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嵌入式系统1-嵌入式系统与桌面系统.pdf

103页
  • 卖家[上传人]:oq****t
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  • 上传时间:2017-07-15
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    • 嵌入式系统设计嵌入式系统设计说明说明z 桌面计算机范围– PC– Laptop– Mainframe– Server回顾回顾体系结构之冯诺依曼结构体系结构之冯诺依曼结构存储器输出输入运算器控制器数据线路控制信号体系结构之哈佛结构体系结构之哈佛结构程序存储器输出输入运算器控制器数据线路控制信号数据存储器计算机系统层次计算机系统层次提供与计算机结构无关的程序设计语言虚拟机高级语言级第 5级为程序员提供一种符号形式语言虚拟机汇编语言级第 4级为系统的操作和程序设计提供平台虚拟机操作系统级第 3级执行机器指令,完成相应的功能硬件级物理机器级第 2级执行一系列微指令,解释执行机器指令硬件级微程序级第 1级硬件固件操作系统应用程序硬件固件操作系统应用程序硬件固件桌面计算机复杂嵌入式系统简单嵌入式系统系统层次比较系统层次比较华硕主板Award BIOSWindow XPFTP 服务器硬件固件操作系统应用程序桌面系统层次示例桌面系统层次示例UC-EIS-LABEIS-BIOSuClinuxApplication硬件固件操作系统应用程序嵌入式系统层次示例嵌入式系统层次示例MemorySouth BridgeISA InterfaceIDE InterfaceUSB InterfaceSystem BIOS Super IO PortCPUAGP Slot North BridgePCI Interface硬件架构硬件架构-桌面系统桌面系统HostComputerMemoryNetworkInterfaceI/O硬件架构硬件架构-嵌入式系统嵌入式系统UARTBus InterfaceRAM TimersDigital I/O ROM IICADC CPU SPI桌面机主板桌面机主板嵌入式系统主板嵌入式系统主板回顾之处理器回顾之处理器处理器分类(处理器分类(1))z 指令长度z 4z 8z 16z 32z 64z 集成度z 微处理器z 单片机z SOC处理器分类(处理器分类(2))z用途z通用: X86、 AMD、 Cyrix、 ARM、MIPS、 PowerPC等z专用: DSP、 IXP、 IOP等z指令集z RISC z CISC: DSPz EPICz VLIW处理器技术处理器技术z 处理器可以根据用户遇到的问题进行定制total = 0for i = 1 to N looptotal += M[i]end loop通用处理器 专用处理器面向特定应用的处理器期望功能单板计算机单板计算机z 单板计算机 (Microcontroller Unit, MCU)z 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上,称为单板计算机。

      – STD-BUS、 PC104等– 芯片内部集成 ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、 WatchDog、 I/O、串行口、脉宽调制输出、 A/D、 D/A、 Flash、 RAM、 EEPROM 等各种必要功能模块z 优点– 体积小– 功耗低– 成本低– 可靠性高SOCz SOC (System On Chip)z 除个别无法集成的器件以外,整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中– Motorola 的 M-Core,某些 ARM 系列器件,Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片z 特点– 体积小– 功耗低– 可靠性高微处理器(通用处理器)微处理器(通用处理器)z 可以使用那些可编程设备– X86、 PowerPC, AMDz 特点– 内存可编程( Program memory)– 通用的数据地址寄存器– 通用的 ALUz 优点– 开发迅速– 低成本– 高灵活性架构架构IR PCRegister fileGeneral ALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for:total = 0for i =1 to …Control logic and State registerData memory奔腾奔腾II、、III 处理器结构处理器结构微处理器(专用处理器)微处理器(专用处理器)z 用来执行单一特定程序– 图形加速器、 TCP卸载器、 DSPz 特点– 构造简单,仅包含执行单一特定程序所需的部件– 没有编程内存( program memory)z 优点– 速度快– 低功耗– 尺寸小架构架构DatapathControllerControl logicState registerDatamemoryindextotal+面向特定应用的处理器面向特定应用的处理器z 面向特定应用的优化的可编程处理器具有一般的特征。

      – IOP、 IXPz 特点– 可编程内存– 数据路径优化– 特殊功能单元z 优点– 一定的灵活性– 高性能架构架构IR PCRegistersCustom ALUDatapathControllerProgram memoryAssembly code for:total = 0for i =1 to …Control logic and State registerDatamemory指令集之复杂指令集指令集之复杂指令集z CISC:复杂指令集(Complex Instruction Set Computer)z 具有大量的指令和寻址方式z 8/2原则:80%的程序只使用20%的指令z 大多数程序只使用少量的指令就能够运行指令集之精简指令集指令集之精简指令集z RISC:精简指令集(Reduced Instruction Set Computer)z 在通道中只包含最有用的指令z 确保数据通道快速执行每一条指令z 使CPU硬件结构设计变得更为简单指令集之并行指令集指令集之并行指令集z EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing,显式并行指令计算 ) z 使用 ILP使编译器在程序运行前便能找出其并行性,安排好指令执行的顺序。

      z 分支推断z 风险装载z 更加聪明的编译器指令集之超长指令集指令集之超长指令集z 超长指令字( VLIW)处理器z 多发射机制z 编译调度指令系统与处理器结构的关系指令系统与处理器结构的关系z 指令系统设计:– 决定于应用、性能、代码密度和方言的要求– 包括符号指令设计和编码设计z 指令的类型:– 寻址方式:指令系统的重要特点z 与数据通路相关– 传输类指令:实现处理器内部存储之间以及与外部存储之间的数据传送z 与数据通路相关– 运算类指令:实现指令描述的功能z 与 ALU和其它运算部件相关– 系统类指令:完成对系统资源的访问z 与操作系统的支持有关指令系统与处理器结构的关系指令系统与处理器结构的关系z 指令的编码:相关因素:代码密度,功耗,译码器– 垂直编码有利于译码器简化,但使用效率低– 非垂直编码译码复杂,使用效率高– 常常采用二者折衷方案 ARMz 指令编码与功耗:– 连续执行的执行功耗取决于其引起的逻辑变化量– 指令编码的海明距离,控制信号的海明距离,– 执行情况等,编译技术, OS,嵌入式应用回顾之总线回顾之总线总线总线z总线是什么?– 总线就是各种信号线的集合,是计算机各部件之间以及计算机之间传送数据、地址和控制信息的公共通路。

      计算机各级总线示意图计算机各级总线示意图CPU存储器扩展板IO扩展板其他扩展板总线扩展ALU存储器总线管理电路存储器片内总线局部总线系统总线外部总线总线的主要参数总线的主要参数z 总线的带宽– 总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据量,即最大稳态数据传输率 MB /Sz 总线的位宽– 总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数– 常见的总线位宽 32 位、 64 位等总线宽度总线的位宽越宽则总线每秒数据传输率越大,也即总线带宽越宽z 总线的工作时钟频率– 总线的工作时钟频率以 MHz 为单位,工作频率越高则总线工作速度越快,也即总线带宽越宽总线带宽总线带宽z总线带宽=工作时钟频率×位宽z 总线类型– 片内总线– 局部总线– 系统总线– 内部总线– 外部总线– 现场总线总线分类(从接口角度)总线分类(从接口角度)片内总线片内总线z 位于处理器内部,用于 ALU以及各种寄存器等功能单元之间的相互链接局部总线局部总线z 在单板计算机、 CPU卡等插件板上的板上总线,用于芯片一极的链接z 一般是 CPU芯片引脚的延伸,与 CPU关系密切系统总线系统总线z 计算机系统各插件板之间的连接总线。

      z ISAz EISAz VESAz PCIz Compact PCI 内部总线内部总线z I2C总线z I2S总线z SPI总线z SCI总线外部总线外部总线z 用于系统之间的连接,包括计算机系统之间、计算机系统与外部设备之间的连接z RS-232-C总线z RS-485总线z IEEE-488总线z USB总线z VXI总线z IEEE1934现场总线现场总线z 基金会现场总线 FFz ProfiBusz WorldFIPz ControlNet/DeviveNetz 控制局域网络 CAN 总线分类(从功能角度)总线分类(从功能角度)z 地址总线– 传送地址的信号线– 地址线的数目决定了寻址范围, 2地址线数目就是寻址的范围z 数据总线– 传递数据和代码的信号线– 地址线的数目决定了同时传送的数据位数z 控制总线– 传递控制信号的总线,用来实现命令、状态传递、中断、直接存储器存取的控制,以及提供系统使用的时钟和复位信号等总线分类(从功能角度)总线分类(从功能角度)z 电源和地线– 决定了总线使用的电源种类以及地线分布和用法z 备用线– 作为功能扩充和用户的特殊要求使用。

      ISAz IBM 公司于 1981 年推出的基于 8 位机PC/XT 的总线,称为 PC 总线z 1984 年 IBM 公司推出了 16 位 PC 机PC/AT,其总线称为 AT 总线z Intel 公司, IEEE 和 EISA 集团联合开发了与 IBM/AT 原装机总线意义相近的 ISA 总线,即 8/16 位的 “工业标准结构 ”(ISA-Industry Standard Architecture)总线PCIz 1991 年下半年, Intel 公司首先提出了PCI 的概念,并联合 IBM、 Compaq、AST、 HP、 DEC 等 100 多家公司成立了PCI 集团,其英文全称为: Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组 ),简称PCISIGz PCI 有 32 位和 64 位两种,I2Cz PHILIPS 开发了一种用于内部 IC 控制的简单的双向两线串行总线 I2C(inter IC 总线 )负责 IC相互之间以及与外界的通信z 早期模式– 100Kbits/s, 7 位寻址z 快速模式– 400Kbits/s, 10 位寻址z 高速模式– 3.4Mbits/s。

      SPIz 串行外围设备接口 SPI( serial periph。

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