1、嵌入式系统全册配套课件嵌入式系统全册配套课件2022-1-162022-1-162今日授课内容o 第一部分：第一部分：教学安排和要求教学安排和要求o 第二部分：嵌入式系统概述第二部分：嵌入式系统概述2022-1-163课程特点课程特点 本课程以本课程以ARM9微处理器微处理器S3C2410A为应用实例，介绍嵌为应用实例，介绍嵌入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特入式系统的基本原理、硬件结构和软件开发。具有如下特点：点：1、理论与实践相结合、理论与实践相结合2、软硬件结合、软硬件结合3、注重学以致用、工程动手能力的培养。、注重学以致用、工程动手能力的培养。2022-1-164教学内
2、容教学内容嵌入式系统技术嵌入式系统技术是本专业是本专业核心课程核心课程，教学内容包括：，教学内容包括： 嵌入式系统概论；嵌入式系统概论； ARM体系结构；体系结构； 嵌入式系统存储器结构与接口；嵌入式系统存储器结构与接口； 嵌入式系统输入输出接口技术；嵌入式系统输入输出接口技术； 嵌入式系统总线与通信接口；嵌入式系统总线与通信接口； 嵌入式操作系统介绍；嵌入式操作系统介绍； 嵌入式系统设计与开发；嵌入式系统设计与开发； 嵌入式系统应用实例分析。嵌入式系统应用实例分析。2022-1-165先修基础知识先修基础知识 模拟电路模拟电路 数字电路数字电路 计算机硬件基础计算机硬件基础 微机原理与接口技
3、术微机原理与接口技术 计算机操作系统计算机操作系统 C语言程序设计等语言程序设计等2022-1-166教材与参考书教材与参考书o 黄智伟等黄智伟等, ARM9嵌入式系统设计基础教程嵌入式系统设计基础教程. 北京航空航天北京航空航天大学出版社大学出版社o 王志英等王志英等,嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计. 高等教育出版社高等教育出版社o 杨刚等杨刚等, 嵌入式系统设计与实践嵌入式系统设计与实践. 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 o 符意德符意德, 嵌入式系统设计原理及应用嵌入式系统设计原理及应用. 清华大学出版社清华大学出版社o 2022-1-167教学目标（期望）教学目
4、标（期望） 掌握掌握嵌入式系统设计的基本原理、基本方法嵌入式系统设计的基本原理、基本方法； 熟悉熟悉ARM微处理器体系结构，掌握一套主流的开发工具微处理器体系结构，掌握一套主流的开发工具及其开发方法及其开发方法； 具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力具备嵌入式系统软、硬件开发设计的基本能力； 为进一步研究和处理实际工程问题打下基础为进一步研究和处理实际工程问题打下基础。 2022-1-168考核方式考核方式 课堂表现课堂表现占总成绩占总成绩10 教学实验教学实验占总成绩占总成绩30 闭卷考试闭卷考试占总成绩占总成绩60上课时间：上课时间： 单周单周2下午下午5、6节节 周周4下午下午5、6
5、节节 实验时间和地点待定。实验时间和地点待定。2022-1-169今日授课内容o 第一部分：第一部分：教学安排和要求教学安排和要求o 第二部分：嵌入式系统概述第二部分：嵌入式系统概述2022-1-1610嵌入式系统概述嵌入式系统概述什么是嵌入式系统？什么是嵌入式系统？2022-1-1611生活中的嵌入式系统生活中的嵌入式系统2022-1-1612嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义o IEEE:“Device used to control，monitor，or assist the operation of equipment，machinery or plants”.o 从技术的角度定义：以从
6、技术的角度定义：以应用应用为中心、以为中心、以计算机技术计算机技术为基础、为基础、软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的体积、功耗严格要求的专用计算机系统专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。术与各个行业的具体应用相结合后的产物。2022-1-1613嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统2022-1-1614马达控制器车灯嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统尾灯控制系统后车门控制系统前车门控制
7、系统座椅控制系统发动器控制系统所有的控制系统都是一个完整的嵌入式系统2022-1-1615即使远在火星即使远在火星火星与地球，这一对在星空中遥遥相望的“兄弟”，在2003年8月27日这一天，迎来6万年来“最亲密的接触”，火星距离地球最近达到55756622(5千多万)公里。面对6万年才有一次的机会，科学家们积极行动起来从6月开始，先后有欧洲的“火星快车”、美国“勇气号”和“机遇号”等三颗火星探测器飞往火星，而日本一颗本已在太空“迷失方向”的火星探测器也在关键时刻及时“醒”来，开始了久违的火星之旅。“勇气号”火星探测器2022-1-1616嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成o 嵌入式系统一般由嵌入
8、式嵌入式系统一般由嵌入式硬件和软件组成硬件和软件组成o 硬件系统一般由嵌入式微硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入处理器、存储器和输入输出部分组成，其中嵌入输出部分组成，其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件式微处理器是嵌入式硬件系统的核心。系统的核心。o 软件包括：初始化代码及软件包括：初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和驱动、嵌入式操作系统和应用程序等，这些软件有应用程序等，这些软件有机地结合在一起，形成系机地结合在一起，形成系统特定的一体化软件。统特定的一体化软件。2022-1-1617嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类用途用途o 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(Micro Controll
9、er Unit,MCU)o 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)o 嵌入式嵌入式DSP(Digital Signal Processor)o 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(System On Chip)2022-1-1618嵌入式微控制器嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称，它是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，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、等各种必要功能和外设。嵌入式处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位、32
10、位和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller ）特点特点：单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高；缺点缺点：MCU微控制器，总线宽度一般为4位、8位或16位，处理速度有限，一般在几个MIPS，进行一些复杂的应用很困难，运行操作系统就更难。2022-1-1619嵌入式微控制器嵌入式微控制器o 嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300、数目众多ARM芯片等。目前MCU占嵌入式系统约70的市
11、场份额。复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核2022-1-1620嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用计算机中的CPU发展而来，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。同时，其在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。 优点：优点：体积小、功耗低、成本低、可靠性高；缺点：缺点：片内周片电路不足，必须配备ROM，RAM，总线接口，各种外设接口等；2022-1-1621嵌
12、入式微处理器嵌入式微处理器o 嵌入式微处理器把嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及及I/O等做等做到同一个芯片上。到同一个芯片上。32位微处理器采用位微处理器采用32位的地址位的地址和数据总线，其地址空间达到了和数据总线，其地址空间达到了2324GB。目前。目前主流的主流的32位嵌入式微处理器系列主要有：位嵌入式微处理器系列主要有：n ARM系列系列n MIPS系列系列n PowerPC系列等。2022-1-1622ARM系列系列o ARM（Advanced RISC Machine）公司的公司的ARM微处理器微处理器体系结构目前被公认为是嵌入式应用领域领先的体系结构目前被公认为是嵌入式应
13、用领域领先的32位嵌入位嵌入式式RISC微处理器结构。微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了体系结构目前发展并定义了7种不同的版本。从版本种不同的版本。从版本1到版本到版本7，ARM体系的指令集功能体系的指令集功能不断扩大。不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。o 目前，目前，70%的移动电话、大量的游戏机、手持的移动电话、大量的游戏机、手持PC和机顶盒和机顶
14、盒等都已采用了等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。等公司。2022-1-1623MIPS系列系列o 美国斯坦福大学的美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的教授领导的研究小组研制的MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无互锁流水级的微处理器，无互锁流水级的微处理器）是世界上很流行的一是世界上很流行的一种种RISC处理器，其机制是处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中
15、尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题的数据相关问题。o 从从20世纪世纪80年代初期年代初期MIPS处理器发明到现在，处理器发明到现在，MIPS处理处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、器以其高性能的处理能力被广泛应用于宽带接入、路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、调制解调设备、电视、游戏、打印机、办公用品、DVD播播放等广泛的领域。放等广泛的领域。o 和和ARM公司一样，公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片，则必须得到
16、须得到MIPS公司的许可。公司的许可。2022-1-1624PowerPCo PowerPC是是Freescale（原（原Motorola）公司的产品。）公司的产品。PowerPC RISC处理器采用了处理器采用了超标量处理器设计超标量处理器设计和和调整内调整内存缓冲器存缓冲器，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的，修改了指令处理设计，它完成一个操作所需的指令数比指令数比CISC处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。o PowerPC内核内核采用独特分支处理单元采用独特分支处理单元可以让指令预取效率可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳
17、转指令，也不会影响大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。2022-1-1625嵌入式嵌入式DSP处理器处理器o DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部处理器是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件
18、乘法器，采用流水线操作，提供特殊的件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的快的CPU还快还快1050倍。在数字滤波、倍。在数字滤波、FFT、谱分析等各、谱分析等各种仪器上种仪器上DSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。o 1982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSP芯片。在语音合成和编码解芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。码器中得到了广泛应用。DSP的运算速度进一步提高，应的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。用领域
19、也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。2022-1-1626嵌入式嵌入式DSP处理器处理器o 有代表性的产品是有代表性的产品是Texas Instruments的的TMS320系列和系列和Motorola的的DSP56000系列。系列。o TMS320系列处理器包括用于控制的系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通系列，移动通信的信的C5000系列，以及性能更高的系列，以及性能更高的C6000和和C8000系列。系列。o Motorola公司的公司的DSP56000已经发展成为已经发展成为DSP56000，DSP56100,DSP56200和和DSP56300等几个不同系列的等几个不同系
20、列的处理器。处理器。2022-1-1627嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC)o SoC就是就是System on Chip，SoC是一种基于是一种基于IP（Intellectual Property）核嵌入式系统设计技术。核嵌入式系统设计技术。o 它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心，加或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，例如通用串行端口（上通信的接口单元，例如通用串行端口（USB）、）、TCP/IP通信单元、通信单元、GPRS通信接口、通信接口、GSM通信接口、通
21、信接口、IEEE1394、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。做成一个个独立的处理芯片。o SOC可以分为通用和专用两类。可以分为通用和专用两类。n通用系列包括通用系列包括Infineon(Siemens)的的TriCore，Motorola的的M-Core，Echelon和和Motorola联合研制的联合研制的Neuron芯片等。芯片等。n专用专用SOC一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是一般专用于某个或某类系统中。有代表性的产品是Philips的的Smart XA2022-1-1628SOC体
22、系结构体系结构SOC芯片已在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中广泛应用。2022-1-1629嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用随着社会经济的发展和科学技术的进步，嵌入式系统在消随着社会经济的发展和科学技术的进步，嵌入式系统在消费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都得到广费电子、工业应用、军事国防、网络设备等领域都得到广泛应用。泛应用。2022-1-1630嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用o 家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、家用方面：数字电视、信息家电、智能玩具、手持通讯、存储设备的核心。存储设备的核心。2022-1-1631嵌入式视频服务器嵌入式视频服务器20
23、22-1-1632现代化家庭现代化家庭2022-1-1633嵌入式嵌入式Internet应用应用2022-1-1634智能玩具与机器人智能玩具与机器人2022-1-1635嵌入式技术应用嵌入式技术应用工业控制工业控制o 工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技工业方面：机床、冶金、电子、交通、航空航天等行业技术升级的重要基础术升级的重要基础2022-1-1636军事侦察军事侦察阿富汗参加反恐作战的“赫耳墨斯”价值4万美元，可携带2架摄像机，发挥了很好作用。2022-1-1637反恐防暴反恐防暴2002年11月28日，以色列一选举投票点，发生枪击事件，造成至少7人死亡，数十人受伤。以警
24、方用机器人在检查一具巴勒斯坦枪手的尸体。2022-1-1638空中飞行器空中飞行器微型飞行器-“黑寡妇”2022-1-1639基于基于RTLinux的仿人机器人的仿人机器人2022-1-1640基于基于VXworks的火星探路者的火星探路者2022-1-1641基于基于OMAP5912的智能手持设备方案的智能手持设备方案2022-1-1642嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点1.系统内核小：系统内核小：嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此嵌入式系统一般应用于小型电子装置，系统资源有限，因此内核较传统的操作系统要小得多；内核较传统的操作系统要小得多；2.专用性强：专用性强：软、硬件
25、按对象要求裁剪，两者结合紧密；软、硬件按对象要求裁剪，两者结合紧密；软件的编译下载与系统相结合，软件的编译下载与系统相结合，“通用通用”、“升级升级”的概念的概念一般不适用；一般不适用；3.系统精简：系统精简：n没有系统软件和应用软件的区分没有系统软件和应用软件的区分2022-1-1643嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点4.嵌入式系统开发需要开发工具和环境嵌入式系统开发需要开发工具和环境用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；用户对其中程序功能进行修改必须一套开发工具和环境；开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助开发工具一般基于通用计算机上的软硬件设备以及各种辅助仪器；
26、仪器；主机：用于程序的开发；主机：用于程序的开发；目标机：最后的执行机；目标机：最后的执行机；开发是交替式的。开发是交替式的。2022-1-1644嵌入式系统开发特点嵌入式系统开发特点o 由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。一套专门的开发环境。o 该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境测试等工具），
27、采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。如图所示。2022-1-1645嵌入式系统的发展历史嵌入式系统的发展历史o 从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的从单片机的出现到今天各种嵌入式微处理器、微控制器的广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到广泛应用，嵌入式系统的应用可以追溯到20世纪世纪60年代中年代中期，例如阿波罗飞船的导航控制系统期，例如阿波罗飞船的导航控制系统AGC（Apollo Guidance Computer）。嵌入式系统的发展历程，大致。嵌入式系统的发展历程，大致经历了以下经历了以下4个阶段。个阶段。n（1）无操作系统阶段）无操作系统阶段n（2）简单操作系统阶段
28、）简单操作系统阶段n（3）实时操作系统阶段）实时操作系统阶段n（4）面向）面向Internet阶段阶段2022-1-1646无操作系统阶段无操作系统阶段o 单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控单片机是最早应用的嵌入式系统，单片机作为各类工业控制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些制和飞机、导弹等武器装备中的微控制器，用来执行一些单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，单线程的程序，完成监测、伺服和设备指示等多种功能，一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单一般没有操作系统的支持，程序设计采用汇编语言。由单片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，
29、在工业片机构成的这种嵌入式系统使用简便、价格低廉，在工业控制领域中得到了非常广泛的应用。控制领域中得到了非常广泛的应用。返回返回2022-1-1647简单操作系统阶段简单操作系统阶段o 20世纪世纪80年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入年代，出现了大量具有高可靠性、低功耗的嵌入式式CPU（如（如Power PC等），芯片上集成有微处理器、等），芯片上集成有微处理器、I/O接口、串行接口及接口、串行接口及RAM、ROM等部件，面向等部件，面向I/O设计的微设计的微控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系控制器在嵌入式系统设计应用。一些简单的嵌入式操作系统开始出现并得到迅速发展，
30、程序设计人员也开始基于一统开始出现并得到迅速发展，程序设计人员也开始基于一些简单的些简单的“操作系统操作系统”开发嵌入式应用软件。此时的嵌入开发嵌入式应用软件。此时的嵌入式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼式操作系统虽然还比较简单，但已经初步具有了一定的兼容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，容性和扩展性，内核精巧且效率高，大大缩短了开发周期，提高了开发效率。提高了开发效率。返回返回2022-1-1648实时操作系统阶段实时操作系统阶段o 20世纪世纪90年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和年代，面对分布控制、柔性制造、数字化通信和信息家电等巨大市场的需求，嵌
31、入式系统飞速发展。随着信息家电等巨大市场的需求，嵌入式系统飞速发展。随着硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩硬件实时性要求的提高，嵌入式系统的软件规模也不断扩大，实时多任务操作系统（大，实时多任务操作系统（Real-time Operation System，RTOS）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类）逐渐形成，系统能够运行在各种不同类型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多型的微处理器上，具备了文件和目录管理、设备管理、多任务、网络、图形用户界面（任务、网络、图形用户界面（Graphic User Interface，GUI）等功能，并提供了大量的应用程序接口）等功
32、能，并提供了大量的应用程序接口（Application Programming Interface，API），从而），从而使应用软件的开发变得更加简单。使应用软件的开发变得更加简单。返回返回2022-1-1649面向面向Internet阶段阶段o 进入进入21世纪，世纪，Internet技术与信息家电、工业控制技术等技术与信息家电、工业控制技术等的结合日益紧密，嵌入式技术与的结合日益紧密，嵌入式技术与Internet技术的结合正在技术的结合正在推动着嵌入式系统的飞速发展。推动着嵌入式系统的飞速发展。2022-1-16补充内容：相关基本知识补充内容：相关基本知识1.冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构
33、冯诺依曼体系结构与哈佛体系结构冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构特点：特点：数据和指令都存储在同一存数据和指令都存储在同一存储器中。储器中。通用通用PC，ARM 7。2022-1-16哈佛体系结构哈佛体系结构特点：特点：1. 数据存储器和程序都数据存储器和程序都存储分开；存储分开；2. 数据存储器的带宽较数据存储器的带宽较宽；宽；DSP、ARM9哈佛体系结构哈佛体系结构2022-1-16CISC & RISCo CISC（复杂指令集）（复杂指令集）n具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式n大多数程序只使用少量的指令就可以运行。大多数程序只使用少量的指令就可以运行。o RISC（精简指令
34、集）（精简指令集）n指令长度固定，指令类型很少指令长度固定，指令类型很少n数据处理指令只访问寄存器，与访问存储器的指令是分开数据处理指令只访问寄存器，与访问存储器的指令是分开的的n使使CPU硬件结构设计更为简单，缩短了开发周期，提高了硬件结构设计更为简单，缩短了开发周期，提高了性能。性能。2022-1-16流水线技术流水线技术o 几个指令可以并行执行几个指令可以并行执行o 提高了提高了CPU的运行效率的运行效率o 流水线技术中的流水线技术中的“写后读写后读”、“延迟转移延迟转移”2022-1-16超标量执行超标量执行o 采用多条流水线结构采用多条流水线结构2022-1-16CACHEo Cac
35、he的内容是部分主存储器内容的拷贝；的内容是部分主存储器内容的拷贝；o CPU 对高速缓存（对高速缓存（Cache）的读写速度比对内存读写）的读写速度比对内存读写的速度快得多；的速度快得多；2022-1-1656课程回顾课程回顾o 嵌入式系统定义嵌入式系统定义o 嵌入式系统组成嵌入式系统组成o 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类o 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用2022-1-1657谢 谢！CHAPTER 2ARM体系结构体系结构2022-1-1659内容提要内容提要嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础ARM概述概述ARM微处理器结构微处理器结构ARM运行模式与寄存器运行模式与寄存器A
36、RM的异常处理的异常处理ARM的存储器结构的存储器结构2022-1-1660嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统的硬件通常由嵌入式系统的硬件通常由嵌入式处嵌入式处理器理器和和嵌入式外围设备嵌入式外围设备构成。构成。嵌入式处理器可分为：嵌入式处理器可分为： 嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU 嵌入式微处理器嵌入式微处理器MPU 嵌入式嵌入式DSP 嵌入式嵌入式SOC2022-1-1661嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础o RISC和和CISCo 冯冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构o 流水线流水线o 嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器体系结构o 嵌入式外围
37、设备嵌入式外围设备2022-1-1662微处理器架构体系微处理器架构体系o CISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）n具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变n8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的指令的指令n大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。o RISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)n只包含最有用的指令，指令长度固定只包含最有用的指令，指令长度固定n确保数据通道快速执行每一
38、条指令确保数据通道快速执行每一条指令n使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单2022-1-1663CISC的背景和特点的背景和特点o 背景背景:存储资源紧缺存储资源紧缺,强调编译优化强调编译优化o 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统来实现来实现o 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少令可长可短，操作数可多可少o 寻址方式复
39、杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器器o 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列o CPI，指令越复杂，指令越复杂，CPI越大。越大。2022-1-1664CISC的主要缺点的主要缺点o 指令使用频度不均衡。指令使用频度不均衡。n高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。指令往往是低频度指令。o 大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺工艺nVLSI的
40、出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比微码的存控速度比CPU慢慢5-10倍倍)。o 软硬功能分配软硬功能分配n复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。接访存次数增多，数据重复利用率低。o 不利于先进指令级并行技术的采用不利于先进指令级并行技术的采用n流水线技术流水线技术2022-1-1665CISC与与RISC的对
41、比的对比2022-1-1666RISC和和CISC的发展的发展o 尽管尽管RISC架构有不少优点，但决不能认为架构有不少优点，但决不能认为RISC架构就可架构就可以取代以取代CISC架构，事实上，架构，事实上，RISC和和CISC各有优势，而各有优势，而且界限并不那么明显。现代的且界限并不那么明显。现代的CPU往往采用往往采用CISC的外围，的外围，内部加入了内部加入了RISC的特性，如超长指令集（的特性，如超长指令集（VLSW）CPU就是融合了就是融合了RISC和和CISC的优势，成为未来的的优势，成为未来的CPU发展方发展方向之一。向之一。2022-1-1667冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系
42、结构2022-1-1668哈佛体系结构哈佛体系结构2022-1-1669流水线流水线(Pipeline)技术技术o 基本思想：基本思想：n将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都将一个重复的时序分解成若干个子过程，而每一个子过程都可以有效地在其专有功能段上与其他子过程同时执行。可以有效地在其专有功能段上与其他子过程同时执行。o 提高了提高了CPU的运行效率的运行效率o 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动2022-1-1670ARM7TDMI指令流水线指令流水线该例中用该例中用6个时钟周期执行了个时钟周期执行了6条指令条指令所有的操作都在寄存器中（单周期执行）所有的操作都在
43、寄存器中（单周期执行）指令周期数指令周期数(CPI)=12022-1-1671LDR流水线流水线2022-1-1672嵌入式外围设备嵌入式外围设备嵌入式系统外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了嵌入式系统外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了核心控制部件以外的完成存储、通信、保护、调试和显示核心控制部件以外的完成存储、通信、保护、调试和显示等辅助功能的其他部件。等辅助功能的其他部件。1、存储器类型、存储器类型 静态易失型存储（静态易失型存储（RAM、SRAM） 动态存储器（动态存储器（DRAM、SDRAM） 非易失型存储器（非易失型存储器（ROM、EPROM、E2PROM、Flash）2、
44、接口类型、接口类型RS232、IRDA、SPI、I2C、USB、Ethernet等等3、显示类型：、显示类型： CRT LCD 触摸屏触摸屏2022-1-1673内容提要内容提要嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础ARM概述概述ARM微处理器结构微处理器结构ARM运行模式与寄存器运行模式与寄存器ARM的异常处理的异常处理ARM的存储器结构的存储器结构2022-1-1674ARM 微处理器微处理器ARM公司简介公司简介o成立于成立于19901990年年1111月月n前身为前身为 AcornAcorn计算机公司计算机公司nAdvance RISC Machine(ARM)Advance RISC
45、Machine(ARM)o主要设计主要设计ARMARM系列系列RISCRISC处理器内核处理器内核o授权授权ARMARM内核给生产和销售半导体的合作伙伴内核给生产和销售半导体的合作伙伴nARM ARM 公司不生产芯片公司不生产芯片nIP(Intelligence PropertyIP(Intelligence Property，知识产权，知识产权) )o另外也提供基于另外也提供基于ARMARM架构的开发设计技术架构的开发设计技术n软件工具软件工具, , 评估板评估板, , 调试工具调试工具, ,应用软件应用软件, ,n总线架构总线架构, , 外围设备单元，等等外围设备单元，等等2022-1-1
46、675ARM 公司公司England：Cambridge, Maidenhead, Sheffield, BlackburnGermany：MunichFrance：Paris, Sophia AntipolisKorea：SeoulUS：Seattle, Los Gatos, Walnut Creek, Austin, Boston, San DiegoChina：Taiwan and ShanghaiJapan：Shin-Yokohama (Tokyo)800+ 雇员雇员全球全球2022-1-1676ARM公司合作伙伴公司合作伙伴2022-1-1677ARM微处理器的应用领域微处理器的应用
47、领域o ARM微处理器的应用领域微处理器的应用领域n 工业控制领域工业控制领域n 无线通讯领域无线通讯领域 n 网络应用网络应用n 消费类电子产品消费类电子产品 n 成像和安全产品成像和安全产品到目前为止，基于到目前为止，基于ARMARM技术的微处理器应用约占据了技术的微处理器应用约占据了3232位嵌入式微处理位嵌入式微处理器器7575以上的市场份额。以上的市场份额。全球全球80%80%的的GSM/3GGSM/3G手机、手机、99%99%的的CDMACDMA手机以及绝大多数手机以及绝大多数PDAPDA产品均采用产品均采用ARMARM体系的嵌入式处理器，体系的嵌入式处理器，“掌上计算掌上计算”相
48、关的所有领域皆为其所主宰。相关的所有领域皆为其所主宰。ARMARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。2022-1-1678ARM产品产品Lexmark Z52 Color JetprinterSamsung ML5100AJVC Pixstar GC-X1HP Jornado 820Psion Revo PlusHP CapShareSony MZ-R90 MiniDiscNokia 8810Nokia MediamasterNintendoGameboyAdvanceEricssonR380Alba BushInternet TV3Com10/100
49、 PCI NICIomega HipZipDiamond Multimedia Rio 6002022-1-1679内容提要内容提要嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础ARM概述概述ARM微处理器结构微处理器结构ARM运行模式与寄存器运行模式与寄存器ARM的异常处理的异常处理ARM的存储器结构的存储器结构2022-1-1680ARM体系结构体系结构o 一个典型的一个典型的ARM体系结体系结构方框图如右图所示，包构方框图如右图所示，包含有含有32位位ALU、31个个32位通用寄存器及位通用寄存器及6个个状态寄存器、状态寄存器、328位位乘法器乘法器3232位桶形移位桶形移位寄存器、指令译码及控位
50、寄存器、指令译码及控制逻辑、指令流水线和数制逻辑、指令流水线和数据地址寄存器等。据地址寄存器等。2022-1-1681ARM处理器核简介处理器核简介o ARM公司开发了很多系列的公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前最新的处理器核，目前最新的系列已经是系列已经是ARM11了，而了，而ARM6核以及更早的系列已经核以及更早的系列已经很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：很罕见了。目前应用比较广泛的系列是：2022-1-1682ARM处理器的分类处理器的分类2022-1-1683ARM的发展的发展2022-1-1684ARM家族家族2022-1-1685ARM7系列系列o ARM7系列是为低功耗的
