保持低功耗 。 – 每個(gè)周期執(zhí)行多條指令 ：桌面和服務(wù)器的超標(biāo)量處理器都支持單周期多條指令執(zhí)行，在嵌入式領(lǐng)域通常使用 VLIW(very large instruction word)來實(shí)現(xiàn)，這樣只需較少的硬件，總體價(jià)格會(huì)更低些。 – 使用多處理器 ：采用多處理器的方式滿足應(yīng)用系統(tǒng)的更高要求。如TI的 OMAP730包括了三個(gè)處理器核 ARM ARM DSP。 –降低工作電壓 ： 、 ，而且這個(gè)數(shù)值一直在下降。 –關(guān)閉暫時(shí)不使用的功能塊 ：如果某功能塊在一個(gè)周期內(nèi)不使用，就可以被完全關(guān)閉，以節(jié)約能量。 ? 待命模式 （ Standby Mode）：處理器不執(zhí)行指令，所有存儲(chǔ)的信息是可用的，處理器能在幾個(gè)周期內(nèi)返回運(yùn)行模式。 –影響功耗的其他因素還有 總線 （特別是總線轉(zhuǎn)換器，可以采用特殊的技術(shù)使它的功耗最?。┖?存儲(chǔ)器類型的大小 （如果使用 DRAM，它需要不斷的刷新）。 返回 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 嵌入式微處理器的成本 ? 為降低價(jià)格，需要在嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)中考慮不同的折衷方案。 ? 片上存儲(chǔ)器的大小 。 ? 芯片大小 （ die size）：取決于制造的工藝水平。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 主流的嵌入式微處理器 ? 目前主流的嵌入式微處理器系列主要有 : – ARM系列 – MIPS系列 – PowerPC系列 – Super H系列等 。 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 01002003004005001997 1998 1999 2022A R MM I P SH i t a c h i S HP o w e r P CUnits (millions) Source: Andrew Allison, Inside The New Computer Industry, January 2022 Embedded RISC Processor Shipments 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 32位浪潮的到來 02, 00 04, 00 06, 00 08, 00 010 , 00 012 , 00 014 , 00 016 , 00 0Millions of Units2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022M PU M C U (ex cl . D SP ) C o r esSource: Semico Research Corp. and SIA/WSTS 02, 00 04, 00 06, 00 08, 00 010 , 00 012 , 00 0Millions of Units2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 2022 202232 B it + 16 B it 8 B it 4 B itTotal MCU, by SubCategory (excl. DSP) Total Embedded Control Market Shipments by Type 總共約 26億個(gè) 32位處理器 付運(yùn)，占總數(shù) 96億的 27% 2022年 ARM為 17億個(gè)， 約占 32位總量的 70%左右 電子科技大學(xué)嵌入式軟件工程中心 X86系列 ? 主要由 AMD， Intel， NS， ST等公司提供，如： Am186/8 Elan5嵌入式K6， 386EX、 STPC等。 ? 國(guó)內(nèi)由于對(duì) X86體系比較熟悉，得到廣泛應(yīng)用，特別是嵌入式 PC的應(yīng)用非常廣泛。 Atom? processor Z5xx ? built on a new 45nanometer Hik low power microarchitecture and 45 nm process technology — the first generation of lowpower IA32 microarchitecture specially designed for the new class of Mobile Inter Devices (MIDs). ? In the Intel174。 Atom? processor technology platform, the Intel174。 System Controller Hub (Intel SCH), a singlechip ponent design for lowpower. This document contains electrical, mechanical and thermal specifications for the following processors: ? Intel174。 Atom? processor Z5xx ? built on a new 45nanometer Hik low power microarchitecture and 45 nm process technology — the first generation of lowpower IA32 microarchitecture specially designed for the new class of Mobile Inter Devices (MIDs). ? In the Intel174。 Atom? processor technology platform, the Intel174。 System Controller Hub (Intel SCH), a singlechip ponent design for lowpower. This