第三节嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的组成
嵌入式微处理器的组成嵌入式微处理器是一种特殊的微处理器，它通常被嵌入到各种设备中，例如家用电器、汽车、工业机器人等。
由于其小巧、低功耗和高性能等特点，嵌入式微处理器在现代社会中扮演着越来越重要的角色。
本文将介绍嵌入式微处理器的组成，包括CPU、内存、外设等方面。
一、CPUCPU是嵌入式微处理器的核心部件，负责处理各种指令和数据。
与桌面计算机的CPU相比，嵌入式微处理器的CPU通常采用更小、更简单的设计。
它们通常具有低功耗、高效率、可靠性和安全性等特点。
嵌入式微处理器的CPU可以分为两类：RISC和CISC。
RISC （Reduced Instruction Set Computer）指令集计算机采用较少的指令，每个指令执行的操作都比较简单，因此它们的指令执行速度较快。
CISC（Complex Instruction Set Computer）指令集计算机则采用较多的指令，每个指令可以执行更复杂的操作，但执行速度较慢。
目前，大多数嵌入式微处理器采用RISC架构。
二、内存内存是嵌入式微处理器的另一个重要组成部分。
它通常被用来存储程序代码和数据。
嵌入式微处理器的内存可以分为两类：ROM和RAM。
ROM（Read-Only Memory）只能读取，不能写入。
它通常被用来存储程序代码和常量数据，例如设备的固件。
ROM的优点是可靠性高，但缺点是无法修改，需要重新烧录才能更新。
RAM（Random Access Memory）可以读取和写入。
它通常被用来存储临时数据和变量。
RAM的优点是灵活性高，但缺点是可靠性低，需要电源供应才能保持数据。
除了ROM和RAM，嵌入式微处理器还可以使用闪存、EEPROM等非易失性存储器。
它们可以在断电或重启后保持数据，因此适合存储一些需要长期保存的数据。
三、外设外设是嵌入式微处理器的另一个重要组成部分。
它们可以为嵌入式系统提供各种功能和接口。
嵌入式微处理器的外设可以分为以下几类：1.输入输出接口：包括GPIO（General Purpose Input/Output）、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、SPI（Serial Peripheral Interface）、I2C（Inter-Integrated Circuit）等。
嵌入式微处理器
调试子系统
JTAG调试接口和BDM调试接口。便于 硬件和软件的调试。 在设计嵌入式系统的硬件电路时，通常 在电路上引出JTAG接口，用于软件调试 和程序下载、升级等。 保留调试子系统，用于程序下载和调试。
如何选择处理单元
选择哪一类处理单元：根据具体的设计应用，在通用 处理器、嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式 DSP、可编程器件之间作出选择。 选择哪个厂家的产品，即选择处理器的制造商，一般 需要考虑：
嵌入式微处理器
特点：
需要扩展。一般需要大量的外围电路，包括存储器 和I/O接口电路 处理能力一般大于微控制器：大量的芯片面积集成 了处理器内核，具有较高时钟频率和较宽的字长 寻址能力大于微控制器 一般适合于高端应用 型号多 通用性强
ARM、Atmel、Intel、Motorola、National Semiconductors等公司
运行速度快：最高20MHz 数字信号的操作电压为2.7-6.0V 128B的RAM 2个16位定时器/计数器 两个精确模拟量比较器 全双工通用异步接收/发送器及I2C通信接口 8个键盘组合的中断输入，加两路外部中断输入，4个中断优先级 看门狗定时器，溢出时间8级选择 低电平复位 降压复位 可选片内振荡器及其频率范围和RC振荡器。 可编程I/O端口输出模式：准双向口、开漏输出、上拉和输入功能。可选施密 特触发输入。 所有口线均有20mA的驱动能力 端口输出的转换速度受控制以降低电磁干扰 至少15个I/O端口 仅需连接电源线和地线 串行EPROM允许在线编程 空闲和掉电两种省电模式 低功耗 工业级温度范围 20引脚DIP封装和SOIC封装及TSSOP超薄微小型封装
《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 常见的指令类型及其功能2.3 指令的寻址方式2.4 指令执行过程第三章：微处理器存储系统3.1 存储器的分类与特点3.2 内存管理单元（MMU）3.3 存储器层次结构与缓存技术3.4 存储系统的性能优化第四章：微处理器输入/输出系统4.1 I/O 接口的基本概念与分类4.2 常见的I/O 接口技术4.3 直接内存访问（DMA）4.4 interrupt 与事件处理第五章：嵌入式系统设计概述5.1 嵌入式系统的设计流程5.2 嵌入式处理器选型与评估5.3 嵌入式系统硬件设计5.4 嵌入式系统软件设计第六章：嵌入式处理器架构与特性6.1 嵌入式处理器的基本架构6.2 嵌入式处理器的分类与特性6.3 嵌入式处理器的发展趋势6.4 嵌入式处理器选型considerations 第七章：数字逻辑设计基础7.1 数字逻辑电路的基本概念7.2 逻辑门与逻辑函数7.3 组合逻辑电路与触发器7.4 微处理器内部的数字逻辑设计第八章：微处理器系统设计与验证8.1 微处理器系统设计流程8.2 硬件描述语言（HDL）与数字逻辑设计8.3 微处理器系统仿真与验证8.4 设计实例与分析第九章：嵌入式系统软件开发9.1 嵌入式软件的基本概念9.2 嵌入式操作系统与中间件9.3 嵌入式软件开发工具与环境9.4 嵌入式软件编程实践第十章：嵌入式系统应用案例分析10.1 嵌入式系统在工业控制中的应用10.2 嵌入式系统在消费电子中的应用10.3 嵌入式系统在医疗设备中的应用10.4 嵌入式系统在其他领域的应用案例分析第十一章：嵌入式系统与物联网11.1 物联网基本概念与架构11.2 嵌入式系统在物联网中的应用11.3 物联网设备的硬件与软件设计11.4 物联网安全与隐私保护第十二章：实时操作系统（RTOS）12.1 实时操作系统的基本概念12.2 RTOS的核心组件与特性12.3 常见的实时操作系统及其比较12.4 实时操作系统在嵌入式系统中的应用第十三章：嵌入式系统功耗管理13.1 嵌入式系统功耗概述13.2 低功耗设计技术13.3 动态电压与频率调整（DVFS）13.4 嵌入式系统的电源管理方案第十四章：嵌入式系统可靠性设计14.1 嵌入式系统可靠性概述14.2 故障模型与故障分析14.3 冗余设计技术与容错策略14.4 嵌入式系统可靠性评估与测试第十五章：现代嵌入式系统设计实践15.1 现代嵌入式系统设计挑战15.2 多核处理器与并行处理15.3 系统级芯片（SoC）设计与集成15.4 嵌入式系统设计的未来趋势重点和难点解析第一章：微处理器概述重点：微处理器的定义、发展历程、组成、工作原理、性能指标。
嵌入式微处理器
• 按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、 地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。
• 总线是一种内部结构，它是cpu、内存、输入、输出设备传递信息的 公用通道，主机的各个部件通过总线相连接，外部设备通过相应的接 口电路再与总线相连接，从而形成了计算机硬件系统。
件执行功能。 – ARM程序和Thumb程序可相互调用，相互之间的状态切换开销几乎为零。
（1）指令译码
• 指令的编码就是实现汇编语言到二进制机器码的过程，指令译码即其 逆过程，根据读取到的二进制代码分析得到需执行的操作。
例：假设某简单CPU只支持4种功能： 包括 1）加法 ADD Rd，Rs，Rn , 结果是Rd=Rs+Rn 2）减法 SUB Rd，Rs，Rn , 结果是Rd=Rs-Rn 3）数据传送 MOV Rd，Rs，结果是Rd=Rs 4）数据加载 LDR Rd，[Rs] ，结果是将内存中以Rs寄存器的值为地址 取值赋给Rd
嵌入式系统的组成
8/29/2020
4
嵌入式系统的硬件
• 嵌入式系统的硬件包括嵌入式核心芯片、存储器系统及外部接口； • 嵌入式核心芯片可以是嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数
字信号处理器、嵌入式片上系统和嵌入式可编程片上系统等。 • 存储器包括程序存储器、数据存储器和参数存储器等； • 一般嵌入式处理器上集成了接口，但是外设需要外接。
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嵌入式系统软件
• 包括嵌入式操作系统和应用软件 • 嵌入式操作系统具有一定的通用性 • 常用的嵌入式操作系统有：vXWorks、Windows CE、嵌入式Linux、
嵌入式系统设计教程(第2版)简答题答案.pdf
第一章嵌入式系统概论1.嵌入式系统的定义是什么？答：以应用为中心，以计算机技术为基础，硬件、软件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2.简述嵌入式系统的主要特点。
答：（1）功耗低、体积小、具有专用性（2）实时性强、系统内核小（3）创新性和高可靠性（4）高效率的设计（5）需要开发环境和调试工具3. 嵌入式系统一般可以应用到那些领域？答：嵌入式系统可以应用在工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、网络及电子商务、环境监测和机器人等方面。
4. 简述嵌入式系统的发展趋势答：（1）嵌入式应用的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持（2）连网成为必然趋势（3）精简系统内核、算法，设备实现小尺寸、微功耗和低成本（4）提供精巧的多媒体人机界面（5）嵌入式软件开发走向标准化5.嵌入式系统基本架构主要包括那几部分？答：嵌入式系统的组织架构是由嵌入式处理器、存储器等硬件、嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。
嵌入式系统一般由硬件系统和软件系统两大部分组成，其中，硬件系统包括嵌入式处理器、存储器、I/O系统和配置必要的外围接口部件；软件系统包括操作系统和应用软件。
6.嵌入式操作系统按实时性分为几种类型，各自特点是什么？答：（1）具有强实时特点的嵌入式操作系统。
（2）具有弱实时特点的嵌入式操作系统。
（3）没有实时特点的嵌入式操作系统。
第二章嵌入式系统的基础知识1.嵌入式系统体系结构有哪两种基本形式？各自特点是什么？答：冯诺依曼体系和哈佛体系。
冯诺依曼体系结构的特点之一是系统内部的数据与指令都存储在同一存储器中，其二是典型指令的执行周期包含取指令TF，指令译码TD，执行指令TE，存储TS四部分，目前应用的低端嵌入式处理器。
哈佛体系结构的特点是程序存储器与数据存储器分开，提供了较大的数据存储器带宽，适用于数据信号处理及高速数据处理的计算机。
2.在嵌入式系统中采用了哪些先进技术？答：（1）流水线技术（2）超标量执行（3）总线和总线桥3.简述基于ARM架构的总线形式答：ARM架构总线具有支持32位数据传输和32位寻址的能力，通过先进微控制器总线架构AMBA支持将CPU、存储器和外围都制作在同一个系统板中。
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）。
嵌入式处理器原理及应用幻灯片PPT
形式多样、面向特定应用
• 一般用于特定的任务或特定的领域，其硬件和软 件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 而通用计算机那么是一个通用的计算平台。
• 它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。 • 嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一
体化程序。
电子科技大学嵌入式软件工程中心
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3 嵌入式硬件系统的组成
A CPU is the main processor inside a computer. It used to handle everything. Nowadays it's left to handle only the most important system functions, while other processors are specialized to handle other things. A good example is the graphics processor or GPU. 20 years ago the CPU handled graphics with very little outside help. Now almost all of the work is taken care of by the GPU instead.
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课程简介
本课程讲授微处理器ARM的体系构造、指 令系统及其汇编语言程序设计，SOC嵌入式 处理器的内部构造、组成、特点、外围电路 ，嵌入式C语言程序设计的特点，以及ARM汇 编语言和C语言的混合程序设计；了解嵌入式 系统底层软件〔包括系统启动加载软件、设 备驱动软件等〕的开发方法，并能利用嵌入 式处理器进展软硬件的综合设计和实现。
嵌入式微处理器原理与应用
嵌入式微处理器原理与应用一、引言嵌入式微处理器作为现代电子技术的重要组成部分，广泛应用于各个领域，如家电、汽车、通信等。
本文将介绍嵌入式微处理器的原理和应用，以帮助读者更好地了解和应用这一技术。
二、嵌入式微处理器的原理1. 定义：嵌入式微处理器是指集成在特定设备中的微处理器，它具有高度集成、低功耗、小体积等特点。
2. 构成：嵌入式微处理器由CPU核心、存储器、外设接口等组成。
其中，CPU核心负责执行指令，存储器用于存储指令和数据，外设接口用于与外部设备进行通信。
3. 工作原理：嵌入式微处理器通过执行存储在存储器中的指令来完成特定任务。
它通过总线与存储器和外设进行数据传输，并通过时钟信号控制指令的执行。
三、嵌入式微处理器的应用1. 家电领域：嵌入式微处理器广泛应用于家电产品，如冰箱、空调、洗衣机等。
它可以实现智能化控制，提高产品的性能和功能，提供更好的用户体验。
2. 汽车领域：嵌入式微处理器在汽车电子系统中扮演着重要角色。
它可以实现车载娱乐、车载导航、车辆控制等功能，提高驾驶安全性和乘坐舒适度。
3. 通信领域：嵌入式微处理器被广泛应用于通信设备，如手机、路由器等。
它可以实现数据传输、信号处理等功能，提高通信质量和速度。
4. 工业控制领域：嵌入式微处理器在工业控制系统中发挥着重要作用。
它可以实现自动化控制、数据采集、监测等功能，提高生产效率和质量。
四、嵌入式微处理器的发展趋势1. 高性能：随着科技的进步，嵌入式微处理器的性能越来越强大，运算速度和存储容量都得到了显著提升。
2. 低功耗：为了满足节能环保的需求，嵌入式微处理器的功耗也在不断降低，以延长电池寿命和降低能耗。
3. 多核处理：为了满足多任务处理的需求，嵌入式微处理器逐渐采用多核架构，提高系统的并行处理能力。
4. 高集成度：随着集成电路技术的不断进步，嵌入式微处理器的集成度越来越高，体积越来越小，功能越来越强大。
五、总结本文介绍了嵌入式微处理器的原理和应用。
第三章 嵌入式微处理器ARMPPT课件
– V5T支持16位的Thumb指令集
– V5E支持DSP指令的结构
– V5J支持Java指令的结构
2020/7/18
11
V5结构（2A）RM
• V5T：ARM10TDMI和使用ARM10TDMI核的处理器 ARM1020T。
• V5TE：ARM9E，ARM9E-S，以及使用ARM9E核的 处理器ARM946和ARM966。ARM10E以及使用 ARM10E核的处理器ARM1020E，ARM1022E 和Intel 公司的Xscale。
2020/7/18
15Leabharlann • 数据处理新体系结构的发展（3A）RM
– 数据的大小端问题是指数据以何种方式在存储器中被 存储和引用。随着更多的SOC集成，单芯片不仅包含 小端的OS环境和界面（像USB，PCI），也包含大端的 数据（TCP/IP包，MPEG流）。
• 例外（EXCEPTION）与中断
– 对于实时系统来说，对于中断的效率是要求严格的。 像硬盘控制器，引擎管理应用，这些应用中如果中断 没有及时得到响应，那后果将是严重的。更有效的处
– 若使用16位的存储器，Thumb代码比ARM代码快约40%～50%
– 使用Thumb代码比ARM代码，存储器的功耗会降低约30%
• ARM指令集和Thumb指令集各有其优点，对系统的性能有较高 要求，应使用32位的存储系统和ARM指令集；对系统的成本及 功耗有较高要求，则应使用16位的存储系统和Thumb指令集。
2020/7/18
8
V3结A构RM
• V3结构ARM处理器升级为32位地址空间，指令结构 也更加完善，这种体系结构也不再使用。
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《嵌入式处理器》PPT课件
精选PPT
3
• 无论哪个行业，都有其规律性可寻。无论嵌入式 处理器的功能如何复杂和不同，它们均含有以下 几点：
• (1)处理器内核(内部)。
精选PPT
14
3.4 典型的嵌入式处理器
3.4.1 ARM／StrongARM 3.4.2 MIPS 3.4.3 PowerPC 3.4.4 x86 3.4.5 68K／Coldfire
精选PPT
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3.5 ARM处理器
3.5.1 ARM－Advanced RISC Machines 3.5.2 ARM微处理器的应用领域及特点 3.5.3 ARM微处理器系列 3.5.4 ARM微处理器结构 3.5.5 ARM微处理器的应用选型
• 25MIPS/MHz；
• 在实际应用中，与同等ARM9器件相比，在同样的
时钟速度下，性能提高精了选P5PT0％。
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SecurCore SC100
• SecurCore SC100系列专为安全需要而设 计，具有特定的抗窜改（resisit tampering） 和反工程（reverse engineering）特性。它 还有灵活的保护单元，以确保操作系统和 应用数据的安全。
的处理器速度运转，可直接连接到内核上，非常 适用于必须有确定性能和快速访问时间的代码。
精选PPT
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ARM10系列
ARM10系列为硬宏单元，带有：
• DSP扩展；
• 嵌入式ICE-RT；
• 全性能MMU；
• Cache；
• 对于指令和数据，64位AHB接口；
第3章嵌入式处理器ppt课件
Inst1 Inst2 Inst3 Inst4 Inst5 Inst6 Inst7 Inst8
EXE
Inst1 Inst2 Inst3 Inst4 Inst5 Inst6 Inst7 Inst8 Inst9
ID
Inst1 Inst2 Inst3 Inst4 Inst5 Inst6 Inst7 Inst8 Inst9 Inst10
执行划分为多个顺序功能段（这些功能段可以被CPU中各个独立的电
路部件分别并行执行），充分利用指令流经过的CPU各电路部件的每
个时间段，并行处理多条指令，以最大限度的利用电路的潜能
▲
在日常生 活中， 随处都 可以看 到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
嵌入式处理器芯片内部架构
处理器核
高速总线
片上
或片
外存
储器
显示
设备
低速总线
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在日常生 活中， 随处都 可以看 到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
3.1.3 附属电路和I/O模块
➢ 附属电路
➢ I/O模块
处理器芯片与外部设备之间的交互和通信，通过芯
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在日常生 活中， 随处都 可以看 到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
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在日常生 活中， 随处都 可以看 到浪费 粮食的 现象。 也许你 并未意 识到自 己在浪 费，也 许你认 为浪费 这一点 点算不 了什么
3.1.4 调试接口
CISC
CISC指复杂指令集计算机，它的目的是要用最少的
嵌入式微处理器介绍
S3C2440A嵌入式微处理器1.1 S3C2440A处理器简介S3C2440A是著名的半导体公司SAMSUNG推出的一款16/32位RISC微处理器，它为手持设备和一般类型的应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。
1.1.1 S3C2440A主要片上功能1.2V内核供电, 1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电具备16KB 的I-Cache和16KB DCache/MMU。
外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑)LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT）提供1通道LCD专用DMA 。
4通道DMA 并有外部请求引脚。
3通道UART(IrDA1.0, 64字节Tx FIFO，和64字节Rx FIFO)。
2通道SPI。
1通道IIC-BUS接口（多主支持）。
1通道IIS-BUS音频编解码器接口。
AC’97解码器接口兼容SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11兼容版。
2端口USB主机/1端口USB设备（1.1 版）4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器8通道10比特ADC和触摸屏接口具有日历功能的RTC相机接口（最大4096×4096像素的投入支持。
2048×2048像素的投入，支持缩放）130个通用I/O口和24通道外部中断源。
具有普通，慢速，空闲和掉电模式。
具有PLL片上时钟发生器1.1.2 S3C2440A主要特性1.1.2.1 体系结构为手持设备和通用嵌入式应用提供片上系统解决方案。
16/32位RISC体系结构和ARM920T内核强大的指令集。
加强的ARM体系结构MMU用于支持WinCE，EPOC 32和Linux。
采用高速指令I-Cache，高速数据D-Cache，写缓冲器和物理地址TAG RAM 以减少主存带宽和响应速度带来的影响。
采用ARM920T CPU内核支持ARM调试体系结构。
内部高级微控制总线（AMBA）体系结构(AMBA2.0，AHB/APB)。
嵌入式网络微处理器MAC层CRC32编解码器设计
嵌入式网络微处理器MAC层CRC32编解码器设计MAC层是嵌入式网络微处理器的关键单元之一,而MAC层的速度很大程度上受制于FCS域的计算速度即CRC32编解码器的速度,因此如何提高CRC32编解码器的速度是提高网络微处理器速度的关键。
文中首先介绍了MAC层结构,并逐步引导出了MAC帧中FCS域的运算。
然后介绍了CRC32算法的原理。
并从最基本的串行实现开始,阐述了各种实现方法的原理和优缺点,分析了CRC32运算过程中影响运算速度的瓶颈。
最后提出了用流水线结构与代入法相结合的CRC32编解码器的整体架构,电路实现方式和通过取反运算来简化CRC32解码器结构的设计方法。
三、嵌入式微处理器体系结构
16
ARM 体系结构更新
17
体系结构变化 – 1*
THUMB指令集 ( ‘T’) 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
18
体系结构变化 - 2
长乘法指令 (‘M’) 32x32 = 64 bit. 提供全64位结果
80 ARM8,810
60 ARM7TDMI
ARM7D,7DM 40
ARM7,710 20
ARM6,60,610 ARM2,3 0 1985 - 90 1991 1992 1993 1994 1995
1996 1997
11
市场分布
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ARM处理器的特点
ARM处理器的3大特点如下：
小体积、低功耗、成本低、高性能； 16位/32位双指令集； 全球众多的合作伙伴。
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ARM 微处理器
微处理器核: ARM6, ARM7, ARM9, ARM10, ARM11 扩展: Thumb, DSP, SIMD, Jazelle etc. 其它IP核: UART, GPIO, memory controllers, etc
14
ARM体系结构版本 - 1
Version 1 (obsolete)
CPSR SPSR_abt
IRQ32 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13_irq R14_irq R15(PC)
CPSR SPSR_irq
Undefined32 R0 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13_und R14_und R15(PC)
嵌入式微处理器及应用
B RT
电子系统设计
2. Windows CE Windows CE是一个简洁、高效率的多平台操作系统，是Microsoft完全独立开发的操作系统，是
从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完全优先级、多任务的操作系统。操作系统内核占据最 少200KB ROM空间。 应用对象是移动设备
WINCE开发相对较容易，开发周期短，内核完善，主要是应用层开发。 源码不开放。需要付费授权
B RT
电子系统设计
1、 嵌入式Linux 1991年林纳斯·托瓦兹开发的。 Linux主要特点有： 开放源码； 内核小(200k-几M)、功能强大、运行稳定、效率高； 易于定制裁剪； 可移植到数十种微处理器上； 支持大量的外围硬件设备，驱动程序丰富； 有大量的开发工具，良好的开发环境； 对以太网、千兆以太网、无线网络、令牌网、光纤网、卫星网等多种联网方式提供了全面的支持； 在图像处理、文件管理与多任务支持等方面，Linux也提供了较强的支持。 缺点：实时性不够好
1.1嵌入式系统简介
B RT
电子系统设计
1.2嵌入式处理器
1.2.1 嵌入式处理器分类 按处理器的应用领域，广义上将其分为4类，
嵌入式微处理器(广义)
嵌入式微控制器：单片机 嵌入式数字信号处理器(DSP) 嵌入式微处理器(狭义)
可编程逻辑器件(PLD)
B RT
电子系统设计
B RT
电子系统设计
迄今为止，Motorola公司共生产了6代产品，它们是G1、G2、G3、G4、G5和G6，Motorola公司生 产的PowerPC微处理器芯片产品编号前有“MPC”前缀，如G5中的MPC855T，G6中的MPC860DE~ MPC860P等。
2004年，Motorola公司分拆半导体部门，组建了新公司Freescale（飞思卡尔），由该公司继续MPC 微处理器的技术支持和新产品研发。
嵌入式微处理器概述
特点： 特点：
提供了对安全解决方案的支持 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全 采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测 可集成用户自己的安全特性和其他协处理器
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StrongARM 处理器与Xscale 处理器
StrongARM 处理器系列 Intel StrongARM SA-1100 处理器是采用 ARM 体系结构高 度集成的 32 位 RISC 微处理器。采用5级流水线，它融合了 Intel 公司的设计和处理技术以及 ARM 体系结构的电源效率，采用在软 件上兼容 ARMv4 体系结构、同时采用具有 Intel 技术优点的体系 结构。 Intel StrongARM 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品 的理想选择，已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品。 Xscale 处理器 Xscale 处理器是基于 ARMv5TE 体系结构的解决方案，是一 款全性能、高性价比、低功耗的处理器。功耗0.1mW～1.6W，工 作频率可达1GHz。它支持 16 位的 Thumb 指令和 DSP 指令集， 已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 Xscale 处理器是 Intel 目前主要推广的一款 ARM 微处理器。
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ARM9E 系列微处理器
ARM9E 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费 品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 ARM9E 系列微处理器包含 ARM926EJ-S 、 ARM946ES和 ARM966E-S 三种类型，以适用于不同的应用场合。
特点： 特点：
支持 DSP 指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 5 级整数流水线，指令执行效率高。 支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集 支持 VFP9 浮点处理协处理器。 全性能的 MMU ，支持多种主流嵌入式操作系统。 主频最高可达 300MIPS。
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⑸ 代码的继承性往往决定了CPU的选择， 在军用设备中，为了实现系统的可靠性 以及研制周期，直接延用原来的CPU类 型。 ⑹ 供应商的因素。由于功能的扩展，原 来选择的CPU已经不能满足系统需求， 供应商提供相应的升级替换CPU，并提 供技术支持。
3.5 Biblioteka 型的嵌入式处理器Microchip公司PIC系列 Philips公司：51LPC系列 Motorola的MC68HC08系列 MCS51系列 Atmel AVR系列 AMD80C186 16位系列 Motorola MC68HC12 16位系列 Motorola PowerPC/ColdFire 32位系列 ARM 32位系列 国产龙芯/方舟系列
program memory instruction CPU PC
3.1.2 指令集
RISC与CISC： CISC: Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机。 RISC: Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机
嵌入式专用计算机系统 （1）通用微处理器： （2）嵌入式微处理器： 处理能力、寻址 能力较强，需扩展外围电路，通用性较 强。 “增强型”通用微处理器， 由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶 劣的环境中，因而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 要求较通用的标准微处理器高。 80186
国内机载设备，x86系列较多，应用中都 需要较多的外围接口电路扩展，如Flash 存储器、A/D、D/A等，增加成本，降低 系统可靠性。另外由于x86是基于CISC指 令集，需要较大的硅片，系统的功耗较 大，通常300MHz的CPU就需要散热片， 对于环境要求较高的机载设备增加散热 片必然影响系统的可靠性。
CISC
CISC :指令系统复杂, 寻址方式多, 指 令多,每条指令的执行周期数不尽相同。 统计表明：8.7%~30.3%的指令从来没用 过，44.6%~ 87.8%的指令很少用。 因此简化指令系统有利于提高整个系统 的运行速度。
RISC
中心思想：简化硬件设计，硬件只执行 很有限的最常用的指令，大部分复杂的 操作使用成熟的编译技术，由简单指令 合成。 采用RISC 可以以相对少的晶体管设计出 较快的微处理器。
（3）处理速度：现在通常采用在单位时间内 各类指令的平均执行条数，即根据各种指令的 使用频度和执行时间来计算。 t p t n为处理器指令类型数，为第i类指令在程序中 的使用频度，为第i类指令的执行时间，为平均 指令执行时间，其倒数就是处理器的运新高速 度的指标，单位为MIPS。 还有其它的方法衡量处理器的速度，如 MFLOPS（每秒百万次浮点运算）、主频。
(3)可扩展的处理器结构，以能迅速地扩 展出满足应用的高性能的嵌入式微处理 器； (4)嵌入式微处理器的功耗必须很低，尤 其是用于便携式的无线及移动的计算和 通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更 是如此，功耗只能为mw甚至μw级。
处理器分类： 微控制器（MCU）、微处理器（MPU） MPU：Processor，主要完成对数据的运算 和处理，注重于对数据的处理速度，常用 的 包 括 Intel 的 x86/Pentium 系 列 和 IBM ／ Motorola的部分PowerPC系列； MCU：Controller，内核与MPU类似，通常 包括很丰富的外围接口，种类繁多，主要 完成对系统的控制 。
４、编译优化 RISC不常用的操作由软件来实现。因 此RISC处理机更加依赖于好的编译器， 同时也要依靠优化编译器。没有高时钟 频率和好编译器的支持，RISC不可能很 好地发挥优点。
优点：指令精简，减少CPU内部的控制 部件的复杂性，减少控制部分所占芯片 的面积，降低功耗，指令流水线提高运 行速度。 缺点：模拟复杂指令代码长（30%）， 内存大。 CISC与RISC：两者互相融合，各取所长。
3.2 处理器分类
嵌入式微处理器一般具备4个特点： (1)对实时和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操作系统 的执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，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；
（3）嵌入式微控制器：51系列、96系列、 68K系列、Microchip的PIC系列等，典型 的嵌入式微控制器集成了CPU内核、中 断控制器、定时器/计数器、存储器 （RAM、FLASH等）以及 其它外设。通 常不需要扩展外部存储器。
现在MCU主要有8位、16位和32位三种， 其中8位MCU市场占有率达到近一半以上， 而32位MCU的增长速度非常快。 在大多数设备，控制规律较简单，选择8 位的MCU较为合适，从CPU的集成度、 开发工具、开发的复杂性等方面，都具 有很大优势，特别是现在集成了各种外 围接口，如Flash存储器、A/D、D/A等， 完全满足一些较简单的控制系统的需求。 8位微控制器的代表就是8051系列和摩托 罗拉的68HC05系列。
３.4 选择原则
MCU选择主要应该考虑以下几点： ⑴ 根据系统处理数据的主要类型来定 CPU总线的位数，如果主要数据的位数 大于8位，就应该选择16位或32位的CPU。 如对信号采样时，A/D或D/A为12位的， 如果采用8位的CPU，在输入或输出以及 在中间的数据处理时都要进行数据的类 型转换，影响程序运行效率。
⑶ 开发工具的支持。开发工具在嵌入式 系统的开发中具有重要地位，不仅影响 开发的进度，而且直接关系到设备的性 能，甚至项目的成败。 ⑷ 操作系统的支持。一般简单的机电系 统应用不需要操作系统，直接采用汇编 或C就可以编程，一般采用8位MCU就可 以完成任务；而对于较复杂的应用，通 常需要操作系统的支持。
控制平台：TMS320C2000，C24x、C28x 强大数据处理能力和控制能力，定点 低功耗平台：TMS320C5000，C54x、C55x 针对消费类数字市场，最低功耗 0.33mA/MHz，移动电话、数码相机等。定点 处理能力平台：TMS320C6000，C62x、C64x 处理能力强，网络交换、图像处理、雷达 信号处理等高端应用。定点/浮点
address data memory 200 ADD r5,r1,r3 PC 200 PC CPU ADD IR r5,r1,r3
哈佛体系结构：程序和数据有分离的存 储空间，有多条总线，允许同时存取指 令和数据。多数DSP处理器采用此结构， 速度较快。
address data memory data address
3. 3 嵌入式处理器的技术指标
（1）功能：处理器的种类、外部接口的种类 和数量，集成的多需要外围扩展的就少，可靠 性高成本低。根据系统的需要尽量选择集成所 需接口种类和数量的处理器。 （2）字长：参与运算的数的基本位数，决定 于寄存器、运算器和数据总线的宽度，直接影 响硬件的复杂度。字长越长，包含的信息量越 多，能表示的数据有效位数也越多，计算精度 越高，而且处理器的指令可以较长，指令系统 的功能就较强。通常有1、4、8、16、32、64 位字长。
第三节 嵌入式系统处理器
3.1 处理器基本知识 3.2 处理器分类 3. 3 嵌入式处理器的技术指标 ３.4 选择原则 3.5 典型的嵌入式处理器 3.6 嵌入式微处理器调试方法
3.1 处理器基本知识
３.1.1 体系结构
冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构
冯.诺依曼体系结构：单一的存储空间，程 序和数据都放在这一空间中，提取指令和 数据是通过单一的总线进行。不能同时对 程序和数据进行存取。
（5）SoC： 各种通用处理器内核将作为soc设计的标准库， 用标准的vhdl、verlog等硬件语言描述，成为 vlsi设计中一种标准的器件，存储在器件库中。 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后 交给半导体工厂制作样品。 针对特定应用而设计，如HDTV、ADSL、 Cable Modem等,集成的资源比一般MCU更专 业化，可以根据设计人员的要求来构建定制 SoC，价格高于MCU。
RISC的特点
１、采用精简的指令集，指令的长度一 样，一个时钟周期内可以完成。
２、指令流水线
每执行一步需要一个周期，一条指令需要四个周期，但平 均一条指令需要一个周期。
３、采用加载(load) 、存储(store) 结 构，只允许加载(load) 、存储(store) 指令执行存储器操作,其余指令均对寄存 器操作，大大增加通用寄存器的数量以 提高速度。
DSP概述
FFT算法的出现和可编程数字信号处理器的引入 加速了DSP的发展。 AD公司：ADSP-21xx处理器，代码和引脚兼容的 数字信号处理器家族，高达160MHz的工作频率和 低至184uA的功耗。21xx系列产品包括适合蜂窝 通信应用， 2199x系列适合电机控制应用 Motorola公司：DSP563xx、DSP58xxx、MCS7111、 MCS81xx。 TI公司：1982年推出第一个DSP，根据应用领域 的不同，推出三个大平台。
嵌入式计算机的方式： （1）嵌入式通用计算机 通用计算机、工控机；单板计算机： PC104、PC104PLUS、SBC（３.5”）。 成本低、开发周期短、维护方便。 （2）嵌入式专用计算机 量身定做、优化性能。 通常使用的处理器包括：通用微处理器、 嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、 DSP以及SOC等。
TMS320C2000系列介绍
TMS320F281x系统功能框图
主频达到150MHz，低功耗 支持JTAG边界扫描接口 高性能32位CPU 16x16位和32x32位乘法累加器/16x16位双乘法累加器 哈佛总线结构 快速中断响应和处理能力 4MB的程序/数据寻址空间 高效的代码转换功能（支持C/C++和汇编） 与F240x和F24x系列代码兼容 片上存储器 Flash、ROM、OTP ROM、SARAM（L0/L1/H0/M0/M1）、 Boot ROM 带软件启动模式、标准的数学表 外部存储器扩展接口 最多1MB寻址空间/可编程等待周期/可编程读写选择时序/3 个独立片选信号