微处理器系统结构与嵌入式系统设计ppt课件

A/D 数字 基 带
A/D
数字滤波与控制 系统知识 (硬件与软件)
电路设计知识 (DAC、ADC 等)
制造工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)
22 .
晶圆工艺知识 (300mm 晶圆)
片上网络(NOC) 技术
P处理器 M存储器
C缓存 rni网络接口 S交换开关
Dsp核 re可重构逻辑
L专用逻辑
7-8课时
第五章：存储器系统
8-9课时
第六章：输入/输出接口
6-7课时
第七章：ARM微处理器编程模型
4课时
第八章: ARM汇编指令
4-5课时
第九章： ARM程序设计
4-5课时
第十章：基于ARM微处理器的硬件系统设计
3课时
第十一章：基于ARM微处理器的软件系统设计 3课时
第十二章：基于ARM微处理器核的SOC设计
并出现了早期的操作系统。 第三代（1965～1980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件
广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（1980年至今）个人计算机 以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件
章
✓ 片上多核处理器(CMP)
✓ 流处理器(Stream Processor)
✓ PIM(Processor In Memory)
概
✓ 可重构计算处理器
述
1.4 嵌入式系统（了解）
✓ 嵌入式系统的概念
✓ 嵌入式系统的特点
✓ 嵌入式系统中的处理器
✓ 嵌入式系统的组成
✓ 嵌入式系统的发展现状与趋势
✓ 学习嵌4入1.式系统的意义
第二 章
计算 机系 统的 结构 组成 与工 作原 理
2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）
✓ 计算机系统的层次模型 ✓ 计算机系统的结构、组织与实现
2.2 计算机系统的工作原理（掌握）
✓ 冯· 诺依曼计算机架构 ✓ 模型机系统结构 ✓ 模型机指令集 ✓ 模型机工作流程
2.3 微处理器体系结构的改进（理解）
集成度迅猛发展
19 .
Gordon Moore：Intel的创始人之一
IC技术：SSI/MSI-> LSI-> VLSI-> ULSI-> GLSI->…… 晶圆尺寸：100mm-> 125mm-> 150mm-> 200mm->
300mm-> 400mm->…… 特征尺寸：3µ m-> 2µ m-> 1.2µ m-> 0.8µ m-> 0.5µ m-> 0.35µ m->0.25µ m
2课时
上课64学时（包括习题课），实验16学时 考核方式：平时10%+实验15%+期中15%+期末60%
40 .
1.1 计算机发展概述（了解）
✓ 电子计算机发展概述
✓ 普适计算与泛在通信
1.2 集成电路与SoC设计（理解）
第
✓ 集成电路技术的发展
✓ 基于IP的SoC设计
一
1.3 先进的处理器技术（了解）
计算机专业系列课程
硬件基础
系统架构 核心
软件基础
本课程涉及主要内容： 计算机体系结构与组成原理； 微处理器系统结构； 嵌入式系统设计技术；
35 .
相关知识及课程
❖ 数字逻辑设计（先修） ❖ EDA设计技术 ❖ 数模混合IC设计技术 ❖ 汇编语言程序设计 ❖ C语言程序设计 ❖ 计算机组成原理与系统结构 ❖ 嵌入式系统设计 ❖ 嵌入式操作系统
3.5 典型微处理体系结构简介（理解） ✓ ARM体系结构简介 ✓ Int4e3l. x86体系结构简介
第四章 总线技术与总线标准
4.1 总线技术（掌握）
✓ 总线技术概述 ✓ 总线仲裁 ✓ 总线操作与时序
4.2 总线标准（理解）
✓ 片内AMBA总线 ✓ PCI系统总线 ✓ 异步串行通信总线
44 .
3.2 处理器设计 （理解） ✓ 处理器的设计步骤 ✓ 控制器的操作与功能 ✓ 随机逻辑控制器设计 ✓ 微程序(微码)控制器结构及设计 ✓ 寄存器组(register file)设计
3.3 指令系统设计（掌握） ✓ 机器指令的组成 ✓ 指令格式 ✓ 指令类型 ✓ 寻址方式 ✓ 指令系统设计要点
3.4 指令流水线技术 ✓ 流水线技术的特点（掌握） ✓ 流水线操作的详细说明（掌握） ✓ 流水线的局限性（理解） ✓ 指令流水线设计（理解）
计算机的分类
后PC时代：通用计算机、嵌入式计算机
4.
嵌入式(计算机)系统
嵌入式系统是一门交叉学科，涉及计算机、 微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸 多领域。
随着现代微电子技术、微机电系统MEMS、 片上系统SoC、纳米材料、无线通信技术、信 号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互 联网的迅猛发展，嵌入式系统向集成化、微型 化，智能化、网络化方向发展。
方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系 统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶 段诞生并获得飞速发展。 第五代 无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、……
24 .
25 .
嵌入式(计算机)系统
26 .
嵌入式系统的定义
-> 0.18µ m-> 0.1230µ. m-> 90nm-> 65nm -> 45nm ->……
Intel Core i7 四核处理器
21 .
系统级芯片 (SOC) 技术
➢软硬件协同设计设计及验证技术 ➢IP核生成和复用技术 ➢超深亚微米工艺及纳米IC设计技术
数字射频处理器
混合信 号处理
器 混合信号 处理器
23 .
计算机发展的主要阶段
第零代（1642~1945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（1946～1955年）电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用
机器语言，后期采用汇编语言。 第二代（1955～1965年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，
电子管(vacuum tube) 时代
晶体管(transistor)时代 第一个晶体管的诞生
15 .
第一代电子管计算机ENIAC
16 .
第一台存储程序计算机EDSAC
17 .
从分立到集成
18 .
第一块 IC诞生之后， 基尔比在 IRE(美国无 线电工程师 学会)的一次 会议上宣布 了“固体电 路”(Solid circuit)的出 现，这就是 以后的“集 成电路”的 代名词 。
系 5.4 主存储器设计技术（掌握）
统
✓ 存储芯片选型
✓ 存储芯片的组织形式
✓ 地址译码技术
✓ 存储器接口45设. 计设计
6.1 输入/输出接口基础（掌握）
第
✓ 输入/输出接口功能与结构 ✓ 输入/输出端口编址
六
6.2 接口地址译码（掌握）
章
6.3 接口信息传输方式（掌握）
✓ 程序查询传输方式
输
✓ 程序中断传输方式 ✓ 直接存储器访问(DMA)方式
36 .
教材及推荐参考书
❖ 微处理器系统结构及嵌入式系统设计（第二版）
李广军等，电子工业出版社 ，2010
❖ 嵌入式系统原理及技术
杨峰等，科学出版社，2014
❖ 系统体系结构（第5版）
郭新房等译. Stephen D. B.著，清华大学出版社，2007
❖ 计算机系统结构
张晨曦等，高等教育出版社，2008
3.Gilder定律
未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每 6个月增加一倍；
4.Metcalfe定律
网络价值同网络用户数的平方成正比；
10 .
计算机技术的发展
微电子技术 计算机技术
通信技术
11 .
ITU-T 近年关注的热门话题
信息的生成、获取、存储、传输、处理及 其应用是现代信息科学的六大组成部分。
✓ 冯· 诺依曼结构的改进 ✓ 并行技术的发展 ✓ 流水线结构 ✓ 超标量与超长指令字结构 ✓ 多机与多核结构
2.4 计算机体系结构分类（理解） 2.5 计算机性能评测（掌握）
✓ 字长、存储容量、运算速度 42 .
第三 章
微处 理器 体系 结构 及关 键技 术
3.1 微处理器体系结构及功能模块简介 ✓ 处理器的主要功能及部件（掌握） ✓ 处理器的基本功能结构（掌握） ✓ 一个简化的处理器模型结构示例（理解）
存储器系统 硬件
数据RAM 参数EEPROM
NVRAM
外部接口
键盘
外围设备
LCD 存储设备
音频设备
嵌入式操作系统
专用设备
软件 应用软件
编译器
集成软件环境
链接器
开发系统
调试器
硬件工具
仿真器
编程器
在线调试工具
29 .
EMPU EMCU EDSP ESoC EPSoC
并行接口 串行接口 音视频接口 网络接口
5.
普适计算(无所不在的计算机)
CPU > 90%
< 10%
6.
泛在通信(无所不在的通信)
7.
物联网技术
8.
物联网技术
9.
IT行业的四大定律
一．Moore定律
微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番
2.Bell定律
如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18 个月减少一半；
每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、小型机、 工作站、PC到PDA的演变、新一代计算设备……
Energy Efficiency 7. 远距离协作工具Remote Collaboration Tools 8. 智能传送网 Intelligent Transport Systems (ITS) 9. ……
12 .
机械式计算机的发展
13 .
机械式计算机的发展
14 .
电子技术和半导体技术的诞生
IEEE定义
devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants
国内普遍认同的定义
以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算
机系统
芯片级（MCU、SoC） 板级（单板、模块）
设备级（工控机） Embedded System
❖ 现代计算机组成原理
潘松等，，科学出版社，2007
❖ ARM体系结构与编程
杜春雷，清华大学出版社，2007
37 .
38 .
39 .
教学进度及考核安排
第一章：概述
3-4课时
第二章：计算机系统的结构组成与工作原理 6-7课时
第三章：微处理器体系结构及关键技术 6-7课时
第四章：总线技术与总线标准
VxWorks μc/OS
Windows CE 嵌入式Linux
嵌入式(计算机)系统
30 .
31 .
32 .
33 .
嵌入式系统的发展趋势
一．网络化、支持分布式计算 二．可编程、可在线更新 三．集成度提高、SoC/NoC 四．开发平台的完备化 五．友好的人机界面 六．……
34 .
3344//3320
入
✓ 通道方式
输
6.4 并行接口（掌握）
出
✓ 无握手信号并行接口 ✓ 带握手信号的并行接口
接
✓ 可编程并行接口
口
6.5 串行接口（理解）
✓ 同步串行接口
✓ 异步串行接口
46 .
第七章 ARM微处理器编程模型
7.1 ARM 内核体系结构（了解）
✓ARM 体系结构版本 ✓ARM 内核简介
7.2 ARM 编程模型（理解）
5.1 存储器件的分类（掌握）
✓ 按存储介质分类
第
✓ 按读写策略分类
五 5.2 半导体存储芯片的基本结构与性能指标（掌握）
章
✓ 随机存取存储器 ✓ 只读存储器
✓ 存储器芯片的性能指标
存 5.3 存储系统的层次结构（掌握）
储
✓ 存储系统的分层管理 ✓ 虚拟存储器与地址映射
器
✓ 现代计算机的多层次存储体系
✓处理器工作状态 ✓处理器运行模式 ✓寄存器组织 ✓数据类型和储存格式 ✓异常
1. 节能 Power savings 2. 数字生活 Digital life 3. 泛在传感器网 Ubiquitous Sensor Networks (USN) 4. 高性能视频会议High-Performance Video
Conferencing 5. 数字安全Sybersecurity 6. 下一代网络及功效Next-Generation Networks and
Embedded Computer System
Embedded Real-time System
Embedded Device
27 .
嵌入式系统的特点
➢以应用为中心 ➢ 软、硬件可
裁剪 ➢ 对体积、功
耗、实时性、 可靠性、功能、 成本等有严格 约束
28 .
嵌入式系统的组成
嵌入式处理器
程序ROM
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
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2020/10/9
第一章 概述
一．计算机的应用形式
通用计算机与嵌入计算机 普适计算与泛在通信
二．半导体技术与计算机的发展
机械式计算机、电子式计算机 SoC、NoC
三．嵌入式(计算机)系统
概念、特点、组成、发展趋势
四．课程体系介绍
2.
计算机是什么？
3.