嵌入式系统与软件(2)

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
嵌入式系统硬件
1
嵌入式硬件系统组成
嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器 为核心 主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、 主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、 输入/ 输入/输出接口和设备组成
2
嵌入式微处理器的体系结构
嵌入式微处理器体系结构可采用冯 诺依曼(Von 嵌入式微处理器体系结构可采用冯• 诺依曼(Von Neumann)结构 哈佛(Harvard) 结构或 (Harvard)结构 Neumann)结构或哈佛(Harvard)结构 诺依曼结构: 冯• 诺依曼结构:指令和数据存放在同一存储器 数据线与指令线分时复用, 中,数据线与指令线分时复用,取指令和取数据 不能同时进行,速度受限。 不能同时进行,速度受限。 哈佛结构:指令和数据存放在不同的存储器中, 哈佛结构:指令和数据存放在不同的存储器中, 指令计数器PC只指向指令存储器, PC只指向指令存储器 指令计数器PC只指向指令存储器,而不指向数据 存储器,数据线和指令线分离, 存储器,数据线和指令线分离,因此取指和取数 据可同时进行,速度较快。 据可同时进行,速度较快。
19
嵌入式微处理器的特点
成本(Cost) 成本(Cost)
− −
为降低价格, 为降低价格,需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不 同的折衷方案。 同的折衷方案。 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的特点:功能块的数目、 处理器的特点:功能块的数目、总线类型等 片上存储器的大小 芯片的引脚数和封装形式: 芯片的引脚数和封装形式:如PQFP(Plastic Quad Package)通常比 通常比BGA(Ball Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜 便宜。 Package)便宜。 芯片大小( size) 取决于制造的工艺水平。 芯片大小(die size):取决于制造的工艺水平。
8
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

嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、 嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、 CPU核心 总线等部分外,还集成了各种外部接口和设备, 总线等部分外,还集成了各种外部接口和设备, 如中断控制器、DMA、定时器、UART(通用异步收 如中断控制器、DMA、定时器、UART(通用异步收 发器,功能: 发器,功能:将计算机内部传送的并行数据转换 为输出的串行数据流, 为输出的串行数据流,而将外部送来的串行数据 流转换为字节,供计算机使用) 流转换为字节,供计算机使用)等。 这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求, 这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求,一 块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格 更低,功耗更少。 更低,功耗更少。
18
嵌入式微处理器的特点
影响功耗的其他因素还有: 影响功耗的其他因素还有: 总线: 特别是总线转换器, 总线: 特别是总线转换器,可以采用特殊的 技术使它的功耗最小 存储器的大小: 如果使用DRAM,它需要不断 DRAM, 存储器的大小: 如果使用DRAM 的刷新 为了使功耗最小, 为了使功耗最小,总线和存储器要保持在应 用系统可接受的最小规模。 用系统可接受的最小规模。
嵌入式微处理器的特点
基础是通用微处理器 与通用微处理器相比其区别: 与通用微处理器相比其区别:
− − −
体积小、重量轻、成本低、可靠性高 体积小、重量轻、成本低、 功耗低 工作温度、抗电磁干扰、 工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强
10
嵌入式微处理器的特点
集成度高( Integration) 集成度高(Higher Integration)
11

嵌入式微处理器的特点
集成度高( Integration) 集成度高(Higher Integration)
嵌入式微处理器是面向应用的, 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 组件的数目和种类是由它的市场定位决定的, 最普通的情况下,嵌入式微处理器包括: 最普通的情况下,嵌入式微处理器包括:
片内存储器: 片内存储器:大多数嵌入式微处理器都具有 外部存储器的控制器,外设接口( 外部存储器的控制器,外设接口(串/并口) 并口) LCD控制器: 面向终端类应用 LCD控制器: 控制器 中断控制器,DMA控制器,协处理器,定时器,A/D、 中断控制器,DMA控制器,协处理器,定时器,A/D、 控制器 D/A转换器 D/A转换器 总线 多媒体加速器: 多媒体加速器: 当高级图形功能需要时
6
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
wenku.baidu.com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
17
嵌入式微处理器的特点
具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一: 具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一: 运行模式( Mode) 运行模式(Running Mode):处理器处于全 速运行状态下。 速运行状态下。 待命模式(Standby Mode): 待命模式(Standby Mode):处理器不执行指 所有存储的信息是可用的, 令,所有存储的信息是可用的,处理器能在 几个周期内返回运行模式。 几个周期内返回运行模式。 时钟关闭模式(clockmode): ):时钟完 时钟关闭模式(clock-off mode):时钟完 全停止,要退出这个模式系统需要重新启动。 全停止,要退出这个模式系统需要重新启动。
12
嵌入式微处理器的特点
集成外围逻辑芯片目前有两种方式: 集成外围逻辑芯片目前有两种方式: 单芯片方式( Chip): 44B0X是用 ):如 单芯片方式(Single Chip):如44B0X是用 于终端类应用的 芯片组方式( Set): ):由微处理器主芯 芯片组方式(Chip Set):由微处理器主芯 片和一些从芯片组成。 片和一些从芯片组成。主芯片提供计算和基 本外围设备的控制功能, 本外围设备的控制功能,从芯片加入了新的 接口(LCD控制器、红外线接口、 (LCD控制器 接口(LCD控制器、红外线接口、触摸屏功能 块等) 块等)。
13
嵌入式微处理器的特点
体系结构(Architecture) 体系结构(Architecture)

算术格式( Format): 算术格式(Arithmetic Format): 大多数的嵌入式微处理器使用定点算法 fixedarithmetic), ),这样的 (fixed-point arithmetic),这样的 芯片比浮点版本的芯片便宜。 芯片比浮点版本的芯片便宜。 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时, 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时, 可采用软件模拟的方式实现浮点运算。 可采用软件模拟的方式实现浮点运算。
14
嵌入式微处理器的特点
体系结构(Architecture) 体系结构(Architecture)
功能单元(Functional Units): 功能单元( Units)
大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元, 大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元, 典型的是包含一个ALU(算术逻辑单元, ALU(算术逻辑单元 典型的是包含一个ALU(算术逻辑单元,用来进行 算术或逻辑运算以及位移循环等操作) 算术或逻辑运算以及位移循环等操作)、移位器和 MAC(乘加运算) MAC(乘加运算) 处理器通常用一条指令完成乘法操作。 处理器通常用一条指令完成乘法操作。
5
类别 指令系统
CISC 指令数量很多 有些指令执行时间很长,如整 块的存储器内容拷贝;或 将多个寄存器的内容拷贝 到存贮器 相对较少
RISC
执行时间
多为单周期指令
编码长度 寻址方式
编码长度可变,1-15字节 寻址方式多样
编码长度固定,通常为4个字节 寻址方式较简单 仅Load/Store指令可以对存储器进行操 作,其余指令只能对寄存器进行运 算和操作 采用优化编译技术,生成高效的目标代 码程序
3
地址总线 指令 代码区 地址总线 处理器 指令、数据 指令1 指令2 ... 数据区 数据1 数据2 ... 地址总线 数据 处理器
程序存储区 指令1 指令2 ...
数据存储区 数据 1 数据 2 ...
冯. 诺依曼体系结构
哈佛体系结构
4
嵌入式微处理器的指令系统
指令系统可采用精简指令集系统RISC或 指令系统可采用精简指令集系统RISC或 精简指令集系统RISC 复杂指令集系统CISC 复杂指令集系统CISC
流水线(Pipeline) 流水线(Pipeline):
现在某些嵌入式处理器中同样采用了分支预测技 术。
15
嵌入式微处理器的特点
指令集(Instruction 指令集(Instruction Set)
− −
为满足应用领域的需要,嵌入式微处理器的指令集一般 为满足应用领域的需要, 要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令, DSP指 许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令,如DSP指 令集,这些指令主要有: 令集,这些指令主要有: 乘加(MAC)操作: 乘加(MAC)操作:在一个周期中执行了一次乘法运算 (MAC)操作 和一次加法运算 SIMD类操作: SIMD类操作:允许使用一条指令进行多个并行数据 类操作 流的计算 多媒体加速指令:象素处理、多边形、3D操作等指令 多媒体加速指令:象素处理、多边形、3D操作等指令
16
嵌入式微处理器的特点
功耗和管理(Power Consumption and Management)
− − −
在嵌入式系统中功耗是很重要的问题,须仔细考虑。 在嵌入式系统中功耗是很重要的问题,须仔细考虑。 大多数嵌入式系统有功耗的限制( 大多数嵌入式系统有功耗的限制(特别是电池供电的系 它们不支持使用风扇和其他冷却设备。 统),它们不支持使用风扇和其他冷却设备。 嵌入式微处理器采用不同的技术来降低功耗: 嵌入式微处理器采用不同的技术来降低功耗: 降低工作电压:1.8v甚至更低 降低工作电压:1.8v甚至更低 提供不同的时钟频率: 提供不同的时钟频率:通过软件设置 关闭暂时不使用的功能块 提供功耗管理机制
7
嵌入式微处理器分类
按位数可分为4 按位数可分为4位、8位、16位、32位和 16位 32位和 64位 64位。 16位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌 16位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌 入式微控制器(MCU)。 入式微控制器(MCU)。 32位以上的称为嵌入式微处理器。 32位以上的称为嵌入式微处理器。 位以上的称为嵌入式微处理器
相关文档
最新文档