嵌入式系统硬件基础PPT演示课件

1、1,嵌入式电子系统,嵌入式系统硬件基础,.,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,2,.,1. 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，为后续接口和应用的学习打下基础。,3,.,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,4,.,5,2.1 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,6,.,RISC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。,7,.,CISC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,8,.,RISC架构19

2、79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。,9,.,RISC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。,10,.,（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。,11,.,（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。,12,.,（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

3、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。,13,.,（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。,14,.,15,.,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。,16,.,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。,17,.,2 .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。,18,.,19,.,冯.诺伊曼结构处理器具有以下几个特点：必

4、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。,20,.,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。,21,.,22,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。,23,.,24,.,25,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。,26,.,27,.,28,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

5、，指令系统是CISC。PIC单片机是哈佛结构，指令系统是RISC。,.,29,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,5+3-70?,2 .3 流水线技术,.,30,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,.,31,ARM7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,32,.,33,3. 嵌入式系统硬件基本组成,嵌入式系统硬件组成,.,34,3.1 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

6、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。,35,.,主要类型：、嵌入式微控制器 MCU （Microcontroller Unit）嵌入式DSP处理器 EDSP (Embedded Digital Signal Processor)嵌入式微处理器 MPU(Embedded Microprocessor Unit) 嵌入式片上系统 SOC(System On Chip),36,.,3.2 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Main Memory：ROM、DRAM、SRAMDisk、Tape U盘(Flash Memory)其他具有数据存储功能的器件和设备,37,.,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!,38,.,39,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。,.,40,高速暂存存储器(Scratch-pad St

7、orage)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KB MB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MB GB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GB TB级别脱机：速度s级别、容量为海量,41,.,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。,42,.,3.3 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。,43,.,1

8、、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。,44,44,.,45,45,.,46,首先判别键盘中有无键按下：由口向键盘送(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。,.,47,.,2、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。,48,48,.,3.4 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。,49,.,1、LEDLED（Light Emitting Diode）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。,50,50,.,51,51,.,2、LCD液晶显示器简称LCD（L

9、iquid Crystal Diodes）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。,52,52,.,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。,53,53,.,54,.,55,.,3.5 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。,56,.,1、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。,57,57,.,2、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。,58,58,.,3、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。,59,59,.,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,60,.,4 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,61,.,4.1 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。,62,.,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。,

《嵌入式系统硬件基础PPT演示课件》由会员日度分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统硬件基础PPT演示课件》请在金锄头文库上搜索。