嵌入式系统硬件设计方法课件.ppt

1、嵌入式处理器 学习目的及主要内容学习目的及主要内容n学习目的：学习目的：通过本章学习主要掌握嵌入式系统的硬件（重点是嵌入式处理器子系统）设计方法，其中结合基于微控制器和微处理器的嵌入式系统设计例子。n主要内容：主要内容：1.嵌入式系统的硬件组成2.嵌入式处理器的技术指标3.典型的嵌入式处理器4.如何选择嵌入式处理器5.嵌入式处理器子系统的设计方法1 概述概述 一个嵌入式系统产品包括硬件子系统和软件子系统，硬件子系统包括处理器、存储器、各种可编程接口电路、外部设备驱动电路等。嵌入式处理器种类很多，根据用途和配置不同可分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器、可编程器件等。嵌入式处理器是

2、嵌入式系统硬件的核心，用于运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。本章主要涉及两个方面内容：嵌入式处理器及其选型；嵌入式处理器子系统的设计方法。2 嵌入式系统硬件子系统组成嵌入式系统硬件子系统组成n1.嵌入式系统的嵌入形式嵌入式系统的嵌入形式 嵌入通用计算机型嵌入通用计算机型 嵌入通用计算机型的嵌入式系统指的是把通用的计算机嵌入到应用系统内部，以形成专用设备。基于嵌入式处理器的专用计算机型基于嵌入式处理器的专用计算机型 根据嵌入式系统产品的特殊需要，完全量身定制的嵌入式系统，不存在资源浪费的情况。如何确定嵌入式系统的形式如何确定嵌入式系统的形式a.成本考虑b.销售的数量 n2.硬件子系统总体组成硬

3、件子系统总体组成 硬件子系统的设计围绕嵌入式处理器进行。嵌入式系统硬件的一般结构如下图所示。n3.嵌入式处理器子系统嵌入式处理器子系统 通用微处理器通用微处理器 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器的特点：需要扩展、处理能力较强、支持大容量存储器寻址、一般适合于高端应用、型号多、通用性强。DSP DSP可分为定点DSP和浮点DSP两类。可编程器件可编程器件 可编程器件的采用需要考虑的因素：成本、速度、流片。n4.嵌入式存储器子系统嵌入式存储器子系统 在嵌入式系统中使用的存储器可以是内部存储器，也可以是外部存储器。嵌入式系统的存储器用于存放嵌入式系统的应用软

4、件。n5.附属电路和附属电路和I/O子系统子系统a.嵌入式处理器工作时必须有附属电路，如时钟电路、复位电路、调试 电路、监视定时器、译码器电路等。b.I/O接口电路，完成嵌入式处理器与外部设备之间的交互和数据通信。包括两大类：输入电路接口和输出电路接口。n6.调试子系统调试子系统 调试子系统通常指的是JTAG调试接口和BDM调试接口。3 嵌入式处理器的技术指标嵌入式处理器的技术指标 功能：主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种 类和数量。字长：指参与运算的数的基本位数，它决定了寄存器、运算器和数据 总线的位数，因而直接影响硬件的复杂程度。处理速度：在单位时间内各类指令的平均执行

5、条数。工作温度 功耗 寻址能力：取决于处理器地址线的数目。平均故障间隔时间：指在相当长的运行时间内，机器工作时间除以运 行期间内的故障次数。性能价格比 工艺：半岛体工艺和设计工艺。电磁兼容性指标：取决于器件的选择、电路的设计、工艺、设备的外 壳等。4 典型的嵌入式处理器介绍典型的嵌入式处理器介绍n1.Microchip系列嵌入式控制器系列嵌入式控制器 Microchip的PIC MCU系列嵌入式微控制器结合了高性能、低价格、小包装的特点，为工业生产提供了最佳的性能价格比。提供了5类的8位MPU来更好地满足用户的需要。n2.Philips LPC嵌入式控制器系列嵌入式控制器系列 Philips半

6、导体公司近年来推出的51LPC系列OTP（一次编程）嵌入式微控制器在基本结构、汇编指令等方面与80C51系列兼容，时钟频率可高达20 MHz。n3.Freescale 微控制器微控制器MC68HC08系列系列 MC68HC08系列有很多型号，主要特点有：采用模块化设计、含片内监控ROM、具有特色的FLASH取代片内EPROM和ROM、具有锁相环电路。n4.MCS-51系列嵌入式控制器系列嵌入式控制器/处理器处理器 MCS-51系列微控制器、微处理器是由Intel公司首先开发的嵌入式微处理器/微控制器。n5.Atmel公司的公司的AVR系列微控制器系列微控制器 Atmel公司产品的主要特点：以E

7、EPROM电可擦除及Flash技术为主导、多种封装形式和高质量、多种应用环境。n6.80C186系列系列16位嵌入式处理器位嵌入式处理器 80C186标准化内核不仅可以兼容16位微处理器家族。8088/8086的目标代码，还相应地提高了硬件和软件方面的性能。n7.MC68HC12系列处理器系列处理器 MC68HC12是Freescale公司开发的16位、兼容MC68HC11工业标准的嵌入式处理器，在工业上得到了广泛的应用。n8.PowerPC系列系列32位嵌入式处理器位嵌入式处理器 PowerPC由Freescale公司设计，用来满足从台式计算机CPU到高性能处理器、高集成度嵌入式MPU处理器

8、的不同需要。n9.ColdFire系列系列32位嵌入式处理器位嵌入式处理器 ColdFire处理器属于MC68000微处理器家族，ColdFire内核具有100的通用性，所以它们可以方便地被移植到新的用户设计中。n10.ARM系列系列 ARM（Advanced RISC Machines）介绍）介绍 ARM处理器的特点：小体积、低功耗、低成本、高性能；16位/32位双指令集；全球众多的合作伙伴。当前ARM体系结构有Thumb、DSP、Jazeller的扩展。10.ARM系列（系列（continued）ARM处理器系列处理器系列 ARM处理器有5个产品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM

9、10ARM10和SecurCore。ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10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。带带ARM内核嵌入式处理器芯片内核嵌入式处理器芯片a.ARM公司有着诸多合作伙伴b.Atmel公司生产带ARM内核的芯片 AT91方框图如右图所示。c.Cirrus Logic公司生产的带ARM内核的芯片 Cirrus Logic公司生产的带ARM内核芯片的主要应用领域为：手持计算、个人数字音频播放器和Internet电气设备。d.Intel公司生产的带ARM内核的芯片 Intel公司和Digital Equipment公司合作开发

10、了StrongARM系列处理器，现产权为Intel公司所有，另外，Intel公司还开发了XScale处理器。e.Samsung公司生产的带ARM内核的芯片 在Samsung公司生产的带ARM内核的芯片系列中，产品型号较多，其中包括PDA、网络及Flash产品系列。5 如何选择嵌入式处理器如何选择嵌入式处理器选择处理器可分为两个步骤：选择哪一类处理器，在通用处理器、嵌入式微控制器、嵌入式处理器、DSP、可编程器件之间做出选择。选择哪个厂家的产品。1.选择处理器的原则选择处理器的原则 够用原则够用原则a.低端简单应用 b.中端的复杂应用c.涉及数字信号处理和数学计算的应用 成本原则成本原则a.电路

11、的成本b.印制电路板的成本2.选择嵌入式处理器的具体方法选择嵌入式处理器的具体方法6 嵌入式处理器子系统的设计方法嵌入式处理器子系统的设计方法n1.设计原则设计原则 复用原则复用原则 设计人员在设计嵌入式应用系统时，应尽量使当前的设计工作成果可用于未来的设计中，一方面可以缩短设计的时间，另一方面也可以减少设计中出现错误的可能性。模块化原则模块化原则 所谓模块化原则，体现在嵌入式系统的硬件设计上自顶向下的设计思想。把整个硬件系统分成各个子系统，分别进行设计，在设计的每个阶段优化每个子模块的设计方案，一方面便于检查设计的缺陷，另一方面也为设计工作的复用打下基础。标准化原则标准化原则 这里所谓的标准

12、化，包括两个方面的含义：行业标准和自定义标准。n2.基于微控制器的设计基于微控制器的设计 典型设计的微控制器子系统电路。GND 1 20 19 18 17 16 14 13 7 6 C1 20pF C2 20pF Y1 6MHz VCC C3 0.1F 11 9 4 2 15 12 10 3 8 P0.0(CMP2)P1.0(TXD)P0.1(CIN2B)P1.1(RXD)P0.2(CIN2A)P1.2(SCL)P0.3(CIN1B/AD0)P1.3(SDA/INT0)P0.4(CIN1A/AD1)P1.4(INT1)P0.5(CMPREF/AD2)P1.5(RST)P0.6(CMP1/AD3

13、)P1.6 P0.7(T1)P1.7 P2.0(X2)VDD P2.1(X1)VSS 5 P87LPC767 GND U1 最小系统的设计最小系统的设计 微控制器本身的支持电路。GND +C1 22F RESET R1 1k C2 C3 20pF 20pF Y1 11.0592MHz RESET RD*WR*RD WR RESET X1 X2 T0 T1 INT0 INT1 P11 P10 P13 P12 P15 P14 P17 P16 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 18 19 17 16 9 31 U1 8051 P20 P01 P00 P03 P02 P05 P0

14、4 P07 P06 P22 P21 P24 P23 P26 P25 RXD P27 TXD ALE/P PSEN 10 RXD 11 TXD 30 ALE 29 PSEN*21 38 39 36 37 34 35 32 33 23 22 25 24 27 26 28 AB12 AB13 AB15 AB14 AB8 AB9 AB11 AB10 AB4 AB5 AB7 AB6 AB0 AB1 AB3 AB2 12 15 19 16 2 5 9 6 8 14 18 17 11 3 7 D3 D4 D6 D5 ALE D0 D2 D1 GND 1 U2 SN74LS373DW(20)D7 13 4 D

15、3 D4 D6 D5 D0 D2 D1 D7 OE LE Q3 Q4 Q6 Q5 Q0 Q2 Q1 Q7 DB0.7 AB0.15 VCC EA/VP I/O部件的分别设计部件的分别设计 I/O部件完成微控制器与外部设备的接口，在设计微控制器子系统时，在微控制器的I/O引脚上定义需要连接的外部设备的网络标号即可。外部设备接口电路的设计可以分类进行，分类可以按照多种方法进行。例如，可以根据电路输入/输出的性质分为输入电路、输出电路，也可以根据外部电路实现的功能进行划分。n3.基于微处理器的最小系统设计基于微处理器的最小系统设计 设计处理器子系统设计处理器子系统 设计微处理器子系统时需要设计处理器

16、的地址总线、数据总线和控制总线。设计总线设计总线 总线主要传递以下4种信号：数据总线信号、地址总线信号、控制信号、辅助信号。设计设计I/O子系统子系统 对于嵌入式系统而言，I/O子系统与处理器子系统之间的连接大多不使用系统总线，而是直接连接在处理器的引脚上。小结小结1.嵌入式系统的硬件包括嵌入式处理器、存储器、I/O系统和外部设备。2.嵌入式处理器的原理、组成,3.嵌入式处理器的选型，4.嵌入式处理器子系统的设计.思考题思考题1.嵌入式系统的硬件有哪几个组成部分？2.设计嵌入式系统时，嵌入式系统的设计形式有哪几种？选择嵌入式系 统的设计形式需要从哪些方面考虑？3.通用处理器与嵌入式处理器有哪些

17、相同和不同的地方？4.常用的嵌入式处理器、控制器、数字信号处理器有哪些，各自有什么 特点，通常适用于哪些方面的应用？除了书上介绍的嵌入式处理器之 外，你还能提供哪些嵌入式处理器（型号和制造商）？5.选择嵌入式处理器需要考虑哪些因素？6.根据模块化和复用的原则，设计嵌入式微控制器系统时，需要设计哪 些电路？7.根据模块化和复用的原则，设计嵌入式微处理器子系统时，通常如何 设计？该子系统包括哪些单元电路？8.在嵌入式系统中，嵌入式微处理器子系统与存储器系统之间的连接信 号主要有哪些？与外部设备之间的连接方式是什么？9.嵌入式系统硬件设计的复用、模块化、标准化的意义是什么？10.通常，嵌入式微控制器和微处理器之间的区别和相同点分别是什么？一般地，它们适用于哪些方面的应用？