嵌入式控制系统原理及设计课件2-2 嵌入式微处理器概述

嵌入式控制系统原理及设计
2.2.2 嵌入式微处理器的分类
1. 微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） • 通常，MCU可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括8051、
P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68300等。
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• 嵌入式微处理器的选择必须根据设计的需求，在性能、功耗、功能、尺 寸和封装形式、SoC程度、成本、商业考虑等等诸多因素之中进行折衷。
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2.2.1 嵌入式微处理器的特点
• 为合理高效地完成这些任务，嵌入式微处理器应具有以下4个特点： （1）对实时多任务有很强的支持能力。 • 能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 第三，多个处理器内核有效地共享资源，提高了片上资源的利用率，降低
了系统整体的功耗。 • 最后，多核结构灵活，易于优化设计，扩展性强。这些优势最终推动了多
核的发展并逐渐取代单处理器成为主流。
结构原型，到2001年IBM推出第一个商用多核处理器POWER4，再到2005 年Intel和AMD多核处理器的大规模应用，最后到现在多核成为市场主流， 片上多核处理器经历了二十年的发展。 • 目前，片上多核处理器的应用范围已覆盖了多媒体计算、嵌入式设备、个 人计算机、商用服务器和高性能计算机等众多领域，多核技术及其相关研 究也得到了充分的发展。
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4. 片上系统（System on Chip，SoC） • SoC也称为系统级芯片，指它是一个有专用目标的集成电路，其中包含完
整系统并有嵌入软件的全部内容。 • SoC有两个显著的特点：一是硬件规模庞大，通常基于IP设计模式；二是
软件比重大，需要进行软硬件协同设计。 • 目前在性能和功耗敏感的终端芯片领域，SoC已占据主导地位；而且其应
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4. 片上系统（System on Chip，SoC）
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 自1996年美国斯坦福大学首次提出片上多处理器（CMP）思想和首个多核
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2. 嵌入式微处理器（Embedded Micro-Processor Unit，EMPU） • EMPU一般是由PC领域的通用CPU演变而来，可视为增强型通用微处理器。 • EMPU在工作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的要求较通用的标准微处理
器高。 • 和工业控制计算机相比，EMPU组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 按照集成地处理器内核对等与否，片上多核处理
器又可以分为同构多核处理器和异构多核处理器。 • （2）异构多核处理器的各个核心的结构不同，
功能也不同，地位也不同，分为主处理器和协处 理器。例如：IBM，索尼，东芝联手推出的Cell 处理器、NIVIDA Jetson X2就是典型的代表。
用正在扩展到更广的领域，是IC产业未来的发展方向。
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4. 片上系统（System on Chip，SoC） • 目前，手机、平板等领域的处理器基本上都采用了SoC技术方案，例如：
华为（Huawei）麒麟系列（950/960/970/980/990）、高通 （Qualcomm）骁龙800系列（骁龙 855/845/835/821/820/810/808/805/801/800）、联发科 （MediaTek.Inc）Helio系列（X30/X25/X10）等。 • 也有在多媒体、网络安全等领域的专用芯片，例如：龙芯2K1000系列等。
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微控制器 嵌入பைடு நூலகம்微处理器 数字信号处理器 片上系统
片上多核处理器
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1. 微控制器（Micro-Controller Unit，MCU） • MCU也称为单片机，一般以某种微处理器内核为核心，根据典型的产品应
用，在芯片内部集成了ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看 门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM 等各种必要功能部件和外设。 • 目前，MCU在产品的品种和数量上是所有种类嵌入式处理器中最多的，而 且上述诸多优点也使得微控制器成为嵌入式系统应用的主流技术方案。
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 按照集成地处理器内核对等与否，片上多核处理
器又可以分为同构多核处理器和异构多核处理器。 • 同构多核处理器的各个核心的结构相同，地位对
等。例如：Intel Celeron J4105微处理器。
68000、MPIS、ARM系列等。
68000内部结构图
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3. 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP） • DSP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，具有很高的编译效率和指令执行速度。 • 在数字滤波、快速傅里叶变换（FFT）、谱分析等方面，DSP算法正大量进
可靠性高的优点，但在其电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种 外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。
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2. 嵌入式微处理器（Embedded Micro-Processor Unit，EMPU） • 嵌入式处理器的代表有：AM186/88、386EX、SC-400、Power PC、
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 按照集成地处理器内核对等与否，片上多核处理
器又可以分为同构多核处理器和异构多核处理器。 • （2）异构多核处理器的各个核心的结构不同，
功能也不同，地位也不同，分为主处理器和协处 理器。例如：IBM，索尼，东芝联手推出的Cell 处理器、NIVIDA Jetson X2就是典型的代表。
行时间减少到最低限度。 （2）具有功能很强的存储区保护功能。 • 由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的
交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。
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2.2.1 嵌入式微处理器的特点
（3）可扩展的处理器结构，以最快的速度、最短的周期开发出满足产品应 用的高性能嵌入式微处理器。 （4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的、靠电池供电的 无线及移动计算和通信设备，如需要功耗只有mW甚至μW级。
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5. 片上多核处理器（Chip Multi-Processor，CMP） • 多核处理器首先通过集成多个单线程处理器核心或集成多个多线程处理器
核心，使得整个处理器可同时执行的线程数或任务数是单处理器的数倍， 这极大地提升了处理器的并行性能。 • 其次，多个处理器内核集成在片内，极大地缩短了核间的互连线，降低了 核间通信延迟，提高了通信效率和数据传输带宽。
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第2章 ARM微处理器基础
2.2 嵌入式微处理器概述
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2.2.1 嵌入式微处理器的特点
• 嵌入式微处理器与PC的微处理器在基本原理上相似，但工作稳定性更高， 功耗较小，对环境（如温度、湿度、电磁场、振动等）的适应能力强， 体积更小，且集成的功能较多。
入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过 渡到采用嵌入式DSP。
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2.2.2 嵌入式微处理器的分类
3. 数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP） • 嵌入式DSP处理器有两类： （1）DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外 设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000 等属于此范畴。 （2）在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如 Intel的MCS-296和Infineon（Siemens）的Tricore。