嵌入式微处理器讲解
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。
第2章嵌入式系列微处理器介绍
ARM7内核采用冯·诺伊曼体系结构，数据和指令使用同一条总线。
内核有一条3级流水线，执行ARMv4指令集。
ARM7系列处理器主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的消费类产品。
其最高主频可以到达130MIPS。
ARM7系列包括ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM7EJ-S和ARM720T四种类型，主要用于适应不同的市场需求。
ARM7系列处理器主要具有以下特点：（1）成熟的大批量的32位RICS芯片；（2）最高主频达到130MIPS；（3）功耗低；（4）代码密度高，兼容16位微处理器；（5）开发工具多，EDA仿真模型多；（6）调试机制完善；（7）提供0.25μm、0.18μm及0.13μm的生产工艺；（8）代码与ARM9系列、ARM9E系列及ARM10E系列兼容。
ARM7系列处理器主要应用于下面一些场合：（1）个人音频设备（MP3播放器、WMA播放器、AAC播放器）；（2）接入级的无线设备；（3）喷墨打印机；（4）数码照相机；（5）PDA。
ARM9处理器系列ARM9系列于1997年问世。
由于采用了5级指令流水线，ARM9处理器能够运行在比ARM7更高的时钟频率上，改善了处理器的整体性能；存储器系统根据哈佛体系结构（程序和数据空间独立的体系结构）重新设计，区分了数据总线和指令总线。
ARM9系列的第一个处理器是ARM920T，它包含独立的数据指令Cache和MMU（Memory Management Unit，存储器管理单元）。
此处理器能够被用在要求有虚拟存储器支持的操作系统上。
该系列中的ARM922T是ARM920T的变种，只有一半大小的数据指令Cache。
ARM940T包含一个更小的数据指令Cache和一个MPU（Micro Processor Unit，微处理器）。
它是针对不要求运行操作系统的应用而设计的。
ARM920T、ARM940T都执行v4T架构指令。
ARM9系列处理器主要应用于下面一些场合：（1）下一代无线设备，包括视频电话和PDA等；（2）数字消费品，包括机顶盒、家庭网关、MP3播放器和MPEG-4播放器；（3）成像设备，包括打印机、数码照相机和数码摄像机；（4）汽车、通信和信息系统。
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
12
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。
13
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)
对于嵌入式系统微处理器的详细剖析
对于嵌入式系统微处理器的详细剖析1. 嵌入式微处理器的基本结构（1）嵌入式硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入/输出部分组成。
（2）嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，通常由控制单元、算术逻辑单元和寄存器3大部分组成：A、控制单元：主要负责取指、译码和取数等基本操作并发送主要的控制指令。
B、算术逻辑单元：主要处理数值型数据和进行逻辑运算工作。
C、寄存器：用于暂存临时性的数据。
2. 嵌入式微处理器的分类（根据用途）（1）嵌入式微控制器（MCU）：又称为单片机，片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。
最大的特点是单片化，体积小，功耗和成本低，可靠性高。
目前约占70%的市场份额。
（2）嵌入式微处理器（EMPU）：又称为单板机，由通用计算机中的CPU 发展而来，它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能。
通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM 及I/O 等模块做到同一个芯片上。
（3）嵌入式DSP 处理器（DSP）：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，使其处理速度比最快的CPU 还快10～50倍，在数字滤波、FFT、频谱分析等方面获得了大量的应用。
（4）嵌入式片上系统（SOC）：追求产品系统最大包容的集成器件，其最大的特点是成功实现了软硬件的无缝结合，直接在微处理器片内嵌入操作系统的代码模块。
3. 典型的微处理器的结构和特点（1）8位微处理器：以8051为重点，彻底搞清楚8位单片机的工作原理，外设控制、存储分布、寻址方式以及典型应用。
（2）16位微处理器：典型的微处理器可以参考MSP430，找一本这方面的书看看关于MSP430的结构原理以及典型应用。
（3）32位微处理器：32位处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间达到了2 32 ＝。
嵌入式微处理器的分类与特点
1.2.1 嵌入式处理器的分类与特点1．嵌入式微处理器的分类嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器，一般把嵌入式处理器分成4类，即嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器和嵌入式片上系统。
（1）嵌入式微控制器（MicroController(微控制器) UnitMCU的典型代表是单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。
MCU一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了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、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。
为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，不同的是存储器和外设的配置及功能的设置。
这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而减少整个系统的功耗和成本。
和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降、可靠性提高。
由于MCU目前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，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流。
微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。
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。
而比较有代表性的半通用系列，如支持USB 接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN总线、LCD等的众多专用MCU 和兼容系列。
（2）嵌入式微处理器（MicroProcessor Unit，MPU）MPU是由通用计算机中的CPU演变而来的。
MPU采用增强型通用微处理器。
由于嵌入MPU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。
第1章 嵌入式微处理器概述
1.5 ARM处理器系列
ARM7 系列 ARM9 系列 ARM9E 系列 ARM10E 系列 SecurCore 系列 Intel 的 Xscale Intel 的 StrongARM
28
ARM7 系列微处理器
ARM7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet 设备、 网络和调制解调器设备、移动电话等多种嵌入式应用。 ARM7 系列微处理器包括如下几种类型的核： ARM7TDMI 、 ARM7TDMI-S 、ARM720T 、 ARM7EJ 。 T ：支持 16 位压缩指令集 Thumb ； D ：支持片上 Debug ； M ：支持长乘法指令； I ：嵌入式 ICE ，支持片上断点和调试点； S：可综合（synthesizable）； E：支持增强的DSP指令 ； J：支持java加速器Jazelle. 特点： 特点： 能够提供 0.9MIPS/MHz 的三级流水线结构。 主频最高可达 130MIPS
嵌入式系统组成：
硬件：微处理器、存储器、I/O接口和输入输出 设备。 软件： Embedded RTOS（Real－Time Operating System）、应用软件。
3
嵌入式系统的硬件组成
电源模块 时钟模块 复位电路 外设 USB LCD 键盘 通信模块 其他
4
外围电路 微处理器 MPU
Flash
ARM是一种功耗很低的高性能处理器。
例如：ARM7TDMI具有每瓦产生690MIPS的能力， 已被证明在工业界处于领先水平。
17
1.3 ARM处理器的特点
ARM公司并不生产芯片，而是将ARM的技术授权 给其它公司生产芯片。
ARM本质上并不是一种芯片，而是一种芯片结构技术， 不涉及到芯片生产工艺。 授权生产ARM芯片的公司采用不同的半导体技术，面 对不同的应用进行扩展和集成，标有不同系列号。
嵌入式微处理器特点
嵌入式微处理器特点：嵌入式微处理器一般就具备以下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心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。
这是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。
（3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
（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，如需要功耗只有mW甚至μW级。
嵌入式系统概念：一般来说，嵌入式系统是“执行专用功能并被内部计算机控制的设备或者系统。
嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。
”嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。
嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。
硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。
软件部分包括操作系统软件（OS）（要求实时和多任务操作）和应用程序编程。
有时设计人员把这两种软件组合在一起。
应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。
嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。
嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中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设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。
嵌入式微处理器的分类
嵌入式微处理器的分类
什么是嵌入式微处理器？
嵌入式微处理器是一种由内置单片机的微型计算机，这种集成的单片机可以直接安装于普通的电子设备中，提供嵌入式控制功能，它们完全由软件来控制。
这些微处理器通常具有快速的处理能力，并带有嵌入式的外设，能够将计算机的功能植入到可移植设备当中，实现对多功能电子产品的整体控制。
嵌入式微处理器分类
嵌入式微处理器可以分为以下几种：
1、 8位微处理器：这类微处理器是8位指令操作的，数据宽度为8位，具有较少内存容量、低功耗、低成本和简单模块化的特点。
它们通常用于家用电器和自动控制中。
2、 16位微处理器：16位微处理器对指令有更高的处理能力，指令和数据均为16位，多用于工控系统、信号处理系统中，常用于多类型设备的自动化控制、软件开发等领域。
3、 32位微处理器：32位微处理器使用32位指令和数据宽度，它们更快、更强大，一般用于工业、商业、家用自动控制系统。
4、 64位微处理器：这类微处理器使用64位指令和数据宽度，具有极高的运算性能和网络数据处理能力，常用于图形处理、数字信号处理、科学计算以及各类嵌入式控制系统中。
- 1 -。
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。
2020/7/18
9
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。
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
▲
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
▲
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
▲
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
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2.2 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。
嵌入式控制系统原理及设计
用正在扩展到更广的领域，是IC产业未来的发展方向。
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
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。
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
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。
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。
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
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)。
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⑵ 对于工业应用来说，价格成本是影响 CPU 选型的另外的一个比较重要的原因， 8 位的 MCU 基本都在1 美元以下，32 位的 CPU 相对较贵。但是对于武器系统来说， 通常供货稳定性和可靠性是选择的一个 非常重要的原因，因为从武器设计到退 役往往几十年，不仅要保证设计时能买 到 CPU，更要保证在设备维护时有相应 的备件来替换。
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。
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
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。
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；
（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。
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。
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。
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。
（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。
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。
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。
16位MCU ：16位MCU与DSP的结合具有 较广的应用。 32 位：较复杂的系统控制和系统综合处 理机，Motorola的68K系列CPU，随后在 其基础上推出了ColdFire系列，主要应用 于消费类电子以及工业过程控制设备中。 32位的ARM、PowerPC和MIPS。
（4）DSP：为数字信号处理设计的处理器。定 点 DSP 和浮点 DSP。定点 DSP 完成定点运算， 精度低、耗电低、成本低。适合低端市场，浮 点DSP 能处理浮点运算，计算能力强、成本高， 高端市场。可以采用处理器 +DSP 的设计方法 来结合两者的优点。 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 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。
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。
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 Co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 。
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。
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 典型的嵌入式处理器
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
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
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。