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
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的区别：
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体积小、重量轻、成本低、可靠性高
功耗低
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工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面增强
嵌入式微处理器的特点
集成度 体系结构
指令集
性能 功耗和管理
成本
• 用于桌面和服务器的微处理器的芯片内部通常 只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部 分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、 外部总线和外部设备独立在其他芯片和电路内。 • 嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、 MMU、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 等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求， 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。
– 影响功耗的其他因素还有总线和存储器的大小 （如果使用DRAM，它需要不断的刷新）。
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嵌入式微处理器的成本
• 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。
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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、总线类型等。 片上存储器的大小。 芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(Plastic Quad Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜。 芯片大小（die size）：取决于制造的工艺水平。
指令 哈佛结构
嵌入式微处理器
– 传统的微处理器采用的冯· 诺依曼结构将指令和 数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令 和数据通过同一总线访问。 – 哈佛结构则是不同于冯· 诺依曼结构的一种并行 体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不 同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器 是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编 制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的 两条总线（程序总线和数据总线），从而使数 据的吞吐率提高了一倍。
嵌入式微处理器的性能
• 低端（低价，低性能）
– 一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应 用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的应 用系统中。
• 中档，低功耗
– 中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如 150MIPS以上），采用增加时钟频率、加深流水深度、 增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持 低功耗。
嵌入式微处理器的功耗管理
– 提供功耗管理机制
• 运行模式（Running Mode）：处理器处于全速运行 状态下。 • 待命模式（Standby Mode）：处理器不执行指令， 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。 • 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。
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嵌入式微处理器的功耗管理
• 大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池 供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷 却设备。 – 降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，而且 这个数值一直在下降。 – 提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的 时钟分频。 – 关闭暂时不使用的功能块：如果某功能块在 一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以 节约能量。
• 功能单元（Functional Units）
– 通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位 器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。
• 流水线（Pipeline）
– 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线
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嵌入式微处理器的指令集
• 为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令 集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。 • 目前很多应用系统需要类似于DSP的数字处理功 能。这些指令主要有：
• 高端
嵌入式微处理器的性能
• 高端嵌入式微处理器用于高强度计算的应用， 使用不同的方法来达到更高的并行度
– 单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令 集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。 – 每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支 持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(very large instruction word)来实现，这样只需较少的硬件，总体 价格会更低些。例如TI的TMS320C6201芯片，通过使用 VLIW方法，能在每个周期同时执行8条独立的32位指令。 – 使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要 求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如 TI的OMAP730包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。
第二节
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的发展 嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器的特点 主流的嵌入式微处理器—— (ARM, MIPS, SH, PowerPC, x86)
嵌入式微处理器的发展
20世纪80年代 中后期 20世纪90年代 初期 0.8 - 0.5 m <100 MHz 20世纪90年代 中后期 0.5 – 0.35 m <200 MHz 21世纪 初期 0.25 - 0.13 m < 600 MHz
嵌入式微处理器的体系结构
• 算术格式（Arithmetic Format）
– 由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定 点运算（fixed-point arithmetic），即数值被表示为整数或在 －1.0和＋1.0之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版 本的芯片便宜。 – 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式 实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处理器时间。
Hale Waihona Puke 总线• 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。 • 从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线(如：PCI、ISA等)和片内总线 （如：AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE 等）。 • 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结 构而不同。
存储器
制作工艺 主频 晶体管个 数
1 - 0.8 m < 33 MHz
> 500K 8/16bit
>2M 8/16/32bit
>5M 8/16/32bit
>22M
8/16/32/64bi t
位数
嵌入式微处理器的分类
• 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、 8位、16位、32位和64位。 • 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式 DSP和通用的嵌入式微处理器两种： – 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈 佛结构，程序和数据分开存储，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。 – 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的 SOC芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。
使用流水线降低指令的执行周期数， 增加代码尺寸 简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的CISC微代码指令 软件完成 简 单 的 寻 址 模 式 ， 仅 允 许 LOAD 和 STORE指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器 直接执行 寄存器较多
嵌入式微处理器
• 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也可能具有不同的时钟速度 和总线数据宽度、集成不同的外部接口和 设备。 • 据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理 器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌 入式微处理器体系，主流的体系有ARM、 MIPS、PowerPC、SH、 X86等。
嵌入式微处理器
嵌入式微处理器的指令系统可采用精简指令集系统RISC （Reduced Instruction Set Computer）或复杂指令集 系统CISC（Complex Instruction Set Computer）
CISC RISC
价格 性能 指令集 高级语言支 持 寻址模式 控制单元 寄存器数目
–乘加(MAC)操作：它在一个周期中执行了一次乘法运算 和一次加法运算。 –SIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流 的计算。 – 零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。 仅使用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并 提供循环次数，另一条是循环体。 – 多媒体加速指令：像素处理、多边形、3D操作等指令。 返回
嵌入式系统及应用
第二章 嵌入式硬件系统基础
主要内容
嵌入式硬件系统基本组成
嵌入式微处理器
嵌入式系统总线
嵌入式存储系统
第一节
嵌入式硬件系统基本组成
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、输入/输出接口和设备组成。
– 嵌入式微处理器 – 总线 – 存储器 – 输入/输出接口和设备
嵌入式微处理器的集成度
嵌入式微处理器的集成度
• 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，嵌入式微处理器包括：
– – – – – – – – 片内存储器：部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，DMA控制器，协处理器 定时器，A/D、D/A转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线 其他标准接口或外设
主流的嵌入式微处理器
•
目前主流的嵌入式微处理器系列主要有ARM 系列、MIPS系列、PowerPC系列、Super H 系列和X86系列等。
属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多， 有上千种以上。
•
Units (millions)
Source: Andrew Allison, Inside The New Computer Industry, January 2001
嵌入式微处理器
• 每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处 理器 • 嵌入式微处理器体系结构可采用冯•诺依曼 （Von Neumann）结构或哈佛（Harvard） 结构
主存储器 地址 数据 地址 CPU 数据存储器 数据 地址 PC CPU
MOV r8,#8 冯•诺依曼结构
PC
程序存储器 MOV r8,#8
Embedded RISC Processor Shipments
32位浪潮的到来
16,000 14,000 12,000
Millions of Units
10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 2000 2001 2002 2003 MPU 2004 2005 Cores 2006 2007 2008 2009