1、嵌入式系统原理及应用嵌入式系统原理及应用第二讲、嵌入式系统体系第二讲、嵌入式系统体系嵌入式系统体系嵌入式系统体系q学习目的学习目的 学会从不同的视角去分析嵌入式计算机系统与微学会从不同的视角去分析嵌入式计算机系统与微型计算机系统之间的关系型计算机系统之间的关系 掌握四种典型的嵌入式处理器体系基本特点并了掌握四种典型的嵌入式处理器体系基本特点并了解各类处理器的代表产品解各类处理器的代表产品嵌入式系统体系嵌入式系统体系OutLineq嵌入式系统与微机系统嵌入式系统与微机系统q嵌入式微控制器嵌入式微控制器q嵌入式嵌入式DSP处理器处理器q嵌入式微处理器嵌入式微处理器q嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（
2、SOC）q一些特殊的嵌入式系统体系一些特殊的嵌入式系统体系嵌入式系统与微机系统嵌入式系统与微机系统q过去：源于微机系统嵌入式化过去：源于微机系统嵌入式化q现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系结构上没有脱离微机的范畴，技术上不断吸结构上没有脱离微机的范畴，技术上不断吸纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点q未来：从微机体系中完全独立？未来：从微机体系中完全独立？Review:嵌入式系统体系分类嵌入式系统体系分类嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EMCU）嵌入式嵌入式DSP处理器（处理器（EDSP）嵌入式微处理器（嵌入式微
3、处理器（EMPU）嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SOC）嵌入式嵌入式处理器处理器嵌入式微控制器嵌入式微控制器q嵌入式微控制器（MicroController Unit MCU）典型代表是单片机。单片机芯片内部集成了ROM/EPROM（可擦可编程只读存储器）、RAM、总线、定时器、看门狗、I/O、A/D、D/A等各种功能和外设。微控制器的片上外设资源丰富，适合于控制，因此称为微控制器。代表性的有：8051、MCS-251、MCU 8xc930嵌入式微控制器嵌入式微控制器q结构特点结构特点 集成度较高，计算机集成度较高，计算机5大部件全部包含在一个芯大部件全部包含在一个芯片内片内 接口功能齐全接口
4、功能齐全 产品结构简单产品结构简单Review：嵌入深度划分：嵌入深度划分q嵌入式系统嵌入式系统(ES)的嵌入深度的嵌入深度ED=F(计算机大计算机大小小;芯片工艺芯片工艺;系统复杂程度不同系统复杂程度不同;使用环境条使用环境条件件;以及其它原因以及其它原因)qA级级 浅嵌入，微处理器为核心浅嵌入，微处理器为核心 qB级级 中等嵌入，微控制器为核心中等嵌入，微控制器为核心 qC级级 中等嵌入，数字微处理器为核心中等嵌入，数字微处理器为核心 qD级级 深嵌入，片上系统为核心深嵌入，片上系统为核心 Review:从从8位单片机开始位单片机开始q1972年年Intel公司的公司的8008是是8位单片
5、机的雏位单片机的雏形形q1976年年Intel公司推出公司推出MCS-48，是真正意，是真正意义上的义上的8位单片机位单片机q单片机的出现标志着单片机的出现标志着嵌入式系统开始独立发嵌入式系统开始独立发展展8位单片机发展历程位单片机发展历程q1972年年Intel公司的公司的8008是是8位单片机的雏位单片机的雏形形q1976年年Intel公司推出公司推出MCS-48，是真正意，是真正意义上的义上的8位单片机位单片机q这类单片机不带串行接口，寻址范围一般在这类单片机不带串行接口，寻址范围一般在4KB内。其功能可满足一般工业控制和智能内。其功能可满足一般工业控制和智能化仪器等的需要化仪器等的需要
6、q MOSTEK公司的公司的3870等也是这类单片机的等也是这类单片机的代表代表q这一时期是微处理器的低端时期这一时期是微处理器的低端时期8位单片机发展历程位单片机发展历程qIntel公司于公司于1980年推出的年推出的MCS-51奠定了奠定了单片微型计算机的经典体系结构单片微型计算机的经典体系结构q不久实施了不久实施了8051的技术开放政策的技术开放政策qPHILIPS公司作为全球著名的电器商以其在公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势，着力发展电子应用系统的优势，着力发展80C51的控的控制功能及外围单元。将制功能及外围单元。将MCS-51的单片微型的单片微型计算机迅速地推进到计
7、算机迅速地推进到80C51的的MCU时代，形时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。品。8位单片机发展历程位单片机发展历程q世界上很多知名芯片厂商都开始生产世界上很多知名芯片厂商都开始生产51架构架构的单片机的单片机q51单片机到目前仍然在低端的嵌入式应用中单片机到目前仍然在低端的嵌入式应用中独领风骚独领风骚q这类单片机带有串行接口，寻址范围可达这类单片机带有串行接口，寻址范围可达64KB，有多级中断处理系统、，有多级中断处理系统、16位定时器位定时器计数器。其功能较强，是目前应用的主要产计数器。其功能较强，是目前应用的主要产品品8位单片机发展历
8、程位单片机发展历程q这一类单片机的代表还有这一类单片机的代表还有PIC16F8系列、系列、AT90S4433（AVR）、）、MOTOROLA公司公司的的Z8和和NEC公司的公司的MPD7800等产品等产品q这一时期，这一时期，8位单片机步入高端时期位单片机步入高端时期8位单片机发展历程位单片机发展历程q目前的目前的8位单片机在原有架构的基础上向高速、多位单片机在原有架构的基础上向高速、多功能、低功耗等方向发展功能、低功耗等方向发展qCygnal C8051F对对80C51的技术突破的技术突破-采用采用CIP-51内核大力提升内核大力提升CISC结构运行速度结构运行速度-I/O从固定方式到交叉开
9、关配置从固定方式到交叉开关配置-从系统时钟到时钟系统从系统时钟到时钟系统-从传统的仿真调试到基于从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调接口的在系统调试试-从引脚复位到多源复位从引脚复位到多源复位-最小功耗系统的最佳支持最小功耗系统的最佳支持16位单片机位单片机qMOSTEK公司于公司于1982年首先推出了年首先推出了16位单位单片机片机68200qINTEL公司于公司于1983年推出年推出16位单片机位单片机8096q与与8位单片机相比速度和控制功能大幅度提位单片机相比速度和控制功能大幅度提高，具有很强的实时处理能力高，具有很强的实时处理能力Review:嵌入式系统体系分类嵌入式系统体系
10、分类嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EMCU）嵌入式嵌入式DSP处理器（处理器（EDSP）嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（EMPU）嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SOC）嵌入式嵌入式处理器处理器嵌入式嵌入式DSP处理器处理器q嵌入式DSP处理器 （Digital Signal Prosessor DSP）是专门用于信号处理方面的处理器。在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计。在信号处理方面的速度特别快，成为语音处理、图像处理技术的基础。在通信领域使用广泛。典型代表是：TI 公司的TMS320c2000/c5000系列。嵌入式嵌入式DSP处理器处理器q结构特点结构特点 集成度高，在硬件结构集成的
11、基础上还有功能的集成度高，在硬件结构集成的基础上还有功能的集成集成 功能相对单一功能相对单一 一般作为协处理器一般作为协处理器Review：嵌入深度划分：嵌入深度划分q嵌入式系统嵌入式系统(ES)的嵌入深度的嵌入深度ED=F(计算机大计算机大小小;芯片工艺芯片工艺;系统复杂程度不同系统复杂程度不同;使用环境条使用环境条件件;以及其它原因以及其它原因)qA级级 浅嵌入，微处理器为核心浅嵌入，微处理器为核心 qB级级 中等嵌入，微控制器为核心中等嵌入，微控制器为核心 qC级级 中等嵌入，数字微处理器为核心中等嵌入，数字微处理器为核心 qD级级 深嵌入，片上系统为核心深嵌入，片上系统为核心 Revi
12、ew:嵌入式系统与微机系统嵌入式系统与微机系统q过去：源于微机系统嵌入式化过去：源于微机系统嵌入式化q现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系结构上没有脱离微机的范畴，技术上不断吸结构上没有脱离微机的范畴，技术上不断吸纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点q未来：从微机体系中完全独立？未来：从微机体系中完全独立？Review:嵌入式系统体系分类嵌入式系统体系分类嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EMCU）嵌入式嵌入式DSP处理器（处理器（EDSP）嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（）嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SOC）嵌入
13、式嵌入式处理器处理器EMCU2.4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器OutLineq嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点q与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较q与与DSP处理器之间的比较处理器之间的比较q与通用微机与通用微机CPU的比较的比较q代表产品介绍代表产品介绍2.4.1 嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点一、嵌入式微处理器 （Embedded MicroProsessor Unit EMPU）q32位以上、处理能力强位以上、处理能力强q工作温度、抗电磁干扰、可靠性工作温度、抗电磁干扰、可靠性q体系架构上以体系架构上以 架构为主流架构为主流q ：A级级嵌入深度嵌入深度RISCRev
14、iew:RISC设计思想设计思想q指令系统大多选取简单指令，而且大多数指令单周指令系统大多选取简单指令，而且大多数指令单周期完成。期完成。q采用采用LOADSTORE结构，只有取数存数指令访结构，只有取数存数指令访问存储器。问存储器。q采用固定的指令格式，较少的指令数和寻址方式。采用固定的指令格式，较少的指令数和寻址方式。q以硬布线控制为主，不用或少用微指令码控制。以硬布线控制为主，不用或少用微指令码控制。q采用面向寄存器的结构。采用面向寄存器的结构。q十分重视提高流水线的执行效率的设计。十分重视提高流水线的执行效率的设计。q特别注重采用编译优化技术，减少程序执行时间。特别注重采用编译优化技术
15、，减少程序执行时间。Review：嵌入深度划分：嵌入深度划分q嵌入式系统嵌入式系统(ES)的嵌入深度的嵌入深度ED=F(计算机大计算机大小小;芯片工艺芯片工艺;系统复杂程度不同系统复杂程度不同;使用环境条使用环境条件件;以及其它原因以及其它原因)qA级级 浅嵌入，微处理器为核心浅嵌入，微处理器为核心 qB级级 中等嵌入，微控制器为核心中等嵌入，微控制器为核心 qC级级 中等嵌入，数字微处理器为核心中等嵌入，数字微处理器为核心 qD级级 深嵌入，片上系统为核心深嵌入，片上系统为核心 二、二、EMPU功能特点功能特点q实时性实时性q存储区的保护存储区的保护q可扩展性可扩展性q低功耗低功耗1、实时性
16、、实时性q 的要求的要求q硬实时与软实时硬实时与软实时q关键因素：中断响应时间关键因素：中断响应时间q问题：问题：划分时间片的原则划分时间片的原则 共享资源的管理共享资源的管理 避免不可中断进程由于时间片的切换而被强行打断避免不可中断进程由于时间片的切换而被强行打断实时多任务一个实时多任务控制的例子一个实时多任务控制的例子按键任务时间到？开始任务切换SCSI命令接收任务时间到？SCSI数据传输任务时间到？机械运动控制任务时间到？YYYYNNNN二、二、EMPU功能特点功能特点q实时性实时性q存储区的保护存储区的保护q可扩展性可扩展性q低功耗低功耗2、存储区的保护、存储区的保护q为什么需要保护存
17、储区为什么需要保护存储区q 功能功能qMMU实例实例MMU高速缓存的MMU存储器系统MMU功能功能q虚拟地址到物理地址映射虚拟地址到物理地址映射q存储器访问权限存储器访问权限(permissions)控制控制q高速缓存高速缓存qTranslation Lookaside Buffers(TLBs)二、二、EMPU功能特点功能特点q实时性实时性q存储区的保护存储区的保护q可扩展性可扩展性q低功耗低功耗3、可扩展性、可扩展性q片外扩展片外扩展q片内扩展片内扩展q例子例子MPC860功能扩展功能扩展基于ARM内核扩展SATA、SAS传输接口，并集成了独立于操作系统的RAID功能 多核扩展多核扩展二、
18、二、EMPU功能特点功能特点q实时性实时性q存储区的保护存储区的保护q可扩展性可扩展性q低功耗低功耗4、低功耗、低功耗q由嵌入式系统的应用场合决定q高时钟频率与低功耗的矛盾q嵌入式系统低功耗相关技术 嵌入式低功耗技术嵌入式低功耗技术q尽量选用尽量选用CMOS集成电路集成电路 q采用低电压供电采用低电压供电 q尽量使用尽量使用“高速低频高速低频”工作方式工作方式q充分利用微处理器上集成的功能充分利用微处理器上集成的功能 q利用软件降低功耗利用软件降低功耗 2.4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器OutLineq嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点q与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较q与与D
19、SP处理器之间的比较处理器之间的比较q与通用微机与通用微机CPU的比较的比较q代表产品介绍代表产品介绍2.4.2 与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较EMPUEMCU嵌入程度嵌入程度AB字长字长32位以上位以上4位、位、8位、位、16位位时钟频率时钟频率50M400M，甚至，甚至更高更高一般一般50M以下以下处理速度处理速度高高一般一般应用场合应用场合复杂、综合系统控复杂、综合系统控制制控制相对简单、针对控制相对简单、针对性比较强的系统性比较强的系统需要的情况下配置需要的情况下配置一般不配置一般不配置操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统q操作系统的作用操作系统的作用q操作系统，要还是不
20、要？操作系统，要还是不要？q常见嵌入式操作系统常见嵌入式操作系统 cOS cLinux WinCE VxWorks2.4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器OutLineq嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点q与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较q与与DSP处理器之间的比较处理器之间的比较q与通用微机与通用微机CPU的比较的比较q代表产品介绍代表产品介绍2.4.3 与与DSP处理器之间的比较处理器之间的比较EMPUEDSP嵌入程度嵌入程度AC字长字长32位以上位以上8位、位、16位、位、24位、位、32位位技术侧重技术侧重 处理器整体性能处理器整体性能算数运算性能算数运算性能应用场合应用场合
21、主控处理器主控处理器协处理器协处理器2.4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器OutLineq嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点q与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较q与与DSP处理器之间的比较处理器之间的比较q与通用微机与通用微机CPU的比较的比较q代表产品介绍代表产品介绍2.4.4 与通用微机与通用微机CPU的比较的比较MPUPC-CPU功耗功耗较小较小较大较大体积体积较小较小较大较大功能集成度功能集成度高高低低软件存储软件存储ROM磁盘磁盘开发环境开发环境需要专门的需要专门的可以可以 自举开发开发环境自举开发与交叉开发自举开发与交叉开发q自举开发自举开发q交叉开发交叉开发嵌入式开发环
22、境嵌入式开发环境1、通过PC机上的软件开发平台编辑软件代码并生成目标码2、通过各种仿真器、下载线将目标码烧录到目标系统的程序存储芯片3、调试运行嵌入式系统与通用微机系统嵌入式系统与通用微机系统q嵌入式系统并非独立于通用微机系统的孤立嵌入式系统并非独立于通用微机系统的孤立存在存在q二者有区别有联系二者有区别有联系q在很多场合混合应用在很多场合混合应用多体系多级系统多体系多级系统通用微机系统EMPU系统EDSP系统EMCU系统EMCU系统EMCU系统数字信号端口控制端口控制端口控制端口多级控制结构的例子多级控制结构的例子PC机EMPU选毛分毛控制模块EMPU打孔插毛控制模块EMPU注胶控制模块EM
23、PU球头烘干控制模块EMCU扎线模块EMPU喷胶模块EMPU球身烘干控制模块EMCU各电机控制模块EMCU各电机控制模块EMCU各电机控制模块EMCU各电机控制模块多体系混合应用的例子多体系混合应用的例子PC机ARM主控制板51电机控制板51离线柜控制板光驱1光驱n片匣组片匣组机械臂人机接口2.4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器OutLineq嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点q与嵌入式微控制器的比较与嵌入式微控制器的比较q与与DSP处理器之间的比较处理器之间的比较q与通用微机与通用微机CPU的比较的比较q代表产品介绍代表产品介绍2.4.5 代表产品代表产品qX86架构架构 AMD E86家族
24、家族?qARM架构架构qMIPS架构架构qPowerPC架构架构Review:嵌入式系统体系分类嵌入式系统体系分类嵌入式微控制器（嵌入式微控制器（EMCU）嵌入式嵌入式DSP处理器（处理器（EDSP）嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（EMPU）嵌入式片上系统嵌入式片上系统（SOC）嵌入式嵌入式处理器处理器2.5嵌入式片上系统嵌入式片上系统q嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SOC）System On Chip 将特定系统的各功能模块尽可能在一片单晶硅芯将特定系统的各功能模块尽可能在一片单晶硅芯片上实现片上实现 降低功耗降低功耗 节约成本节约成本 知识产权保护知识产权保护嵌入式系统体系嵌入式系统体系
25、OutLineq嵌入式系统与微机系统嵌入式系统与微机系统q嵌入式微控制器嵌入式微控制器q嵌入式嵌入式DSP处理器处理器q嵌入式微处理器嵌入式微处理器q嵌入式片上系统（嵌入式片上系统（SOC）q一些特殊的嵌入式系统体系一些特殊的嵌入式系统体系2.6一些特殊的嵌入式系统体系一些特殊的嵌入式系统体系q超长指令集架构超长指令集架构qFPGA补充知识：指令集架构补充知识：指令集架构q复杂指令集运算（复杂指令集运算（Complex Instruction Set Computing，CISC）q目前目前x86架构微处理器如架构微处理器如Intel的的Pentium/Celeron/Xeon与与AMD的的A
26、thlon/Duron/Sempron；以及其；以及其64位扩展位扩展系统的系统的x86-64的架构的的架构的EM64T的的Pentium/Xeon与与AMD64的的Athlon 64/Opteron都属于都属于CISC系列。主要针对的系列。主要针对的操作系统是微软的操作系统是微软的Windows。另外。另外Linux，一些一些UNIX等都可以运行在等都可以运行在x86（CISC）架）架构的微处理器构的微处理器 补充知识：指令集架构补充知识：指令集架构q精简指令集运算（精简指令集运算（Reduced Instruction Set Computing，RISC）qRISC这种指令集运算包括这种
27、指令集运算包括HP的的PA-RISC，IBM的的PowerPC，Compaq（被并入（被并入HP）的）的Alpha，MIPS公司的公司的MIPS，SUN公司的公司的SPARC等。目前只有等。目前只有UNIX，Linux，MacOS等操作系统运行在等操作系统运行在RISC处理器上。处理器上。补充知识：指令集架构补充知识：指令集架构q显式并行指令集运算（显式并行指令集运算（Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC）qEPIC乃先进的全新指令集运算，只有乃先进的全新指令集运算，只有Intel的的IA-64架构的纯架构的纯64位微处理器的位微处理器的
28、Itanium/Itanium 2。EPIC指令集运算的指令集运算的IA-64架构主要针对的操作系统是微软架构主要针对的操作系统是微软64位位安腾版的安腾版的Windows XP以及以及64位安腾版的位安腾版的Windows Server 2003。另外一些。另外一些64位的位的Linux，一些，一些64位的位的UNIX也可以运行也可以运行IA-64（EPIC）架构。）架构。补充知识：指令集架构补充知识：指令集架构q超长指令字指令集运算（超长指令字指令集运算（Very Long Instruction Word，VLIW）q通过将多条指令放入一个指令字，有效的提通过将多条指令放入一个指令字，有
29、效的提高了高了CPU各个计算功能部件的利用效率，提各个计算功能部件的利用效率，提高了程序的性能。高了程序的性能。2.6一些特殊的嵌入式系统体系一些特殊的嵌入式系统体系q超长指令集架构超长指令集架构qFPGAFPGAqField Programmable Gate Array（现场可（现场可编程门阵列）编程门阵列）q在在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上等可编程器件的基础上进一步发展的产物进一步发展的产物 q是专用集成电路（是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的）中集成度最高的一种一种 FPGAq逻辑单元阵列逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）可配置逻辑模块可配置逻辑
30、模块CLB（Configurable Logic Block）输出输入模块输出输入模块IOB（Input Output Block）内部连线（内部连线（Interconnect）FPGAq用户可对用户可对FPGA内部的逻辑模块和内部的逻辑模块和I/O模块重模块重新配置，以实现用户的逻辑新配置，以实现用户的逻辑 q具有静态可重复编程和动态在系统重构的特具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改程来修改 qFPGA能完成任何数字器件的功能，上至高能完成任何数字器件的功能，上至高性能性能CPU,下至简单的下至简单的74电路，都可以用电路，都可以用FPGA来实现来实现 FPGAqXILINX的的XC系列系列qTI公司的公司的TPC系列系列qALTERA公司的公司的FIEX系列系列
