嵌入式系统及应用Chapter2嵌入式硬件系统基础

嵌入式系统及应用,第二章 嵌入式硬件系统基础,主要内容,嵌入式硬件系统基本组成,嵌入式微处理器,嵌入式系统总线,嵌入式存储系统,第一节 嵌入式硬件系统基本组成,嵌入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。 嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备,嵌入式微处理器,每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器 嵌入式微处理器体系结构可采用冯诺依曼（Von Neumann）结构或哈佛（Harvard）结构,冯诺依曼结构,哈佛结构,嵌入式微处理器,传统的微处理器采用的冯·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。 哈佛结构则是不同于冯·诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统RISC（Reduced Instruction Set Computer）或复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer）,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。 据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、 X86等。,总线,嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中。 从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如：AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE等）。 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。,存储器,嵌入式系统的存储器包括主存和外存。 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。 系统上电后在主存中的代码直接运行。主存储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。,存储器,目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量大的特点。 在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有NandFlash、 SD （Secure Digital）卡、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、 DOC（Disk On Chip）等。,输入/输出接口和设备,嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设备已经集成在嵌入式微处理器中。 输入/输出接口主要有中断控制器、DMA、串行和并行接口等，设备主要有定时器（Timers）、计数器（counters）、看门狗（watchdog timers）、RTC、UARTs、PWM（Pulse width modulator）、AD/DA、显示器、键盘和网络等。,第二节 嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的发展 嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器的特点 主流的嵌入式微处理器(ARM, MIPS, SH, PowerPC, x86),嵌入式微处理器的发展,嵌入式微处理器的分类,嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP和通用的嵌入式微处理器两种： 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛结构，程序和数据分开存储，采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT（快速傅立叶变换）的专门优化。 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。,嵌入式微处理器的特点,基础是通用微处理器 与通用微处理器相比的区别： 体积小、重量轻、成本低、可靠性高 功耗低 工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强,嵌入式微处理器的特点,体系结构,指令集,性能,功耗和管理,成本,集成度,嵌入式微处理器的集成度,用于桌面和服务器的微处理器的芯片内部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、外部总线和外部设备独立在其他芯片和电路内。 嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、DMA、定时器、UART等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求，一块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。,嵌入式微处理器的集成度,嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。 在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括： 片内存储器：部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，DMA控制器，协处理器 定时器，A/D、D/A转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线 其他标准接口或外设,嵌入式微处理器的集成度,单芯片方式（Single Chip） 芯片组方式（Chip Set）：由微处理器主芯片和一些从芯片组成,嵌入式微处理器的集成度,单芯片方式：华邦W90P710芯片的内部 结构,嵌入式微处理器的集成度,芯片组方式：两芯片组的手持PC方案,返回,嵌入式微处理器的体系结构,算术格式（Arithmetic Format） 由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定点运算（fixed-point arithmetic），即数值被表示为整数或在1.0和1.0之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版本的芯片便宜。 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处理器时间。 功能单元（Functional Units） 通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。 流水线（Pipeline） 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线,返回,嵌入式微处理器的指令集,为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 目前很多应用系统需要类似于DSP的数字处理功能。这些指令主要有： 乘加(MAC)操作：它在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算。 SIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算。 零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。仅使用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并提供循环次数，另一条是循环体。 多媒体加速指令：像素处理、多边形、3D操作等指令。,返回,嵌入式微处理器的性能,低端（低价，低性能） 一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的应用系统中。 中档，低功耗 中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加时钟频率、加深流水深度、增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持低功耗。 高端,嵌入式微处理器的性能,高端嵌入式微处理器用于高强度计算的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度 单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。 每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(very large instruction word)来实现，这样只需较少的硬件，总体价格会更低些。例如TI的TMS320C6201芯片，通过使用VLIW方法，能在每个周期同时执行8条独立的32位指令。 使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如TI的OMAP730包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。,返回,嵌入式微处理器的功耗管理,大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷却设备。 降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，而且这个数值一直在下降。 提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的时钟分频。 关闭暂时不使用的功能块：如果某功能块在一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以节约能量。,嵌入式微处理器的功耗管理,提供功耗管理机制 运行模式（Running Mode）：处理器处于全速运行状态下。 待命模式（Standby Mode）：处理器不执行指令，所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内返回运行模式。 时钟关闭模式（clock-off mode）：时钟完全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。 影响功耗的其他因素还有总线（特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）和存储器的大小（如果使用DRAM，它需要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。,返回,嵌入式微处理器的成本,为降低价格，需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不同的折衷方案。 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的特点：功能块的数目、总线类型等。 片上存储器的大小。 芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(Plastic Quad Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜。 芯片大小（die size）：取决于制造的工艺水平。,嵌入式微处理器的成本,代码密度（code density）：代码存储器的大小将影响价格，不同种类的处理器有不同的代码密度： CISC芯片代码密度高，但结构复杂，其额外的控制逻辑单元使价格变得很高； RISC芯片拥有简单的结构，代码密度低，因为其指令集简单； VLIW代码密度最低，因为它的指令字倾向于采用多字节。,主流的嵌入式微处理器,目前主流的嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、Super H系列和X86系列等。 属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有上千种以上。,Units (millions),Source: Andrew Allison, Inside The New Computer Industry, January 2001,Embedded RISC Processor Shipments,32位浪潮的到来,Source: Semico Research Corp. and SIA/WSTS,Total MCU, by Sub-Category (excl. DSP),Total Embedded Control Market Shipments by Type,总共约26亿个32位处理器 付运，占总数96亿的27%,2005年ARM为17亿个， 约占32位总量的70%左右,X86系列,主要由AMD，Intel，NS，ST等公司提供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式K6，386EX、STPC等。 主要应用在工业控制、通信等领域。 国内由于对X86体系比较熟悉，得到广泛应用，特别是嵌入式PC的应用非常广泛。,MPC/PPC系列,Motorola推出的MPC系列，如MPC8XX。 IBM推出PPC系列，如PPC4XX。 主要应用在通信、消费电子及工业控制、军用装备等领域。,MPC/PPC系列,IBM PowerPC 集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器。 Motorola MPC 高度综合的SOC设备，它结合了PPC微处理器核心的功能、通信处理器和单硅成分内的显示控制器。这个设备可以在大量的电子应用中使用，特别是在低能源、便携式、图象捕捉和个人通信设备。,