嵌入式微处理器体系结构
嵌入式系统与软件(2)
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嵌入式微处理器分类
按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种： 按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种： 嵌入式微处理器：由通用计算机的CPU演变而来， 嵌入式微处理器：由通用计算机的CPU演变而来，不同的 CPU演变而来 是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件， 是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件，去 除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路， 除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路，减小 了体积和功耗。 了体积和功耗。 嵌入式微控制器：又称单片机， 嵌入式微控制器：又称单片机，一般以一种微处理器为核 片内集成了ROM EPROM、RAM、总线、总线逻辑、 ROM、 心，片内集成了ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定 时器、计数器、I/O等 时器、计数器、I/O等。 嵌入式DSP处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构， 嵌入式DSP处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构， DSP处理器 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT FFT（ 采用一系列措施保证数字信号的处理速度，如对FFT（快 速傅立叶变换）的专门优化。 速傅立叶变换）的专门优化。 嵌入式片上系统SoC：又系统级芯片， 嵌入式片上系统SoC：又系统级芯片，在一个硅片上实现 SoC 了一个更为复杂的计算机系统。 了一个更为复杂的计算机系统。 9
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操作
可以对存储器和寄存器进行运 算和操作
编译
难以用优化编译器生成高效的 目标代码程序
嵌入式微处理器
经过近20年的发展，嵌入式微处理器的集成度、 经过近20年的发展，嵌入式微处理器的集成度、主 20年的发展 频、位数都得到了提高
20世纪 年 世纪80年 世纪 代中后期 制作工艺 主频 晶体管 个数 位数 1 - 0.8 µm < 33 MHz > 500K 8/16bit 20世纪 年 世纪90年 世纪 代初期 0.8 - 0.5 µm <100 MHz >2M 8/16/32bit 20世纪 年 世纪90年 世纪 代中后期 0.5 – 0.35 µm <200 MHz >5M 8/16/32bit 21世纪初期 世纪初期 0.25 - 0.13 µm < 600 MHz >22M 8/16/32/64bit
嵌入式系统的分类
嵌入式系统的分类1、以硬件划分1.1嵌入式微控制器(Microcontrol lerUnit，也称MCU)单片机就属于嵌入式微控制器，单片机机心由ROM(或EPROM)、总线、总线逻辑、定时器(或计数器)、Watch Dog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等组成，它属于单片式设计，体积小、功耗低、成本小、可靠性高的特点，该类型的品种、数量都是最多的，目前嵌入式系统中，MCU在70年代就已经研制出来，但由于以上的特点，直到现在，它依然占有70%的市场份额。
1.2嵌入式微处理器(MicroProcessor Unit，又称MPU)嵌入式微处理器是根据计算机的CPU演变来的，然而与计算机处理器不同的是，它要求性能高、功耗低、体积小、成本小、重量轻、可靠性高的特点，以满足嵌入式环境下的特殊需求，如ARM系列广泛应用于手机终端，PowerPC系列广泛应用于航空系统。
1.3嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor，又称EDSP)DSP的算法理论在70年代就已经出现，那时还没有专门的DSP 处理器，只能用MPU的分立元件实现，然而处理的速度无法满足DSP算法要求，1982年，首枚DSP处理器诞生，它是专门用于处理信号的处理器，以信号处理的特殊要求在系统结构处理、算法上进行专门设计的处理器，它具有很高的编译效果与执行速度的功能。
80年代中期，诞生出基于CMOS工艺的DSP处理器，它的储容量和运算速度与前代相比都有飞跃性的提高、现在随着DSP处理器的不断发展，它的集成度更高、应用范围更广。
1.4嵌入片上系统(SystemOnChip，又称SOC)嵌入片上系统追求包容性最强的集成器件，它使现了软硬件无缝结合，在处理器片上直接嵌入操作系统的代码模块，因此具有很高的综合性。
使用SOC，SOC一般是专用的芯片，它具有系统简洁、体积小、功耗小、可靠性高、生产效率高的特点。
嵌入式系统体系结构
嵌入式系统体系结构嵌入式系统体系结构：嵌入式系统的组成包含了硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层。
1、硬件层：嵌入式微处理器、存储器、通用设备接口和I/O接口。
嵌入式核心模块=微处理器+电源电路+时钟电路+存储器Cache：位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。
它的主要目标是减小存储器给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快。
2、中间层(也称为硬件抽象层HAL或者板级支持包BSP).它将系统上层软件和底层硬件分离开来，使系统上层软件开发人员无需关系底层硬件的具体情况，根据BSP层提供的接口开发即可。
BSP有两个特点：硬件相关性和操作系统相关性。
设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：A、嵌入式系统的硬件初始化和BSP功能。
片级初始化：纯硬件的初始化过程，把嵌入式微处理器从上电的默认状态逐步设置成系统所要求的工作状态。
板级初始化：包含软硬件两部分在内的初始化过程，为随后的系统初始化和应用程序建立硬件和软件的运行环境。
系统级初始化：以软件为主的初始化过程，进行操作系统的初始化。
B、设计硬件相关的设备驱动。
3、系统软件层：由RTOS、文件系统、GUI、网络系统及通用组件模块组成。
RTOS是嵌入式应用软件的基础和开发平台。
4、应用软件：由基于实时系统开发的应用程序组成。
嵌入式芯片体系结构介绍1.嵌入式微处理器(Micro Processor Unit，MPU)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。
它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。
但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，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，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。
和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。
目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。
嵌入式系统硬件体系结构设计
嵌入式系统硬件体系结构设计一、嵌入式计算机系统体系结构体系主要组成包括：硬件层中涵盖嵌入式微处理器、存储器（sdram、rom、flash等）、通用设备USB和i/oUSB（a/d、d/a、i/o等）。
在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。
其中操作系统和应用程序都可以固化在rom中。
硬件层与软件层之间为中间层，也称作硬件抽象化层（hardwareabstractlayer，hal）或板级积极支持纸盒（boardsupportpackage，bsp），它将系统上层软件与底层硬件拆分开去，并使系统的底层驱动程序与硬件毫无关系，上层软件开发人员无须关心底层硬件的具体情况，根据bsp层提供更多的USB即可展开研发。
该层通常涵盖有关底层硬件的初始化、数据的输出/输入操作方式和硬件设备的布局功能。
3.系统软件层系统软件层由实时多任务操作系统（real-timeoperationsystem，rtos）、文件系统、图形用户USB（graphicuserinterface，gui）、网络系统及通用型组件模块共同组成。
rtos就是嵌入式应用软件的基础和研发平台。
功能层主要由实现某种或某几项任务而被开发运行于操作系统上的程序组成。
一个嵌入式系统装置通常都由嵌入式计算机系统和继续执行装置共同组成，而嵌入式计算机系统就是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层共同组成。
继续执行装置也称作被控对象，它可以拒绝接受嵌入式计算机系统收到的掌控命令，继续执行所规定的操作方式或任务。
本网关硬件环境以单片机s3c2440芯片和dm9000以太网控制芯片为主，实现rj45接口和rs232接口的数据传输。
内容包括硬件环境的初始化，数据的收发控制，封包解包设计，操作系统的移植等。
硬件框图就是直观的将每个功能模块列举，也就是一个基本的模块女团，可以简约的每个模块的功能彰显出。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
微处理器的存储器系统
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嵌入式系统设计
专用性
嵌入式系统通常针对特定的应用进行设计和优化。
定义
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，它被嵌入到设备中，以控制、监视或帮助操作该设备。
实时性
嵌入式系统需要能够在特定的时间内响应外部事件或执行特定任务。
指令集
指令中操作数的有效地址的确定方式。
寻址方式
指令在存储器中的表示方式。
指令格式
指令在二进制代码中的表示方式。
指令编码
微处理器的指令集体系结构
高速缓存（Cache）：用于存储经常访问的数据，提高数据访问速度。
主存储器（Main Memory）：用于存储程序和数据，是微处理器可以直接访问的存储器。
控制系统中的微处理器
微处理器具有运算速度快、集成度高、可编程性强等优点，能够提高控制系统的稳定性和可靠性。
微处理器在控制系统中的优势
微处理器在控制系统中的应用
通信系统中的微处理器微处理器 Nhomakorabea通信系统中主要用于信号处理、协议转换、数据加密等功能，保障通信的稳定性和安全性。
微处理器在通信系统中的优势
微处理器具有高速的数据处理能力和灵活的可编程性，能够满足通信系统的复杂需求。
硬件设计
根据系统设计，编写嵌入式系统的程序和固件。
软件设计
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嵌入式系统的设计流程
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微处理器在嵌入式系统中的应用
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微处理器在控制系统中发挥着核心作用，通过接收输入信号，经过处理后输出控制信号，实现对被控对象的精确控制。
嵌入式微处理器分类
嵌入式微处理器分类：根据微处理器的字长宽度：微处理器可分为4位、8位、16位、32位、64位。
一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器，32位以上的称为嵌入式微处理器。
根据微处理器系统集成度，可划分为两类：一般用途的微处理器，即微处理器内部仅包含单纯的中央处理单元；单芯片微控制器，即将CPU、Rom、RAM及I/O等部分集成到同一个芯片上。
根据嵌入式微处理器的用途：可分为以下几类：1、嵌入式微控制器（MCU），又称为单片机。
微控制器的片上外设资源通常比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
微控制器芯片内部集成有ROM/EPROM、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（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。
微控制器的最大特点是单片化，功耗成本低，可靠性高。
常用的有8051、MCS系列、C540、MSP430系列等，目前，微控制器占嵌入式系统的约70%的市场份额。
2、嵌入式微处理器（EMPU）。
由通用计算机中的CPU发展而来，主要特点是具有32位以上的处理器，具有比较高的性能，价格也较高。
与计算机CPU不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，因此其体积小、重量轻、功耗低、成本低及可靠性高。
通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等元件做到同一个芯片上，也称为单板计算机。
目前，主要的嵌入式微处理器有ARM、MIPS、POWER PC和基于X86的386EX等。
特点：嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯·诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。
嵌入式系统及应用-Chapter02-嵌入式硬件系统
输入/输出接口和设备
• 嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分 设备已经集成在嵌入式微处理器中。 • 输入/输出接口主要有中断控制器、DMA、 串行和并行接口等，设备主要有定时器 （Timers）、计数器（counters）、看门 狗（watchdog timers）、RTC、UARTs、 PWM（Pulse width modulator）、AD/DA、 显示器、键盘和网络等。
由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高
减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数 大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language） 硬件完成 复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址 微码 寄存器较少
由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低
• 嵌入式系统的存储器包括主存和外存。
• 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处 理器可直接访问的存储空间即主存中。
• 系统上电后在主存中的代码直接运行。主存 储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、 Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。
存储器
• 目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外 存。外存是处理器不能直接访问的存储器， 用来存放各种信息，相对主存而言具有价 格低、容量大的特点。 • 在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电 子盘做外存，电子盘的主要种类有 NandFlash、 SD （Secure Digital）卡、 CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、、 DOC（Disk On Chip）等。
Total Embedded Control Market Shipments by Type
浅谈嵌入式处理器体系结构
细介绍 了流行的嵌入式处理器体系结构及性能 ， 然后分析 了
嵌入式处理器对嵌入式系统性能的影响及发展趋势 。
１ 流行 的嵌 入式处 理 器体 系结构及 性能简 介
嵌入式处理 器一般 可分 为嵌 入 式微 处理 器 （ ｍｂｄ ｅ Ｅ ｅｄｄ
Ｍｉｏ ｒｃｓ ｒＵｎｔ Ｅ Ｕ） 嵌 入 式 微 控 制 器 （ ｃｏｏ — ｃ ｐｏｅｓ ｉ ＭＰ 、 ｒ ｏ ， Ｍｉ ｃｎ ｒ ｔ ｌｒＵｎｔＭＣ 、 入 式 Ｄ Ｐ处理 器 （ ｍｂｄ ｅ ｉｉｌ ｒｌ ｉ ｏｅ ， Ｕ） 嵌 Ｓ Ｅ ｅｄ Ｄｇｔ ｄ ａ Ｓｇ ａ ＰｏｅｓｒＥ Ｓ ）嵌 入式 片上 系统 （ ｙｔｍ Ｏ ｈｐ ｉ ｌ ｒ ｓｏ， Ｄ Ｐ 、 ｎ ｃ Ｓ ｓ ｎＣ ｉ） ｅ 等 。目前主流的嵌 入式 处理 器体 系中主要 有 ：０ １体 系结 ８５ 构、 Ｍ 体系结构、 Ｐ Ｒ Ａ ＭＩＳ体 系结 构 、 ｏ ｅＰ 、 Ｓ 、 ｎｅ Ｐ ｗ ｒ Ｄ Ｐ Ｉｔｌ Ｃ
器从发展上看最早 可追溯 到 １７ ９ １年的 Ｉｔｌ ０４单片机 ， ｎｅ４ ０ 经 过数年的发展 ， 一方面发展成为今天 的 Ａ Ｍ 处 理器体系结 Ｒ 构、 ３ Ｉ ２体系结构以及 Ｉ６ Ａ Ａ ４的处理器。在另一方面是 Ｄ Ｐ Ｓ 的发展 和基于 Ｆ Ｇ 的硬 件嵌入式 编程手段 。本 文首先详 ＰＡ
1.1 嵌入式系统的定义和组成
逻辑结果正确 在要求的时间内
2．RTOS特点
约束性
时间约束 资源约束（能耗，费用） 执行顺序约束（多任务操作系统，每一组任务都要 在时间约束内完成） 性能约束（可靠性）
完成实时任务所需的执行时间应该是可知的 在系统最坏情况下都能正常工作或避免损失
可预测性
可靠性
交互性
硬件层
output
analog
CPU
input
analog
embedded computer
mem
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的体系结构
冯· 诺依曼体系结构 哈佛体系结构(指令数据分别存储在不同 memory中，且不同总线)，
精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC） 复杂指令集系统CISC（Complex Instruction Set Computer, CISC）。
硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等 用来存放大数据量的程序代码或信息，
容量较大 读取速度慢
通用设备接口和I/O接口
与外界交互所需要的通用设备接口
GPIO、 A/D（模／数转换接口） D/A（数／模转换接口） RS-232接口（串行通信接口） Ethernet（以太网接口） USB（通用串行总线接口） 音频接口 VGA视频输出接口 I2C（现场总线） SPI（串行外围设备接口） IrDA（红外线接口）
轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、 便于移植、可配置 实现方法：
第四章 SoC嵌入式微处理器系统
内核（core）
处理器存储器子系统
SoC的片内外设
系统的片外设备
处理器（Processor） 芯片（SoC）
系统（System）
典型的SoC结构
• 在根据性能要求选定处理器内核之后，SOC芯片的设计重 点就放在了片内外设的设计和选择上。 SOC嵌入式微处理 器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由 它的市场定位决定的。在最普通的情况下，SOC嵌入式微 处理器集成了如下部件：
4.2.1.1 Cache
–Cache命中：CPU每次读取主存时，Cache
控制器都要检查CPU送出的地址，判断CPU 要读取的数据是否在Cache中，如果在就称 为命中。 –Cache未命中：读取的数据不在Cache中， 则对主存储器进行操作，并将有关内容置入 Cache。 – 写入方法：
• 通写（ Write Through ） ：写 Cache 时， Cache
电子盘
电子盘
• Flash card market for Mobile phone has 70% CAGR, and 50% market share in ’08.
4.2.1 处理器存储器子系统
• SOC芯片内部的存储结构即称为处理器存储器子系 统，ARM的处理器存储器子系统除了cache外，还 可以包括：
嵌入式系统的主存可位于SoC内和SoC外， 片内存储器存储容量小、速度快，片外存储 器容量大。 可以做主存的存储器有：
• •
–
ROM类：Nor Flash、EPROM、E2PROM、 PROM等 RAM类：SRAM、DRAM、SDRAM等
4.2.1 处理器存储器子系统
•
外存
外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放用户的各种信息，容量大。 – 在嵌入式系统中常用的外存有：
嵌入式微处理器的分类
嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器是一种特殊的微处理器，其设计和应用主要用于嵌入式系统中。
嵌入式系统是指被嵌入到其他设备中的计算机系统，它们通常用于控制和执行特定任务，而不是作为通用计算机使用。
嵌入式微处理器根据其特定的应用领域和功能需求进行分类。
本文将介绍嵌入式微处理器的几个常见分类。
第一类是按照处理器架构分类。
处理器架构是指处理器的内部结构和设计。
常见的处理器架构有：CISC（复杂指令集计算机）和RISC （精简指令集计算机）。
CISC架构的处理器指令集较复杂，可以执行多种操作，而RISC架构的处理器指令集较简洁，每个指令的执行时间相对较短。
根据处理器的架构分类，嵌入式微处理器可以分为CISC架构和RISC架构。
第二类是按照处理器性能和功耗分类。
嵌入式系统通常对处理器的性能和功耗有着特定的需求。
因此，嵌入式微处理器可以根据其处理性能和功耗特点进行分类。
一类是高性能低功耗的处理器，这类处理器通常具有较高的运算速度和较低的功耗，适用于对性能要求较高且功耗敏感的嵌入式应用。
另一类是低性能低功耗的处理器，这类处理器主要用于对性能要求不高且功耗敏感的嵌入式应用。
第三类是按照处理器核心数分类。
嵌入式微处理器可以根据其核心数进行分类，核心数指的是处理器中的计算核心数量。
嵌入式系统中常见的处理器核心数有单核处理器、双核处理器、四核处理器等。
单核处理器只有一个计算核心，适用于对性能要求不高的嵌入式应用；而多核处理器具有多个计算核心，能够同时执行多个任务，适用于对性能要求较高的嵌入式应用。
第四类是按照处理器位宽分类。
处理器位宽是指处理器的数据总线宽度，用于表示处理器能够一次性处理的数据位数。
常见的处理器位宽有8位、16位、32位和64位。
较低位宽的处理器通常具有较低的成本和功耗，适用于对性能要求不高的嵌入式应用；而较高位宽的处理器具有较高的计算能力和处理速度，适用于对性能要求较高的嵌入式应用。
最后一类是按照处理器生产商分类。
体系结构 RISC, CISC, x86, ARM, MIPS
体系结构: RISC, CISC, x86, ARM, MIPS硬件体系结构（Architecture）软件操作系统（Operating System）一、RISC与CISC1.CISC（Complex Instruction SetComputer,复杂指令集计算机）复杂指令集（CISC，Complex Instruction Set Computer）是一种微处理器指令集架构（ISA），每个指令可执行若干低阶操作，诸如从内存读取、储存、和计算操作，全部集于单一指令之中。
CISC特点：1.指令系统庞大，指令功能复杂，指令格式、寻址方式多；2.绝大多数指令需多个机器周期完成；3.各种指令都可访问存储器；4.采用微程序控制；5.有专用寄存器，少量；6.难以用优化编译技术生成高效的目标代码程序；在CISC指令集的各种指令中，大约有20%的指令会被反复使用，占整个程序代码的80%。
而余下的80%的指令却不经常使用，在程序设计中只占20%。
2.RISC（reduced instruction setcomputer，精简指令集计算机）精简指令集这种设计思路对指令数目和寻址方式都做了精简，使其实现更容易，指令并行执行程度更好，编译器的效率更高。
它能够以更快的速度执行操作。
这种设计思路最早的产生缘自于有人发现，尽管传统处理器设计了许多特性让代码编写更加便捷，但这些复杂特性需要几个指令周期才能实现，并且常常不被运行程序所采用。
此外，处理器和主内存之间运行速度的差别也变得越来越大。
在这些因素促使下，出现了一系列新技术，使处理器的指令得以流水执行，同时降低处理器访问内存的次数。
实际上在后来的发展中，RISC与CISC在竞争的过程中相互学习，现在的RISC指令集也达到数百条，运行周期也不再固定。
虽然如此，RISC设计的根本原则——针对流水线化的处理器优化—0—没有改变，而且还在遵循这种原则的基础上发展出RISC的一个并行化变种VLIW（包括Intel EPIC），就是将简短而长度统一的精简指令组合出超长指令，每次执行一条超长指令，等于并行执行多条短指令。
ARM体系结构
SIMD Instructions Multi-processing v6 Memory architecture Unaligned data support
Extensions: Thumb-2 (6T2) TrustZone® (6Z) Multicore (6K) Thumb only (6-M)
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Embedded Processors
Chengdu University of Information Technology
18
Which architecture is your processor?
Chengdu University of Information Technology
---ARM V4
Chengdu University of Information Technology
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•ARMV4是目前支持的最老的架构,是基于32-bit地址 空间的32-bit指令集。ARMv4除了支持ARMv3的指 令外还扩展了：
支持halfword的存取 支持byte和halfword的符号扩展读 支持Thumb指令 提供Thumb和Normal状态的转换指令 进一步的明确了会引起Undefined异常的指令 对以前的26bits体系结构的CPU不再兼容
4. 如果3中描述的功能不存在，则在该功能标识符前加x
ARM处理器命名（Classic命名）
Chengdu University of Information Technology
15
采用上述的架构，形成一系列的处理器。有时候还要区
分处理器核和处理器系列。不过，在这里其实不用区分太细，
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案
《微处理器系统结构与嵌入式系统设计》课程教案第一章：微处理器概述1.1 微处理器的定义与发展历程1.2 微处理器的组成与工作原理1.3 微处理器的性能指标与分类1.4 嵌入式系统与微处理器的关系第二章：微处理器指令系统2.1 指令系统的基本概念2.2 常见指令分类与功能2.3 指令执行过程与地址计算2.4 汇编语言与指令编码第三章：微处理器存储系统3.1 存储器概述与分类3.2 随机存储器（RAM）与只读存储器（ROM）3.3 存储器层次结构与cache 缓存3.4 虚拟存储器与内存管理第四章：输入/输出系统4.1 I/O 系统概述与分类4.2 程序控制I/O 与中断驱动I/O4.3 DMA 传输与I/O 端口映射4.4 嵌入式系统中的I/O 接口设计第五章：嵌入式系统设计与实践5.1 嵌入式系统设计流程与方法5.2 嵌入式处理器选型与系统架构设计5.3 嵌入式系统软件设计与开发5.4 嵌入式系统硬件设计与实现第六章：嵌入式系统硬件平台设计6.1 嵌入式系统硬件设计基础6.2 处理器选型与评估6.3 硬件系统架构设计6.4 硬件电路设计与仿真第七章：嵌入式操作系统原理与应用7.1 嵌入式操作系统概述7.2 嵌入式操作系统核心组件7.3 嵌入式操作系统实例分析7.4 嵌入式操作系统应用与开发第八章：嵌入式系统软件开发8.1 嵌入式软件开发概述8.2 嵌入式软件开发工具与方法8.3 嵌入式软件编程实践8.4 嵌入式软件测试与优化第九章：嵌入式系统应用案例分析9.1 嵌入式系统在工业控制中的应用9.2 嵌入式系统在医疗设备中的应用9.3 嵌入式系统在智能家居中的应用9.4 嵌入式系统在物联网中的应用第十章：未来嵌入式系统发展趋势10.1 嵌入式系统技术发展趋势10.2 嵌入式系统在各领域的应用拓展10.3 我国嵌入式系统产业现状与展望10.4 嵌入式系统教育与人才培养重点和难点解析一、微处理器概述难点解析：微处理器的发展历程需要记忆各个重要的时间节点和对应的处理器；组成与工作原理涉及到硬件组成和指令执行过程的理解；性能指标与分类需要理解如何评估处理器的性能以及不同类型处理器的应用场景。
微处理器系统结构与嵌入式系统设计教案(mod)
微处理器系统结构与嵌入式系统设计教案(mod)一、课程简介1.1 课程背景随着信息技术的飞速发展，微处理器和嵌入式系统在各个领域得到了广泛应用。
本课程旨在帮助学生了解微处理器系统的基本结构，掌握嵌入式系统设计的方法和技巧，培养学生进行嵌入式系统设计和应用的能力。
1.2 课程目标通过本课程的学习，学生将能够：（1）理解微处理器系统的基本结构及其工作原理；（2）掌握嵌入式系统设计的基本方法和步骤；（3）熟练使用嵌入式系统设计工具和开发环境；（4）具备嵌入式系统应用的能力，为实际工程项目奠定基础。
二、教学内容2.1 微处理器系统结构（1）微处理器的基本概念及其发展历程；（2）微处理器的组成和主要性能指标；（3）冯·诺依曼体系结构与哈佛体系结构的比较；（4）微处理器的内部结构和工作原理。
2.2 指令系统（1）指令的基本概念和分类；（2）指令的操作码和操作数；（3）指令的执行过程；（4）常见的指令系统架构。
2.3 存储系统（1）存储器的基本概念和分类；（2）随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）；（3）存储器层次结构；（4）cache 存储器。
2.4 输入/输出系统（1）输入/输出接口的基本概念；（2）I/O 接口的编址方式和数据传输方式；（3）中断处理机制；（4）直接内存访问（DMA）。
2.5 嵌入式系统设计（1）嵌入式系统的概念及其与通用计算机系统的区别；（2）嵌入式系统的硬件和软件组成；（3）嵌入式系统设计的一般流程；（4）嵌入式系统开发工具和环境。
三、教学方法3.1 讲授通过讲解微处理器系统结构、指令系统、存储系统、输入/输出系统和嵌入式系统设计的相关知识，使学生掌握基本概念、原理和方法。
3.2 实验安排实验课程，让学生亲自动手进行嵌入式系统设计，巩固所学知识，提高实际操作能力。
3.3 讨论与交流组织课堂讨论，引导学生思考和分析实际问题，培养学生的创新能力和团队合作精神。
四、教学评价4.1 考核方式课程考核采用期末考试和平时成绩相结合的方式，其中期末考试占60%，平时成绩占40%。
嵌入式系统设计师核心讲义概要
嵌入式系统基础知识1.1嵌入式系统的定义和组成一、嵌入式系统的定义1.IEEE定义2.国内定义二、嵌入式系统的发展概述1.嵌入式系统的发展历史2.嵌入式系统的发展趋势3.知识产权核三、嵌入式系统的组成1.概述2.硬件层3.中间层4.系统软件层5.应用软件层四、实时系统1.实时系统定义2.实时系统特点3.实时系统调度4.实时系统分类5.实时任务分类1.2 嵌入式微处理器体系结构一、冯诺依曼与哈佛结构1.冯诺依曼结构2.哈佛结构二、CISC与RISC1.复杂指令集计算机(CISC)2.精简指令集计算机(RISC)三、流水线技术1.流水线的基本概念2.流水线技术的特点3.流水线结构的分类4.流水线处理机的主要指标四、信息存储的字节顺序1.大端和小端存储法2.可移植性问题3.通信中的存储顺序问题4.数据格式的存储顺序1.3 嵌入式系统的硬件基础一、组合逻辑电路基础1.组合逻辑电路概述2.真值表3.布尔代数4.门电路5.译码器6.数据选择器和数据分配器二、时序逻辑电路1.时钟信号2.触发器3.寄存器与移位器4.计数器三、总线电路及信号驱动1.总线2.三态门3.总线的负载能力4.单向和双向总线驱动器5.总线复用6.总线通信协议7.总线仲裁四、电平转换电路1.数字集成电路的分类2.常用数字集成电路逻辑电平接口技术五、可编程逻辑器件基础1.可编程逻辑器件（PLD）概述2.PLD的电路表示法3.可编程阵列逻辑器件PAL和可编程逻辑阵列PLA4.可编程通用阵列逻辑器件GAL5.门阵列GA6.可编程程序门阵列PGA1.4嵌入式系统中信息表示和运算基础一、进位计数制与转换1.二进制2.十六进制3.数制表示4.数制转换二、计算机中数的表示1.基本概念2.数的定点和浮点表示三、非数值数据编码1.非数值数据定义2.字符和字符串的表示方法3.汉字的表示方法4.统一代码5.语音编码四、差错控制编码1.引入2.基本原理3.差错控制码分类4.常用的差错控制编码1.5嵌入式系统的性能评价一、质量项目1.性能指标2.可靠性与安全性3.可维护性4.可用性5.功耗6.环境适应性7.通用性8.安全性9.保密性10.可扩展性11.其他指标二、评价方法1.测量法2.模型法三、评估嵌入式系统处理器的主要指标1.MIPS测试基准2.Dhrystone3.EEMBC嵌入式微处理器与接口知识2.1嵌入式微处理器的结构和类型一、嵌入式微处理器1.定义2.组成3.分类二、典型8位微处理器结构和特点1.8位微处理器2.8051微处理器三、典型16位微处理器结构和特点1.16位微处理器2.16位微处理器MC68HC912DG128A四、典型32位微处理器结构和特点1.ARM处理器2.MIPS系列3.PowerPC五、DSP处理器结构和特点1.数字信号处理器的特点2.典型的数字信号处理器3.DSP的发展方向六、多核处理器的结构和特点1.多核处理器概述2.典型多核处理器介绍2.2嵌入式系统的存储体系一、存储器系统概述1.存储器系统的层次结构2.高速缓存（cache）3.存储管理单元MMU二、嵌入式系统存储设备分类1.嵌入式系统的存储器2.存储器部件的分类3.存储器的组织和结构的描述三、ROM的种类和选型1.常见ROM的种类2.PROM、EPROM、E2PROM型ROM的各自典型特征和不同点四、Flash Memory的种类和选型1.Flash Memory的种类（NOR和NAND型）2.NOR和NAND型Flash Memory各自的典型特征和不同点五、RAM的种类和选型1.常见RAM的种类（SRAM、DRAM、DDRAM）2.SRAM、DRAM、DDRAM各自的典型特征和不同点六、外部存储器的种类和选型1.外存概述2.硬盘存储器的基本结构与分类3.光盘存储器4.标准存储卡（CF卡）5.安全数据卡（SD卡）2.3嵌入式系统输入输出设备一、嵌入式系统常用输入输出设备1.概述2.键盘、鼠标3.触摸屏4.显示器5.打印机6.图形图像摄影输入设备二、GPIO原理与结构1.原理2.结构三、AD接口的基本原理和结构1.概述2.AD转换方法3.AD转换的重要指标四、DA接口的基本原理和结构1.DA转换的工作原理2.DA转换的主要指标五、键盘接口基本原理与结构1.键盘的分类2.用ARM芯片实现键盘接口六、显示接口的基本原理与结构1.液晶显示器LCD显示接口原理与结构2.电致发光3.LCD种类4.LCD的设计方法5.其他显示接口原理与结构七、显示接口的基本原理与结构1.触摸屏原理2.电阻触摸屏的有关技术3.触摸屏的控制4.触摸屏与显示屏的配合八、音频接口基本原理与结构1.音频数据类型2.IIS音频接口总线2.4嵌入式系统总线接口一、串行接口基本原理与结构1.串行通信的概念2.串行数据传送模式3.RS232串行接口4.RS422串行接口5.RS485串行总线接口二、并行接口基本原理与结构1.并行接口的分类2.并行总线三、PCI总线1.概述2.特点3.32位PCI系统的引脚分类4.PCI总线进行读操作四、USB通用串行总线1.概念2.主要性能特点B系统描述4.物理接口B电压规范6.总线协议7.健壮性B接口工作原理五、SPI串行外围设备接口1.概念2.使用信号3.同外设进行连接以及原理4.工作模式六、IIC总线1.概念2.特点3.操作模式4.通用传输过程及格式5.工作原理七、PCMCIA接口1.内存卡的种类2.16位PCMCIA接口的规范与结构2.5嵌入式系统网络接口一、以太网接口基本原理与结构1.以太网基础知识2.嵌入式以太网接口的实现方法3.在嵌入式系统中主要处理的以太网协议4.网络编程接口二、CAN总线1.概念2.特点3.位时间的组成4.CAN总线的帧数据格式5.在嵌入式处理器上扩展CAN总线接口三、XDSL接口的基本原理和结构1.概念2.XDSL技术的分析3.各类XDSL的特点四、无线以太网基本原理与结构1.概念2.标准3.网络结构4.接口设计和调试五、蓝牙接口基本原理与结构1.蓝牙技术2.蓝牙技术的特点3.蓝牙接口的组成4.链路管理与控制5.蓝牙接口的主要应用六、1394接口基本原理与结构1.发展过程2.应用领域3.IEEE 1394的特点4.IEEE 1394的协议结构2.6嵌入式系统电源一、电源接口技术1.AC电源2.电池3.稳压器二、电源管理技术1.电源管理技术2.降低功耗的设计技术2.7电子电路设计基础一、电路设计1.电路设计原理2.电路设计方法（有效步骤）二、PCB电路设计1.PCB设计原理2.PCB设计方法（有效步骤）3.多层PCB设计的注意事项（布线的原则）4.PCB螯合剂中的可靠性知识三、电子设计1.电子设计原理四、电子电路测试1.电子电路测试原理与方法2.硬件抗干扰测试嵌入式系统软件及操作系统知识3.1嵌入式软件基础一、嵌入式软件概述1.嵌入式软件的定义2.嵌入式软件的特点二、嵌入式软件分类1.系统软件2.应用软件3.支撑软件三、嵌入式软件的体系结构1.无操作系统的情形2.有操作系统的情形四、设备驱动层1.板级支持包2.引导加载程序3.设备驱动程序五、嵌入式中间件1.定义2.基本思想3.分类3.2嵌入式操作系统概述一、嵌入式操作系统的概念1.概述2.功能3.特点4.组件二、嵌入式操作系统的分类1.按系统的类型分类2.按响应时间分类3.按软件结构分类三、常见的嵌入式操作系统1.Vxworks2.嵌入式linux3.Windows CE4.Uc/os-II5.Palm OS3.3任务管理一、单道程序技术和多道程序技术1.定义2.实例二、进程、线程和任务1.进程2.线程3.任务三、任务的实现1.任务的层次结构2.任务的创建与终止3.任务的状态4.任务控制块TCB5.任务切换6.任务队列四、任务调度1.任务调度概述2.先来先服务算法3.短作业优先算法4.时间片轮转算法5.优先级算法五、实时系统调度1.任务模型2.RMS算法（单调速率调度算法）3.EDF算法（最早期限优先调度算法）六、任务间的同步与互斥1.任务之间的关系2.任务互斥3.任务互斥的解决方案4.信号量5.任务同步6.死锁7.信号七、任务间通信1.概念2.分类3.共享内存4.消息传递5.管道3.4存储管理一、存储管理概述1.存储管理方式2.内存保护3.实时性要求二、存储管理方案的种类1.实模式方案2.保护模式方案三、分区存储管理1.概念2.固定分区存储管理3.可变分区存储管理4.分区存储管理实例四、地址映射1.地址映射概述2.静态地址映射3.动态地址映射五、页式存储管理1.基本原理2.数据结构3.内存的分配与回收4.地址映射5.页式存储管理方案的特点六、虚拟存储管理1.程序局部性原理2.虚拟页式存储管理3.页面置换算法4.工作集模型3.5设备管理一、设备管理基础1.概述2.访问硬件寄存器的方法二、IO控制方式1.程序循环检测方式2.中断驱动方式3.直接内存访问方式（DMA）三、IO软件1.中断处理程序2.设备驱动程序3.设备独立的IO软件4.用户空间的IO软件3.6文件系统一、嵌入式文件系统概述1.基本概念2.嵌入式文件系统同桌面文件系统的区别3.常见的嵌入式文件系统二、文件和目录1.文件的基本概念2.文件的使用3.目录三、文件系统的实现1.数据块2.文件的实现3.目录的实现4.空闲空间管理嵌入式软件程序设计4.1嵌入式软件开发概述一、嵌入式应用开发过程1.步骤2.与桌面系统开发的区别3.示例二、嵌入式软件开发的特点1.需要交叉编译工具2.通过仿真手段调试3.开发板是中间目标机4.可利用的资源有限5.需要与硬件打交道三、嵌入式软件开发的挑战1.软硬件协同设计2.嵌入式操作系统3.代码优化4.有限的IO功能4.2嵌入式程序设计语言一、概述二、程序设计语言概述1.低级语言与高级语言2.汇编程序、编译程序、解释程序3.程序设计语言的定义4.程序语言的发展概述5.嵌入式程序设计语言三、汇编语言1.基本原理2.ARM汇编语言四、面向过程的语言1.基本概念2.数据成分3.运算成分程序语言的运算成分4.控制成分五、面向对象的语言1.面向对象的基本概念2.面向对象的程序设计语言六、汇编、编译与解释程序的基本原理1.汇编程序基本原理2.编译程序基本原理3.解释程序基本原理4.3嵌入式软件开发环境一、要求二、宿主机、目标机1.宿主机2.目标机3.宿主机与目标机的连接三、嵌入式软件开发工具1.软件开发阶段2.编辑器3.编译器4.调试及调试工具5.软件工程工具四、集成开发环境1.IDE的发展2.Tornado3.WindowsCE应用程序开发工具4.Linux环境下的集成开发环境4.4嵌入式软件开发一、嵌入式平台选型1.嵌入式系统设计的阶段2.软硬件平台的选择二、软件设计1.软件设计的任务2.模块结构设计3.结构化软件设计方法4.面向对象软件设计方法三、嵌入式程序设计1.BootLoader设计2.设备驱动程序设计3.网络应用程序设计四、编码1.编码过程2.编码准则3.编码技术五、测试1.软件测试2.测试的任务3.测试的方法和分类4.嵌入式软件测试的步骤5.覆盖测试六、下载和运行1.TFTP2.编程器的固化4.5嵌入式软件移植一、概述1.嵌入式软件的特点2.可移植性和可重用性的考虑3.嵌入式应用软件的开发4.嵌入式软件的移植二、无操作系统的软件移植1.概述2.基于层次化的嵌入式应用软件的设计三、有操作系统的软件移植1.概述2.示例四、应用软件的移植1.应用软件实现涉及的两方面2.移植应用软件是需考虑的因素3.软件开发时需遵守的原则嵌入式系统开发与维护知识5.1系统开发过程及其项目管理一、概述二、系统开发生命周期各阶段的目标和任务的划分方法1.常用开发模型1.1边做边修改模型1.2瀑布模型1.3快速原型模型1.4增量模型1.5螺旋模型1.6演化模型2.需求分析3.设计3.1系统架构设计3.2硬件子系统设计3.3软件子系统设计4.系统集成与测试三、系统开发项目管理基础知识及常用的管理工具1.项目管理概述2.项目范围管理3.项目成本管理4.项目时间管理5.软件配置管理6.软件配置管理的解决方案四、系统开发工具与环境知识1.建模工具2.编程工具3.测试工具5.2系统分析基础知识一、系统分析的目的和任务1.需求工程的概念2.相关术语二、用户需求1.概念2.关于Ada编程环境的需求示例3.编辑软件设计模型的CASE需求文档的示例4.特别的用户需求示例三、系统需求1.概念2.替代自然语言描述的系统分析方法四、系统规格说明书的编写方法1.系统规格说明书2.书写用户需求应遵循的简单原则3.需求文档的可能用户以及使用文档的方式4.Heninger（1980）对软件需求文档提出的要求5.IEEE标准为需求文档提出的结构6.编写系统规格说明书应重点注意的内容5.3系统设计知识一、传统的设计方法1.瀑布模型的组成部分2.瀑布模型法的优缺点3.传统的嵌入式系统的设计4.软硬件协同设计二、实时系统分析与设计1.实时系统分析阶段的主要任务2.实时系统的开发方法三、软硬件协同设计方法1.软硬件协同设计在实际应用中的表现2.软硬件协同设计的流程3.软硬件协同设计的优点4.系统涉及到组成部分5.4系统实施基础一、系统架构设计1.系统架构设计在软件生命周期中的作用2.系统架构设计原则和概念二、系统详细设计1.系统详细设计在软件生命周期中的作用2.系统详细设计阶段用到的设计方法概述三、系统测试1.系统测试在软件生命周期中的作用2.系统测试类型3.系统测试的策略5.5系统维护知识一、系统运行管理1.运行管理制度2.日常运行管理内容3.系统软件及文档管理二、系统维护知识1.系统可维护性概念2.系统维护的内容及类型3.系统维护的管理和步骤三、系统评价知识1.系统评价的目的和任务2.系统评价的指标嵌入式系统设计6.1嵌入式系统设计的特点一、嵌入式系统设计的主要任务二、嵌入式系统的设计方法三、嵌入式系统的特点1.软硬件协调并行开发2.嵌入式系统通常是面向特定应用的系统3.实时嵌入式操作系统的多样性RTOS4.与台式机相比，可利用资源很少5.嵌入式系统设计需要交叉开发环境6.嵌入式系统的程序需要固化7.嵌入式系统的软件开发难度较大8.嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持9.其他方面6.2嵌入式系统的设计流程一、概述1.嵌入式系统的设计和开发要求2.嵌入式系统的设计和开发流程的阶段二、产品定义1.产品功能与产品性能2.产品定义三、嵌入式系统的软硬件划分1.性能原则2.性价比原则3.资源利用率原则四、嵌入式系统硬件设计1.概述2.嵌入式系统硬件的选择3.硬件功能模块划分4.硬件的可靠性五、嵌入式系统的软件设计1.嵌入式开发过程中的角色2.进行嵌入式系统软件设计时需要考虑的方面六、系统集成和测试1.系统集成过程中，可以分阶段运行测试程序2.嵌入式系统集成过程中的调试工具3.嵌入式系统的软件测试的方法6.3设计示例：嵌入式数控系统一、嵌入式系统采用的设计方法1.传统设计方法2.软硬件协同设计方法二、数控系统简介1.概述C系统构成三、需求分析1.功能要求2.非功能要求四、系统体系结构设计1.系统软硬件划分2.硬件系统划分3.系统软件功能划分五、硬件设计1.板级设计2.芯片级硬件设计六、软件设计1.软件接口设计2.系统软件模块划分七、系统集成与测试1.功能干涉测试2.压力测试3.容量测试4.性能测试5.安全测试6.容错测试。
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10Biblioteka ARM体系结构版本 - 1
Version 1 (obsolete)
基本数据处理 字节, 字节,字以及多字 load/store 软件中断 26 bit 地址总线
Version 2 (obsolete)
MultiplyMultiply & Multiply-accumulate 支持协处理器 支持线程同步 26 bit 地址总线
4
ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理， ARM公司商业模式的强大之处在于其价格合理，全世界范围有超过 公司商业模式的强大之处在于其价格合理 100个合作伙伴--包括半导体工业的著名公司 ARM公司专注于设计 个合作伙伴--包括半导体工业的著名公司。 100个合作伙伴--包括半导体工业的著名公司。ARM公司专注于设计 其内核耗电少、成本低、功能强，特有16/32位双指令集。ARM已 16/32位双指令集 ，其内核耗电少、成本低、功能强，特有16/32位双指令集。ARM已 成为移动通信、手持计算、 成为移动通信、手持计算、多媒体数字消费等嵌入式解决方案的 RISC标准 标准。 RISC标准。 在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处 在所有ARM处理器系列中，ARM7处理器系列应用最广，采用ARM7处 ARM处理器系列中 处理器系列应用最广 ARM7 理器作为内核生产芯片的公司最多。 理器作为内核生产芯片的公司最多。
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处理器的工作状态
处理器有两种工作状态: ARM7TDMI 处理器有两种工作状态: 32-bit, 按字排列的ARM ARM指令集 ARM - 32-bit, 按字排列的ARM指令集 16按半字排列的Thumb Thumb指令集 Thumb -16-bit, 按半字排列的Thumb指令集 核的操作状态可能通过BX指令(分支和交换指令） BX指令 ARM7TDMI 核的操作状态可能通过BX指令(分支和交换指令）在 ARM状态和Thumb状态之间切换 状态和Thumb ARM状态和Thumb状态之间切换
例： 状态切换到Thumb状态： 状态： 从ARM状态切换到 状态切换到 状态 LDR R0,=Label+1 BX R0 状态切换到ARM状态： 状态： 从Thumb状态切换到 状态切换到 状态 LDR R0,=Label BX R0
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体系结构变化 - 2
长乘法指令 (‘M’) M) 提供全64 64位结果 32x32 = 64 bit. 提供全64位结果 增强DSP 增强DSP 指令集 (‘E’) E) 可附加在ARM中的DSP指令 可附加在ARM中的DSP指令 ARM中的DSP 64 bit 转换 v5版本中第一次推出 在 v5版本中第一次推出 处理器内核的变化 在片调试. D: 在片调试. 处理器可响应调试暂停请求 I: Embedded ICE. 支持片上断点调试
11
ARM体系结构版本 - 2
V3版本推出32位寻址能力, V3版本推出32位寻址能力,结构扩展变化为 版本推出32位寻址能力 T—16位压缩指令集 16位压缩指令集 16 M—增强型乘法器,产生全64位结果(32X32⇒64or32X32+64 ⇒64) 增强型乘法器,产生全64位结果(32X32⇒ 增强型乘法器 64位结果(32X32 V4版本增加了半字load和store指令 V4版本增加了半字load和store指令 版本增加了半字load V5版本改进了ARM和Thumb之间的交互,结构扩展变化为: V5版本改进了ARM和Thumb之间的交互,结构扩展变化为: 版本改进了ARM 之间的交互 E---增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作 ---增强型DSP指令集,包括全部算法操作和16位乘法操作 增强型DSP指令集 16 J----支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功 ----支持新的JAVA,提供字节代码执行的硬件和优化软件加速功 支持新的JAVA, 能
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ARM的发展历程-1
ARM即 Machines的缩写 的缩写。 ARM即Advanced RISC Machines的缩写。 1985年 1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公 26日 第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公 ARM原型在英国剑桥的Acorn 司诞生，由美国加州San VLSI技术公司制造 技术公司制造。 司诞生，由美国加州San Jose VLSI技术公司制造。 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品， 20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国 世纪80年代后期 很快开发成Acorn的台式机产品 的计算机教育基础。 的计算机教育基础。 1990年成立了Advanced Limited。 1990年成立了Advanced RISC Machines Limited。 年成立了 20世纪90年代，ARM32位嵌人式RISC（ 20世纪90年代，ARM32位嵌人式RISC（Reduced Instruction Set 世纪90年代 位嵌人式RISC Computer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、 Computer）处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性 能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 能的嵌入式系统应用领域的领先地位。 32位RISC处理器受到青睐，领先的是ARM嵌入式微处理器系列。 32位RISC处理器受到青睐，领先的是ARM嵌入式微处理器系列。 处理器受到青睐 ARM嵌入式微处理器系列 ARM公司虽然只成立10多年，但在1999年因移动电话火爆市场， ARM公司虽然只成立10多年，但在1999年因移动电话火爆市场，其 公司虽然只成立10多年 1999年因移动电话火爆市场 32位RISC处理器占市场份额超过了50%，2001年初 ARM公司的32位 处理器占市场份额超过了50% 年初， 公司的32 32位RISC处理器占市场份额超过了50%，2001年初，ARM公司的32位 RISC处理器市场占有率超过了75%。ARM公司是知识产权供应商 处理器市场占有率超过了75% 公司是知识产权供应商， RISC处理器市场占有率超过了75%。ARM公司是知识产权供应商，是 设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。 设计公司。由合作伙伴公司来生产各具特色的芯片。
7
ARM处理器的特点
ARM处理器的3大特点如下： ARM处理器的3大特点如下： 处理器的
小体积、低功耗、成本低、高性能； 小体积、低功耗、成本低、高性能； 16位/32位双指令集 位双指令集； 16位/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。 全球众多的合作伙伴。
当前ARM体系结构的扩充包括： 当前ARM体系结构的扩充包括： ARM体系结构的扩充包括
Thumb:16位指令集，用以改善代码密度； Thumb:16位指令集，用以改善代码密度； 位指令集 DSP：用于DSP应用的算术运算指令集； DSP应用的算术运算指令集 DSP：用于DSP应用的算术运算指令集； Jazeller：允许直接执行Java代码的扩充。 Java代码的扩充 Jazeller：允许直接执行Java代码的扩充。
6
ARM的发展历程-3
MIPS 100
StrongARM
ARM9,920
80 ARM8,810 60 ARM7D,7DM ARM7,710 20 ARM6,60,610 ARM2,3 0 1985 - 90 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 ARM7TDMI
40
12
ARM 体系结构更新
13
体系结构变化 – 1*
THUMB指令集 THUMB指令集 ( ‘T’) T) 指令集: 32位ARM指令集的子集 指令集的子集， 16位指令重新编码 THUMB 指令集: 32位ARM指令集的子集，按16位指令重新编码
代码尺寸小 ( up to 40 % compression) 简化设计
ARM处理器系列提供的解决方案包括： ARM处理器系列提供的解决方案包括： 处理器系列提供的解决方案包括
在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台； 在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台； 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统； 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统； 智能卡和SIM卡的安全应用。 SIM卡的安全应用 智能卡和SIM卡的安全应用。
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体系结构变化 - 3
ARM DSP 指令集 对于音频DSP应用提供高达70%的处理速度 对于音频DSP应用提供高达70%的处理速度 DSP应用提供高达70% Jazelle 提供比基于软件的JAVA虚拟机（JVM） 提供比基于软件的JAVA虚拟机（JVM）更高的性能 JAVA虚拟机 与非JAVA加速核相比，提供8 JAVA加速性能和降低80%的功 与非JAVA加速核相比，提供8倍JAVA加速性能和降低80%的功 JAVA加速核相比 加速性能和降低80% 耗 字节码直接在硬件上执行，88个字节码在软件上执行 139 字节码直接在硬件上执行，88个字节码在软件上执行
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ARM的业务模型
业务拓展 / 市场格局
IP ARM
授权费 版权费
产品，例如：芯片
Partner 单价
OEM Customer
ARM 创造和 设计IP
Partner把ARM IP 和其他 IP 集成进 产品
OEM 用来自 ARM Partner的 芯片设计制造最 终用户产品
9
ARM 微处理器
微处理器核: 微处理器核: ARM6, ARM7, ARM9, ARM10, ARM11 扩展: 扩展: Thumb, DSP, SIMD, Jazelle etc. 其它IP核 其它IP核: UART, GPIO, memory controllers, etc IP
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本节提要
1 ARM体系结构概览 体系结构概览 2 3 ARM编程模型 编程模型 ARM 指令集