1、2022-7-211宇航学院飞行器控制系宇航学院飞行器控制系系统与仿真实验室系统与仿真实验室任课教师任课教师 刘永善刘永善嵌入式系统原理嵌入式系统原理2022-7-212课程简介课程简介v 课程名称：嵌入式系统原理课程名称：嵌入式系统原理v 成绩评定：出勤成绩评定：出勤1010分分+作业作业1010分分+实验实验1010分分+闭卷闭卷考试考试7070分分v 任课教师：刘永善（宇航学院飞行器控制系）任课教师：刘永善（宇航学院飞行器控制系）v 答疑地点：求是楼答疑地点：求是楼114#114#v 参考书目参考书目:1 孟祥莲主编孟祥莲主编.嵌入式系统原理及应用教程嵌入式系统原理及应用教程.清华大学出
2、版社清华大学出版社2 袁志勇等主编袁志勇等主编.嵌入式系统原理与应用技术嵌入式系统原理与应用技术.北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社3 徐端全编著徐端全编著.嵌入式系统原理与设计嵌入式系统原理与设计.北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社4 张毅刚等编著单片机原理与应用设计张毅刚等编著单片机原理与应用设计.电子工业出版社电子工业出版社2022-7-213第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述 *GoGov1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 *G
3、oGov1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 *GoGov1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用 *GoGov1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 *GoGov1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介 *GoGo本章参考：书目本章参考：书目1、2、32022-7-2141.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.1.1 1.1.1 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 计算机技术和微电子技术发展的结果计算机技术和微电子技术发展的结果u计算机的原分类法：巨型机、大型机、小型机、微机计算机的原分类法：巨型机、大型机、小型机、微机u计算机的现分
4、类法：计算机的现分类法：通用计算机通用计算机和和嵌入式系统嵌入式系统 应用：应用：嵌入式系统嵌入式系统无处不在无处不在u电信、网络、信息家电、工业控制、航天、军事、医疗等电信、网络、信息家电、工业控制、航天、军事、医疗等2022-7-215马达控制器车灯u嵌入式系统示例嵌入式系统示例汽车控制系统汽车控制系统尾灯控制尾灯控制系统系统后车门控后车门控制系统制系统前车门控前车门控制系统制系统座椅控制座椅控制系统系统发动器控发动器控制系统制系统所有的控所有的控制系统都制系统都是一个完是一个完整的嵌入整的嵌入式系统式系统2022-7-2161.1.1 嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念v嵌入式系统（嵌入式
5、系统（Embedded System）定义）定义 IEEE定义定义：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置装置（devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）专业定义专业定义：以应用为中心，以计算机技术为基础，软、：以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可剪裁，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、硬件可剪裁，可满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗和应用环境等严格要求的专用计算机系统。体积、功耗和应用环境等严格要
6、求的专用计算机系统。简单定义：简单定义：嵌入到对象体中的专用计算机系统。嵌入到对象体中的专用计算机系统。三个要素：嵌入、专用、计算机三个要素：嵌入、专用、计算机2022-7-2171.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点v由由三个要素三个要素引出的特点引出的特点 嵌入性嵌入性：嵌入到对象体系中，满足对象系统的环境要求。：嵌入到对象体系中，满足对象系统的环境要求。如物理环境（小型）、电气环境（可靠）、成本（价廉）如物理环境（小型）、电气环境（可靠）、成本（价廉）等要求。等要求。专用性专用性：软、硬件可裁剪，按照对象要求进行配置。：软、硬件可裁剪，按照对象要求进行配置。计算机系统计算机系统：配
7、置接口电路的计算机系统，实现对象系：配置接口电路的计算机系统，实现对象系统的智能化控制功能。统的智能化控制功能。2022-7-2181.1.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点v 与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有的特点与通用计算机系统相比，嵌入式系统具有的特点 专用性强：专用性强：面向特定应用，完成特定功能面向特定应用，完成特定功能 系统内核小：系统内核小：采用专用中央处理器，系统配置够用即可采用专用中央处理器，系统配置够用即可 实时性要求高：实时性要求高：或不用操作系统，或选配实时操作系统或不用操作系统，或选配实时操作系统 运行环境苛刻：运行环境苛刻：对体积、功耗、可靠性、运行环境有严对
8、体积、功耗、可靠性、运行环境有严格要求格要求 程序固化：程序固化：运行程序固化在存储器芯片中运行程序固化在存储器芯片中 专用开发工具：专用开发工具：自身不具备自主开发能力，需专用开发自身不具备自主开发能力，需专用开发工具支持工具支持2022-7-219第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述v1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入
9、式处理器简介v1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介2022-7-21101.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述 v第一阶段第一阶段 以单芯片为核心的可编程控制器系统，主要用于专业性以单芯片为核心的可编程控制器系统，主要用于专业性强的工业控制和武器装备中，一般没有操作系统支持，强的工业控制和武器装备中，一般没有操作系统支持，通过汇编语言对系统进行直接控制。通过汇编语言对系统进行直接控制。特点：特点：u结构和功能相对单一结构和功能相对单一u效率较低效率较低u存储容量较小存储容量较小u几乎没有用户接口几乎没有用户接口2022-7-21111.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系
10、统的发展概述 v第二阶段第二阶段 以嵌入式中央处理器为基础，以简单操作系统为核心的以嵌入式中央处理器为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统嵌入式系统，应用面拓宽。应用面拓宽。特点：特点：uCPUCPU种类繁多种类繁多u通用性较弱通用性较弱u系统开销小系统开销小u操作系统只具有低度的兼容性和扩展性操作系统只具有低度的兼容性和扩展性2022-7-21121.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述 v第三阶段第三阶段 以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 特点：特点：u嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器上嵌入式操作系统能够运行于各种不同类型的处理器上
11、u操作系统内核精小、效率高、模块化程度高、具有文件和操作系统内核精小、效率高、模块化程度高、具有文件和目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、具有图形窗目录管理、支持多任务处理、支持网络操作、具有图形窗口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程口和用户界面等功能、具有大量的应用程序接口、开发程序简单、并且嵌入式应用软件丰富。序简单、并且嵌入式应用软件丰富。2022-7-21131.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述 v第四阶段第四阶段 以基于网络操作为标志的嵌入式系统，是一个正在迅速以基于网络操作为标志的嵌入式系统，是一个正在迅速发展的阶段。发展的阶段。越来越多的应用需要采用
12、支持网络功能的嵌入式系统，越来越多的应用需要采用支持网络功能的嵌入式系统，在嵌入式系统中使用网络操作系统成为发展趋势。在嵌入式系统中使用网络操作系统成为发展趋势。2022-7-2114第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述v1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介v1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介2
13、022-7-21151.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v 两大组成部分：两大组成部分：硬件、软件硬件、软件v 二层或三层结构（早期）：二层或三层结构（早期）：嵌入式系统硬件平台、嵌入式系统硬件平台、嵌入式操作系嵌入式操作系统（可选）、统（可选）、应用程序。应用程序。应用程序与应用程序与操作系统的接口操作系统的接口应用程序应用程序 嵌入式嵌入式 实时操作系统实时操作系统嵌入式系统嵌入式系统硬件平台硬件平台 操作系统与操作系统与 硬件的接口硬件的接口2022-7-21161.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v 四层结构：四层结构：嵌入式系统硬件平台、硬件抽象层（嵌入式系统硬件平台、硬件抽
14、象层（HALHAL）、嵌入式操）、嵌入式操作系统（作系统（RTOSRTOS）、应用程序。）、应用程序。嵌入式系统嵌入式系统硬件平台硬件平台硬件抽象层硬件抽象层（HAL）应用程序应用程序嵌入式实时操作系统嵌入式实时操作系统应用程序与操应用程序与操作系统的接口作系统的接口操作系统与操作系统与HAL的接口的接口HAL与硬件与硬件的接口的接口2022-7-21171.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v 增加增加硬件抽象层硬件抽象层HAL（Hardware Abstraction Layer）也称为板级支持包也称为板级支持包BSP（Board Support Package），主要目的），主要目的是
15、屏蔽下层硬件，使操作系统不再直接面对具体的硬件环境。是屏蔽下层硬件，使操作系统不再直接面对具体的硬件环境。HAL通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供通过特定的上层接口与操作系统进行交互，向操作系统提供底层硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。底层硬件信息，并根据操作系统的要求完成对硬件的直接操作。HAL的引入大大推动了嵌入式实时系统的通用化，为嵌入式系统的引入大大推动了嵌入式实时系统的通用化，为嵌入式系统的广泛应用提供了可能。的广泛应用提供了可能。v 1.3.1 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台v 1.3.2 硬件抽象层硬件抽象层v 1.3.3 嵌入式操作系统
16、嵌入式操作系统2022-7-21181.3.1 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台是以嵌入式系统硬件平台是以嵌入式处理器嵌入式处理器为核心，由为核心，由存储器存储器、I/OI/O单元电路单元电路、通信模块通信模块、外部设备外部设备等必要的辅助接口组成的，等必要的辅助接口组成的，如图所示。某些外围电路和外设可进行剪裁、定制。如图所示。某些外围电路和外设可进行剪裁、定制。USBLCD触摸屏触摸屏键盘键盘其他其他外外 设设电源模块电源模块时钟时钟复位复位外围电路外围电路微处理器微处理器MPUFlashROMRAM2022-7-21191.3.2 硬件抽象层硬件抽象层 硬件抽象层硬
17、件抽象层HAL通过通过HAL接口向操作系统和应用接口向操作系统和应用程序提供对硬件抽象后的服务。程序提供对硬件抽象后的服务。板级支持包板级支持包BSP是商用嵌入式操作系统实现可移植是商用嵌入式操作系统实现可移植性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。性所采用的一种方案，是硬件抽象层的一种实现。BSP隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件隔离了所支持的嵌入式操作系统与底层硬件平台之间的相关性，使嵌入式操作系统能够通用于平台之间的相关性，使嵌入式操作系统能够通用于BSP所支持的硬件平台，实现了嵌入式操作系统的可所支持的硬件平台，实现了嵌入式操作系统的可移植性、跨平台性、通用性和复用性。移植性、
18、跨平台性、通用性和复用性。2022-7-21201.3.2 硬件抽象层硬件抽象层BSPBSP是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对是相对于操作系统而言的，不同的操作系统对应于不同定义形式的应于不同定义形式的BSPBSP。例如，对应同一个例如，对应同一个CPUCPU来说，要实现同样的功能，来说，要实现同样的功能，VxWorksVxWorks的的BSPBSP和和LinuxLinux的的BSPBSP的写法和接口定义却完全的写法和接口定义却完全不同。不同。BSPBSP一定要按照具体操作系统一定要按照具体操作系统BSPBSP的定义形式来写的定义形式来写（或在某个成型的（或在某个成型的BSPBSP模板上
19、修改），保障与上层操作模板上修改），保障与上层操作系统的正确接口，良好地支持上层操作系统。系统的正确接口，良好地支持上层操作系统。2022-7-21211.3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统v 嵌入式操作系统完成系统初始化及嵌入式应用的嵌入式操作系统完成系统初始化及嵌入式应用的任务调度和控制等核心功能，其内核精简，具有任务调度和控制等核心功能，其内核精简，具有可配置特性，并与高层应用密切关联。可配置特性，并与高层应用密切关联。v 嵌入式操作系统的主要特点如下：嵌入式操作系统的主要特点如下：体积小（嵌入式系统内存容量小）体积小（嵌入式系统内存容量小）实时性强（实时操作系统实时性强（实时操作系统
20、RTOS，Real-Time Operating System）稳定性强、交互性弱（用户干预少）稳定性强、交互性弱（用户干预少）特殊的开发调试环境（提供完整的集成开发环境）特殊的开发调试环境（提供完整的集成开发环境）2022-7-21221.3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统驱动程序、驱动程序、HAL/BSP驱动层驱动层应用程序接口（应用程序接口（API）数据库数据库模块模块网络模块网络模块图形驱动图形驱动OS核核内存管理内存管理文件管理文件管理OS层层应用层应用层基本模块基本模块扩展模块扩展模块进程调度进程调度应用程序应用程序文件系统文件系统/图形用户接口图形用户接口硬件层硬件层2022-
21、7-2123第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述v1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介v1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介2022-7-21241.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。根据不同的分类标准，嵌入式系统有不同的分类方法。v 按嵌入式微
22、处理器的位数分类按嵌入式微处理器的位数分类 4位、位、8位、位、16位、位、32位、位、64位位.其中，其中，4 4位微处理器基本停用，位微处理器基本停用，8 8位、位、1616位嵌入式系统已经位嵌入式系统已经获得了大量应用，获得了大量应用，3232位嵌入式系统位嵌入式系统正成为主流发展趋势，正成为主流发展趋势，6464位嵌入式微处理器开始在一些高度复杂、高速处理的嵌入式系位嵌入式微处理器开始在一些高度复杂、高速处理的嵌入式系统中使用。统中使用。v 按有无操作系统分类按有无操作系统分类 有操作系统有操作系统（如基于（如基于ARM的嵌入式系统）的嵌入式系统）无操作系统无操作系统（如基于（如基于8
23、051单片机的嵌入式系统）单片机的嵌入式系统）2022-7-21251.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v 按软件实时性需求分类按软件实时性需求分类 非实时系统非实时系统（如（如PDA）软实时系统软实时系统（系统对响应时间有一定要求，如消费类产品）（系统对响应时间有一定要求，如消费类产品）硬实时系统硬实时系统（系统对响应时间有严格要求，如工业控制系（系统对响应时间有严格要求，如工业控制系统、军工系统）统、军工系统）v 按嵌入式系统的复杂程度分类按嵌入式系统的复杂程度分类 小型嵌入式系统小型嵌入式系统 中型嵌入式系统中型嵌入式系统 复杂嵌入式系统复杂嵌入式系统 2022-7-2126第第1章
24、章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统的发展概述v1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介v1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介2022-7-21271.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v 工业自动控制（智能仪表、数控机床等）工业自动控制（智能仪表、数控机床等）v 消费电子产品（手机、消费电子产品（手机、PDAPDA
25、、机顶盒等）、机顶盒等）v 网络通信设备（交换机、路由器等）网络通信设备（交换机、路由器等）v 航空航天设备（深空探测器等）航空航天设备（深空探测器等）v 军事电子设备和现代武器（雷达、导弹等）军事电子设备和现代武器（雷达、导弹等）v 汽车电子汽车电子v 医疗仪器医疗仪器2022-7-2128应用示例应用示例手机中的嵌入式系统手机中的嵌入式系统2022-7-2129手机（三星手机（三星S500）中的嵌入式系统）中的嵌入式系统2022-7-2130第第1章章 嵌入式系统概述嵌入式系统概述v1.1 1.1 嵌入式系统的概念与特点嵌入式系统的概念与特点v1.2 1.2 嵌入式系统的发展概述嵌入式系统
26、的发展概述v1.3 1.3 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成v1.4 1.4 嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类v1.5 1.5 嵌入式系统的应用嵌入式系统的应用v1.6 1.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介v1.7 1.7 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介2022-7-21311.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。全世界嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。全世界大约有大约有10001000多种嵌入式处理器，流行的体系结构有多种嵌入式处理器，流行的体系结构有3030多个系列，如多个系列，如MCS-51MCS-51、PICPIC、AVRAVR、ARM
27、ARM、DSPDSP等。等。v1.6.1 1.6.1 嵌入式处理器的概念嵌入式处理器的概念v1.6.2 1.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v1.6.3 1.6.3 嵌入式处理器的选型嵌入式处理器的选型2022-7-21321.6.1 嵌入式处理器的概念嵌入式处理器的概念v1.6.1.1 1.6.1.1 中央处理器的基本组成中央处理器的基本组成v1.6.1.2 1.6.1.2 嵌入式处理器的体系结构嵌入式处理器的体系结构v1.6.1.3 1.6.1.3 嵌入式处理器的指令体系嵌入式处理器的指令体系v1.6.1.4 1.6.1.4 嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点2022-7-2
28、1331.6.1.1 中央处理器的基本组成中央处理器的基本组成v中央处理器中央处理器CPUCPU（Central Process UnitCentral Process Unit）基本组成：）基本组成：运算器、控制器、寄存器组和内部总线运算器、控制器、寄存器组和内部总线2022-7-21341.6.1.2 嵌入式处理器的体系结构嵌入式处理器的体系结构 计算机系统一般由计算机系统一般由CPUCPU、存储器和、存储器和I/OI/O设备组成。嵌入式处理器的设备组成。嵌入式处理器的体系结构有以下两种类型：体系结构有以下两种类型：v 冯冯诺依曼（诺依曼（Von Neumann）体系结构）体系结构（普林斯
29、顿普林斯顿体系结构体系结构）程序指令和数据共用一个存储空间，程序存储区和数据存储区在同程序指令和数据共用一个存储空间，程序存储区和数据存储区在同一个存储器的不同物理位置。一个存储器的不同物理位置。采用单一的地址总线和数据总线，程序指令和数据的宽度相同。采用单一的地址总线和数据总线，程序指令和数据的宽度相同。缺点：高速运行时，形成传输瓶颈。缺点：高速运行时，形成传输瓶颈。v 哈佛（哈佛（Harvard）体系结构）体系结构 程序指令和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存程序指令和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。储
30、器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。程序程序存储器和数据存储器具有各自的数据总线与地址总线。程序程序存储器和数据存储器具有各自的数据总线与地址总线。优点：允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）优点：允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），提高了执行速度和数据吞吐率。和操作数（来自数据存储器），提高了执行速度和数据吞吐率。2022-7-21351.6.1.3 嵌入式处理器的指令体系嵌入式处理器的指令体系 指令系统可采用指令系统可采用精简指令集系统精简指令集系统RISC或或复杂指令集系统复杂指令集系统CISC。vCISC（C
31、omplex Instruction Set Computer）具有大量复杂指令，指令长度可变，寻址方式多样。具有大量复杂指令，指令长度可变，寻址方式多样。随着计算机技术的发展，不断引入新的复杂的指令集。为支随着计算机技术的发展，不断引入新的复杂的指令集。为支持这些新增的指令，计算机的体系结构越来越复杂。这增大持这些新增的指令，计算机的体系结构越来越复杂。这增大了硬件的复杂程度和指令的解码难度。了硬件的复杂程度和指令的解码难度。指令使用频率相差悬殊：大约有指令使用频率相差悬殊：大约有20%的指令会被反复使用，的指令会被反复使用，约占整个程序代码的约占整个程序代码的80%；而余下的；而余下的80
32、%的指令则不经常使的指令则不经常使用，在程序中只占用，在程序中只占20%，即指令的，即指令的2/8规律。显然，这种结构规律。显然，这种结构是不太合理的。是不太合理的。2022-7-21361.6.1.3 嵌入式处理器的指令体系嵌入式处理器的指令体系vRISC（Reduced Instruction Set Computer）指令长度固定，指令格式规整，指令种类少，寻址方式指令长度固定，指令格式规整，指令种类少，寻址方式种类少种类少。使用单周期指令，便于流水线操作执行。使用单周期指令，便于流水线操作执行。CPU大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行
33、操作，只有作，只有Load/StoreLoad/Store指令可以访问存储器，以提高指令指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率。的执行效率。2022-7-21371.6.1.3 嵌入式处理器的指令体系嵌入式处理器的指令体系RISC和和CISC之间的主要区别之间的主要区别指指 标标RISCCISC指令集指令集 一个周期执行一条指令，一个周期执行一条指令，通过简单指令的组合实现通过简单指令的组合实现复杂操作；指令长度固定复杂操作；指令长度固定 指令长度不固定，执行需指令长度不固定，执行需要多个周期要多个周期流水线流水线流水线每周期前进一步流水线每周期前进一步 指令的执行需要调用微代指令的执行需要
34、调用微代码的一个微程序码的一个微程序寄存器寄存器 更多通用寄存器更多通用寄存器用于特定目的的专用寄存器用于特定目的的专用寄存器Load/StoreLoad/Store结构结构 独立的独立的LoadLoad和和StoreStore指令指令完成数据在寄存器和外部完成数据在寄存器和外部存储器之间的传输存储器之间的传输 处理器能够直接处理存储处理器能够直接处理存储器中的数据器中的数据2022-7-21381.6.1.4 嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点v芯片种类繁多、功能多样、性能跨度大（以适应不同芯片种类繁多、功能多样、性能跨度大（以适应不同场合）场合）v芯片功耗低，支持灵活的功耗控制模式（节电
35、）芯片功耗低，支持灵活的功耗控制模式（节电）v处理器结构具有良好的可扩展性（内核为开放式结构）处理器结构具有良好的可扩展性（内核为开放式结构）v功能集成度高，功能集成度高，I/OI/O接口丰富接口丰富v强调高可靠性和安全性强调高可靠性和安全性v支持实时性和多任务支持实时性和多任务2022-7-21391.6 嵌入式处理器简介嵌入式处理器简介 全世界大约有全世界大约有10001000多种嵌入式处理器，流行的体系结多种嵌入式处理器，流行的体系结构有构有3030多个系列，如多个系列，如MCS-51MCS-51、PICPIC、AVRAVR、ARMARM、DSPDSP等。等。v1.6.1 1.6.1 嵌
36、入式处理器的概念嵌入式处理器的概念v1.6.2 1.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v1.6.3 1.6.3 嵌入式处理器的选型嵌入式处理器的选型2022-7-21401.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类 嵌入式处理器主要分为以下五类：嵌入式处理器主要分为以下五类：v 嵌入式微控制器嵌入式微控制器MCU（Micro Controller Unit）v 嵌入式微处理器嵌入式微处理器EMPU（Embedded Micro Processor Unit）v 数字信号处理器数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）v CPLD/FPGAv 片上系统
37、片上系统SoC（System on Chip）2022-7-21411.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（1 1）嵌入式微）嵌入式微控制器控制器MCU 嵌入式微控制器嵌入式微控制器又称单片机又称单片机，已经历了近，已经历了近30年的发展历史，年的发展历史，目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机单片机将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。它将整个计算机系统的主要硬件集成到一块芯片中。它一般以某种微处理器内核为核心，在一般以某种微处理器内核为核心，在芯片内部集成了芯片内部集成了RAM、ROM/EPROM、总线、总线逻辑、定时、
38、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出串行口、脉宽调制输出PWM、A/D、D/A、Flash等各种必要等各种必要功能部件和外设。功能部件和外设。为适应多种需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每为适应多种需求，一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，只是存储器和外设的配置种衍生产品的处理器内核都相同，只是存储器和外设的配置不同。不同。2022-7-21421.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（1 1）嵌入式微）嵌入式微控制器控制器MCU 特点特点u微控制器的最大特点是单片化，使应用系统的体积大大减微控制器的最
39、大特点是单片化，使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降，可靠性提高。小，从而使功耗和成本大幅度下降，可靠性提高。u衍生产品多，是目前嵌入式工业的主流、约占嵌入式系统衍生产品多，是目前嵌入式工业的主流、约占嵌入式系统70%的份额。的份额。u多是多是8位和位和16位处理器位处理器。典型代表典型代表u通用系列：通用系列：MCS-51、MCS-96/196/296、P51XAu半通用系列：支持半通用系列：支持USB接口的接口的8XC930/931，支持，支持I2C、CAN-BUS的专用的专用MCU等等2022-7-21431.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（1 1）嵌入式
40、微）嵌入式微控制器控制器MCU 优点优点u单片化、体积小、功耗低、成本低、可靠性高；单片化、体积小、功耗低、成本低、可靠性高；u基本无须扩展外设。基本无须扩展外设。缺点缺点u数据处理能力和处理速度有限，难以实现复杂运算；数据处理能力和处理速度有限，难以实现复杂运算；u没有操作系统；没有操作系统；u无网络功能无网络功能。适用领域适用领域u适合于小型控制系统适合于小型控制系统2022-7-21441.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（2 2）嵌入式微）嵌入式微处理器处理器EMPU 嵌入式微处理器由通用计算机微处理器演变而来嵌入式微处理器由通用计算机微处理器演变而来。与通用微处理器不同
41、的是，在实际嵌入式应用中，只保与通用微处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能部件，去除其他的冗余留与嵌入式应用紧密相关的功能部件，去除其他的冗余功能部分，配备必要的外围扩展电路，如存储器、功能部分，配备必要的外围扩展电路，如存储器、I/O接接口等，这样就能以很低的功耗和资源满足嵌入式应用的口等，这样就能以很低的功耗和资源满足嵌入式应用的特殊需求。特殊需求。另外，嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可另外，嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求高于通用微处理器。靠性方面的要求高于通用微处理器。2022-7-21451.6.2 嵌入式处理器的分类
42、嵌入式处理器的分类v（2 2）嵌入式微）嵌入式微处理器处理器EMPU 特点特点u功能和通用微处理器基本一样，字长一般为功能和通用微处理器基本一样，字长一般为16位或位或32位，位，具有较高的性能。具有较高的性能。u与工控计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积与工控计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高小、重量轻、功耗小、成本低、抗干扰能力强、可靠性高的特点。的特点。典型代表典型代表uARM/Strong（ARM公司）公司）uPower PC、68000（MOTOROLA公司）公司）uMIPS（MIPS公司）公司）2022-7-214
43、61.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（2 2）嵌入式微）嵌入式微处理器处理器EMPU 优点优点u嵌入式微处理器通用性好、处理能力强、可扩展性好、寻嵌入式微处理器通用性好、处理能力强、可扩展性好、寻址范围大、支持各种灵活的设计；址范围大、支持各种灵活的设计；u支持实时多任务操作系统；支持实时多任务操作系统；u市场庞大、技术开发全面。市场庞大、技术开发全面。适用领域适用领域u适用范围广，不限于某个具体的应用领域。适用范围广，不限于某个具体的应用领域。2022-7-21471.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（3 3）数字信号）数字信号处理器处理器DSP DSP处理器是
44、专门用于信号处理方面的处理器，其在系处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计。统结构和指令算法方面进行了特殊设计。DSP采用哈佛结构采用哈佛结构 和专用的硬件乘法器，支持密集的乘和专用的硬件乘法器，支持密集的乘法运算和特殊的寻址方式。法运算和特殊的寻址方式。在数字滤波、在数字滤波、FFT、频谱分析等各种仪器上、频谱分析等各种仪器上DSP获得了获得了大规模的应用大规模的应用。为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码为了追求高执行效率，不适合运行操作系统，核心代码使用汇编。使用汇编。2022-7-21481.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类
45、v（3 3）数字信号）数字信号处理器处理器DSP 典型代表典型代表uTMS320系列（系列（TI公司）公司）C2000系列（适合做控制器）系列（适合做控制器）C5000系列（低功耗）系列（低功耗）C6000系列（高性能，适用于多媒体处理）系列（高性能，适用于多媒体处理）uDSP56000系列（系列（Motorola公司）公司）uMCS-296（Intel公司）公司）2022-7-21491.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（3 3）数字信号）数字信号处理器处理器DSP 两类来源两类来源u数字信号处理单片化，通过数字信号处理单片化，通过EMC（电磁兼容）改造、增加（电磁兼容）改造、
46、增加片上外设，成为嵌入式片上外设，成为嵌入式DSP处理器。如处理器。如TI公司的公司的TMS320 C2000/C5000/C6000等。等。u在通用单片机或片上系统中增加在通用单片机或片上系统中增加DSP协处理器。如协处理器。如Intel公公司的司的MCS-296。适用领域适用领域u数字滤波数字滤波u频谱分析频谱分析uFFT2022-7-21501.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（4 4）CPLD/FPGA CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂，复杂可编程逻辑器件）与可编程逻辑器件）与FPGA（Field Programmable
47、 Gate Array，现场可编程门阵列）是一对同胞兄弟，基，现场可编程门阵列）是一对同胞兄弟，基本同步发展，只是侧重点稍有不同。本同步发展，只是侧重点稍有不同。CPLD/FPGA可以看做是一个包含大量门电路的逻辑元可以看做是一个包含大量门电路的逻辑元件，它的每一个门可以由使用者来定义。用户可以通过件，它的每一个门可以由使用者来定义。用户可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系统。个数字系统。CPLD和和FPGA最明显的特点是高速和高可靠性。最明显的特点是高速和高可靠性。2022-7-21511.6.2 嵌入式处理器的分类
48、嵌入式处理器的分类v（4 4）CPLD/FPGA CPLD/FPGA非常适合于时序、组合等逻辑电路应用场非常适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十块甚至上百块通用合，它可以替代几十块甚至上百块通用IC芯片。应用芯片。应用CPLD或或FPGA可以做成一个系统级芯片，具有可编程性可以做成一个系统级芯片，具有可编程性和实现方案容易修改的特点。用户通过软件仿真，可以和实现方案容易修改的特点。用户通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在事先验证设计的正确性。在PCB板完成以后，可以利用板完成以后，可以利用CPLD/FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改的在线修改能力，随时修改设计而不
49、必改动硬件电路。动硬件电路。使用使用CPLD和和FPGA来开发来开发ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路），可以大大减少在，专用集成电路），可以大大减少在出现成品芯片以后的反复修改，大大缩短产品开发周期。出现成品芯片以后的反复修改，大大缩短产品开发周期。2022-7-21521.6.2 嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v（4 4）CPLD/FPGA 可编程逻辑器件的结构类型可编程逻辑器件的结构类型u乘积项结构。基本结构为乘积项结构。基本结构为“与与”、“或或”逻辑阵列，由可逻辑阵列，由可编程熔丝确定编程熔丝确定“与与”“”“
50、或或”逻辑功能。逻辑功能。CPLD属于此类结属于此类结构。构。CPLD分解组合逻辑功能很强，适合用于设计译码等分解组合逻辑功能很强，适合用于设计译码等复杂组合逻辑。上电即可工作。复杂组合逻辑。上电即可工作。u查找表（查找表（Look-Up-Table，LUT）结构。由简单的）结构。由简单的LUT组组成可编程门，再构成阵列形式。成可编程门，再构成阵列形式。FPGA多属于此类结构。多属于此类结构。FPGA含有大量含有大量LUT和触发器，适合用于设计复杂时序逻和触发器，适合用于设计复杂时序逻辑。上电后需要程序加载过程。辑。上电后需要程序加载过程。2022-7-21531.6.2 嵌入式处理器的分类嵌
