嵌入式第02讲嵌入式处理器1.ppt

《嵌入式系统原理》第2讲 嵌入式处理器,嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器简介嵌入式处理器专用技术,曲师大计算机学院 孔峰,2,嵌入式处理器的功能特点,嵌入式处理器是嵌入式系统的核心是控制辅助系统运行的硬件单元其特点是：实时多任务处理能力强，中断响应快结构可扩展内部集成测试电路低功耗,P76,曲师大计算机学院 孔峰,3,根据其功能特点与应用领域可分为：嵌入式微处理器(MPU)——中高端嵌入式微控制器(MCU)——低端数字信号处理器(DSP)——通信领域片上系统（SoC ）——高度集成,1 嵌入式处理器分类,曲师大计算机学院 孔峰,4,嵌入式微处理器,在通用计算机CPU基础上去除冗余、配置外围电路、进行适应性改造而来常见的有：ARM、MIPS、PowerPC、68K等特点：低功耗、抗干扰、可扩展具有存储区保护功能调试功能丰富实时处理能力强,曲师大计算机学院 孔峰,5,微控制器,传统上称为单片机以某处理器内核为核心，内部集成Flash、RAM、总线逻辑、定时计数器、各类输入输出口等常见微控制器Intel 8048、8051（MCS51系列）68HC05、AVR、PIC、MCS96特点：单片化、体积小、成本低、可靠性高适用于控制、应用广泛(占嵌入式份额的70%),曲师大计算机学院 孔峰,6,DSP处理器,对系统结构和指令进行了特殊处理，适合执行DSP算法，编译效率和指令执行速度较高常见DSP处理器TMS320、DSP56K、ADSP21XX等特点：适用于运算量较大的智能系统生物信息识别终端ADLS接入实时语音解压系统虚拟现实显示,曲师大计算机学院 孔峰,7,片上系统（SoC）,结合许多功能模块，整个系统做在一个芯片上嵌入式系统实现的最高形式是SoCSoC的优点功过改变内部工作电压，降低芯片功耗减少芯片对外引脚数，简化制造过程减少外围电路间的信号传递，加快处理速度内嵌的线路可避免系统杂讯,曲师大计算机学院 孔峰,8,SoC的实现技术——EDA,EDAElectronic Design Automation ，电子设计自动化是先进的电子系统设计方法和开发工具EDA以计算机为主要工具，对使用硬件描述语言（HDL，Hardware Description Language）为描述手段完成的数字系统设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子系统功能。

主流的HDL有VHDL、Verilog、System C、Superlog和SystemVerilog等P16~19,曲师大计算机学院 孔峰,9,ASIC设计流程,,P23,曲师大计算机学院 孔峰,10,EDA目标,利用EDA技术进行电子系统设计，最后实现的目标电路有3种类型①全定制或半定制专用集成电路ASIC：Application Specific Integrated Circuits②FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用复杂可编程逻辑器件CPLDComplex Programmable Logic Device现场可编程门阵列FPGAField Programmable Gate Array③印制电路板PCB，Printed Circuit Board,P16,曲师大计算机学院 孔峰,11,IP核,SoC的核心技术是IP核Intellectual Property Core，知识产权核电路设计中，把不同功能的电路模块称为IP核，设计SoC时往往采取直接利用IP核的方式进行IP核以三种形式存在软核：VHDL语言描述硬核：电路版图固核：可综合网表文件常用的EDA软件：Quartus支持IP核,P37,曲师大计算机学院 孔峰,12,数字系统硬件抽象模型,曲师大计算机学院 孔峰,13,2 嵌入式微处理器(MPU)简介,几种嵌入式处理器ARMMIPSPowerPCMC68Kx86,曲师大计算机学院 孔峰,14,2.1 ARM处理器,ARM 即Advanced RISC Machines的缩写。

ARM公司是设计公司，是知识产权（IP）供应商，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片有30多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议曲师大计算机学院 孔峰,15,ARM处理器,ARM处理器的3大特点：小体积、低功耗、成本低、高性能16位／32位双指令集全球众多的合作伙伴,曲师大计算机学院 孔峰,16,ARM公司的IP销售与服务,ARM公司,大学/研究所/企业,IC制造商,OEM生产商,,,,,,,,,,,,,,,,曲师大计算机学院 孔峰,17,ARM发展简史,1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础1990年成立了Advanced RISC Machines Limited（简称ARM公司）20世纪90年代，ARM 32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位曲师大计算机学院 孔峰,18,ARM体系结构的扩充,ARM 32位处理器体系结构是市场占有率高的32位嵌入式RISC微处理器结构市场占有率大约为75%所有ARM处理器共享同一个体系结构。

ARM体系结构的扩充包括：Thumb：16位指令集，用以改善代码密度；DSP：用于DSP应用的算术运算指令集；Jazeller：允许直接执行Java字节码的扩充曲师大计算机学院 孔峰,19,ARM处理器应用,ARM系列处理器提供的解决方案包括：在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台智能卡和SIM卡的安全应用嵌入式系统教学实验设备网络设备：路由器、调制解调器等移动、智能等,曲师大计算机学院 孔峰,20,ARM处理器系列产品概况,ARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和CortexARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求SecurCore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的来自于合作伙伴的产品例如：Intel XScale微体系结构和StrongARM产品曲师大计算机学院 孔峰,21,ARM Cortex系列处理器,The ARM Cortex family comprises three series, all implement the Thumb-2 instruction set.ARM Cortex-A Seriesapplications processors for complex OS and user applications.Supports the ARM, Thumb and Thumb-2 instruction setsARM Cortex-R Seriesembedded processors for real-time systems.Supports the ARM, Thumb, and Thumb-2 instruction setsARM Cortex-M Seriesdeeply embedded processors optimized for cost sensitive applications.Supports the Thumb-2 instruction set only,曲师大计算机学院 孔峰,22,Intel公司生产的ARM系列处理器,Intel公司购买了ARM的IP核先后生产出了两种嵌入式处理器：StrongARMXScale,曲师大计算机学院 孔峰,23,2.2 PowerPC处理器,自从1994年第一个PowerPC处理器PowerPC 601问世以来，已经有几十种PowerPC独立微处理器与嵌入式微处理器投放市场，其主频范围从32MHz到1GHz不等。

嵌入式的PowerPC 405（主频最高为266MHz）和PowerPC 440（主频最高为550MHz）处理器内核可以用于各种集成的系统芯片（SOC，system-on-a-chip）设备上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用曲师大计算机学院 孔峰,24,IBM PowerPC路线图,PPC 400系列产品是嵌入式处理器,曲师大计算机学院 孔峰,25,Motorola高性能处理器,曲师大计算机学院 孔峰,26,2.3 MIPS嵌入式微处理器,MIPS处理器MIPS计算机公司研发一种高端嵌入式内核标准MIPS的英文原文：Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages中文意义是内部无互锁流水级微处理器尽量利用软件办法避免流水线的数据相关问题,曲师大计算机学院 孔峰,27,MIPS计算机公司简史,MIPS处理器最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的MIPS公司的R系列处理器是在此基础上研发成功的RISC工业微处理器产品1984年，MIPS计算机公司成立1992年，SGI收购了MIPS计算机公司1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司,曲师大计算机学院 孔峰,28,MIPS处理器发展简史,MIPS处理器诞生于二十世纪八十年代初1986年到1997年先后出产了6个R系列的微处理器其中的R4000是世界上第一款64位商用微处理器1999年MIPS32和MIPS64架构标准发布，为后来MIPS处理器的开发奠定了基础。

曲师大计算机学院 孔峰,29,MIPS32 24KETM内核的功能方框图,,,曲师大计算机学院 孔峰,30,3 嵌入式微处理器技术特点,哈佛结构I/O端口统一编址与特殊功能寄存器桶型移位器正交指令集指令密度看门狗定时器,地址对准与端序地址重映射FIFO缓冲寄存器主存控制器,曲师大计算机学院 孔峰,31,3.1 哈佛结构,哈佛结构是一种计算机体系结构哈佛结构基本特点：程序指令存储和数据存储分开的存储器结构并行结构)可以使指令和数据有不同的数据宽度如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度优点：较高执行效率和数据吞吐率,曲师大计算机学院 孔峰,32,哈佛结构示意图,CPU,程序计数器PC,指令存储器,数据存储器,,,,,地址总线,地址总线,数据总线,指令总线,曲师大计算机学院 孔峰,33,冯•诺依曼结构示意图,CPU,程序计数器PC,存储器,,,地址总线,数据总线,（普林斯顿结构）,曲师大计算机学院 孔峰,34,Motorola公司DSP56311型数字信号处理器的存储系统结构,,曲师大计算机学院 孔峰,35,哈佛结构Cache,片内Cache分为两类。

一种是数据和指令都放在同一个Cache中，称为普林斯顿结构或者统一化结构Cache（统一型Cache）另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中，称为哈佛结构Cache这后一种Cache也叫做分离型Cache曲师大计算机学院 孔峰,36,3.2 I/O端口统一编址 与特殊功能寄存器,计算机的两种I/O端口地址空间独立编址x86处理器系列统一编址8051系列和ARM系列处理器特殊功能寄存器（SFR）接口控制器的端口寄存器实际为片上（片内）的物理存储单元,曲师大计算机学院 孔峰,37,三星公司嵌入式处理器S3C44B0X存储器地址映射图,。