微处理器与嵌入式系统
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概念、特点、组成、发展趋势
四．课程体系介绍
2
嵌入式计算 机
技术方向：通信技 术、计算机技术和 消费产品的结合， 嵌入式系统将被更 广泛应用于其中。
后PC时代：大意是指包含PC在内的信息技术多元化，依
据需要选用不同的设备实现需求，倾向于以产品体验性作评价， 而非硬件性能了。随着硬件价格的下降，更多的人大概是如下 的使用状态：一台（单手）智能手机 +（双手）平板电脑+（膝 上）笔记本+（桌面）台式机
4.Metcalfe定律
网络价值同网络用户数的平方成正比；
9
计算机技术的发展
微电子技术 计算机技术 通信技术
10
ITU-T 近年关注的热门话题
信息的生成、获取、存储、传输、处理及 其应用是现代信息科学的六大组成部分。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 节能 Power savings 数字生活 Digital life 泛在传感器网络 Ubiquitous Sensor Networks (USN) 高性能视频会议High-Performance Video Conferencing 数字安全Sybersecurity 下一代网络及功效Next-Generation Networks and Energy Efficiency 远距离协作工具Remote Collaboration Tools 智能传送网 Intelligent Transport Systems (ITS) ……
第零代（1642~1945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（1946～1955年）电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用 机器语言，后期采用汇编语言。 第二代（1955～1965年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言， 并出现了早期的操作系统。 第三代（1965～1980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件 广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（1980年至今）个人计算机 以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件 方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系 统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶 段诞生并获得飞速发展。 第五代 无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、……
17
第三代计算机：集成电路组装
18
Gordon Moore：Intel的创始人之一
IC技术：SSI/MSI→LSI →VLSI →ULSI →GLSI → …… 晶圆尺寸：100mm → 125mm →150mm → 200mm → 300mm → 400mm → …… 特征尺寸：3µ m →2µ m →1.2µ m →0.8µ m → 0.5µ m → 0.35µ m → 0.25µ m
数字滤波与控制
系统知识 (硬件与软件)
电路设计知识 (DAC、ADC 等)
制造工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)
21
晶圆工艺知识 (300mm 晶圆)
片上网络(NOC) 技术
P:处理器
M:存储器
C:缓存 Rni:网络接口 S:交换开关 Dsp:核 Re:可重构逻辑 L:专用逻辑
22
计算机发展的主要阶段
3
嵌入式(计算机)系统
嵌入式系统：嵌入到应用对象体系中的专用
计算机系统（只是某完整设备的一个部分）。
特点：向集成化、微型化，智能化、网络化 方向发展。
嵌入式系统部分
某设备
RAM ROM 电路模块 机械模块 网络模块
微控制器 （通用型、 非常专业或 客户订制的）
系统需要的外围接口
4
普适计算(无所不在的计算机)
以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算 MCU、SoC） 机系统 芯片级（ 板级（单板、模块）
设备级（工控机） Embedded System Embedded Computer System Embedded Real-time System Embedded Device
26
嵌入式系统的特点
以应用为中心 软、硬件可裁剪 对体积、功耗、 实时性、可靠性、 功能、成本等有 严格约束
27
嵌入式系统的组成
嵌入式处理器 硬件 存储器系统
程序ROM 数据RAM 参数EEPROM NVRAM 键盘 LCD 存储设备 音频设备 专用设备 编译器 链接器 调试器
EMPU EMCU EDSP ESoC EPSoC
外部接口
外围设备 软件 嵌入式操作系统 应用软件 集成软件环境 开发系统
并行接口 串行接口 音视频接口 网络接口
CPU
> 90%
不可见 （invisibleness） 环境感知 （context awareness）
< 10%
5
泛在通信(无所不在的计算机)
LAN/INTRANE T
WAN
卫星网络
无线通信网
“4A” 化通信： Anytime Anywhere Anyone Anything
6
家庭网络
物联网技术
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
平时：10% E_mail:chenjl@uestc.edu.cn
实验：15%
期中：15%
期末：60%
第一章 概述
一．计算机的应用形式
通用计算机与嵌入计算机 普适计算与泛在通信
二．半导体技术与计算机的发展
机械式计算机、电子式计算机 SoC、NoC
三．嵌入式(计算机)系统
7
物联网技术
承 载 网 络
8
IT行业的四大定律
1.Moore定律
微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番
2.Bell定律
如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18 个月减少一半；
每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、小型机、 工作站、PC到PDA的演变、新一代计算设备……
3.Gilderቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律
未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每 6个月增加一倍；
→ 0.18µ m → 0.13µ m → 90nm → 65nm → 45nm → …… 19
Intel Core i7 四核处理器
20
系统级芯片 (SOC) 技术
软硬件协同设计及验证技术
IP核生成和复用技术 超深亚微米工艺及纳米IC设 计技术
数字射频处理器
混合信 号处理 器 混合信号 处理器 A/D 数字 基 带 A/D
VxWorks μc/OS Windows CE 嵌入式Linux
硬件工具
28
仿真器 编程器 在线调试工具
29
30
31
嵌入式系统的发展趋势
一．网络化、支持分布式计算
二．可编程、可在线更新
三．集成度提高、SoC/NoC 四．开发平台的完备化
五．友好的人机界面
六．……
32
32/32 32/30
计算机专业系列课程
第二代:晶体管计算机
1954年，美国贝尔 实验室研制成功第 一台使用晶体管线 路的计算机，取名 “催迪克” （TRADIC Transistorized Airborne Digital Computer），装 有800个晶体管。
16
从分立到集成
第一块 IC诞生之后， 基尔比在 IRE(美国无 线电工程师 学会)的一次 会议上宣布 了“固体电 路”(Solid circuit)的出 现，这就是 以后的“集 成电路”的 代名词 。
11
机械式计算机的发展
12
电子技术和半导体技术的诞生
电子管(vacuum tube) 时代
晶体管(transistor)时代 第一个晶体管的诞生
13
2018/11/28
第一代电子管计算机ENIAC
14 14 / 53
第一台存储程序计算机EDSAC
15
采用穿孔纸带输入、 电传打字机输出，水 银延迟线作为存储器， 并使用二进制计数方 式。
23
24
嵌入式(计算机)系统
外围硬 件设备
嵌入式 微处理 器
用户应 用程序
嵌入式 操作系 统
25
嵌入式系统的定义
IEEE定义 devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants 国内普遍认同的定义
系统架构 硬件基础 软件基础
核心
本课程涉及主要内容： 计算机体系结构与组成原理； 微处理器系统结构； 嵌入式系统设计技术；
33
四．课程体系介绍
2
嵌入式计算 机
技术方向：通信技 术、计算机技术和 消费产品的结合， 嵌入式系统将被更 广泛应用于其中。
后PC时代：大意是指包含PC在内的信息技术多元化，依
据需要选用不同的设备实现需求，倾向于以产品体验性作评价， 而非硬件性能了。随着硬件价格的下降，更多的人大概是如下 的使用状态：一台（单手）智能手机 +（双手）平板电脑+（膝 上）笔记本+（桌面）台式机
4.Metcalfe定律
网络价值同网络用户数的平方成正比；
9
计算机技术的发展
微电子技术 计算机技术 通信技术
10
ITU-T 近年关注的热门话题
信息的生成、获取、存储、传输、处理及 其应用是现代信息科学的六大组成部分。
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 节能 Power savings 数字生活 Digital life 泛在传感器网络 Ubiquitous Sensor Networks (USN) 高性能视频会议High-Performance Video Conferencing 数字安全Sybersecurity 下一代网络及功效Next-Generation Networks and Energy Efficiency 远距离协作工具Remote Collaboration Tools 智能传送网 Intelligent Transport Systems (ITS) ……
第零代（1642~1945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（1946～1955年）电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用 机器语言，后期采用汇编语言。 第二代（1955～1965年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言， 并出现了早期的操作系统。 第三代（1965～1980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件 广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（1980年至今）个人计算机 以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件 方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系 统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶 段诞生并获得飞速发展。 第五代 无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、……
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第三代计算机：集成电路组装
18
Gordon Moore：Intel的创始人之一
IC技术：SSI/MSI→LSI →VLSI →ULSI →GLSI → …… 晶圆尺寸：100mm → 125mm →150mm → 200mm → 300mm → 400mm → …… 特征尺寸：3µ m →2µ m →1.2µ m →0.8µ m → 0.5µ m → 0.35µ m → 0.25µ m
数字滤波与控制
系统知识 (硬件与软件)
电路设计知识 (DAC、ADC 等)
制造工艺知识 (90nm, 65nm, 45nm)
21
晶圆工艺知识 (300mm 晶圆)
片上网络(NOC) 技术
P:处理器
M:存储器
C:缓存 Rni:网络接口 S:交换开关 Dsp:核 Re:可重构逻辑 L:专用逻辑
22
计算机发展的主要阶段
3
嵌入式(计算机)系统
嵌入式系统：嵌入到应用对象体系中的专用
计算机系统（只是某完整设备的一个部分）。
特点：向集成化、微型化，智能化、网络化 方向发展。
嵌入式系统部分
某设备
RAM ROM 电路模块 机械模块 网络模块
微控制器 （通用型、 非常专业或 客户订制的）
系统需要的外围接口
4
普适计算(无所不在的计算机)
以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算 MCU、SoC） 机系统 芯片级（ 板级（单板、模块）
设备级（工控机） Embedded System Embedded Computer System Embedded Real-time System Embedded Device
26
嵌入式系统的特点
以应用为中心 软、硬件可裁剪 对体积、功耗、 实时性、可靠性、 功能、成本等有 严格约束
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嵌入式系统的组成
嵌入式处理器 硬件 存储器系统
程序ROM 数据RAM 参数EEPROM NVRAM 键盘 LCD 存储设备 音频设备 专用设备 编译器 链接器 调试器
EMPU EMCU EDSP ESoC EPSoC
外部接口
外围设备 软件 嵌入式操作系统 应用软件 集成软件环境 开发系统
并行接口 串行接口 音视频接口 网络接口
CPU
> 90%
不可见 （invisibleness） 环境感知 （context awareness）
< 10%
5
泛在通信(无所不在的计算机)
LAN/INTRANE T
WAN
卫星网络
无线通信网
“4A” 化通信： Anytime Anywhere Anyone Anything
6
家庭网络
物联网技术
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
平时：10% E_mail:chenjl@uestc.edu.cn
实验：15%
期中：15%
期末：60%
第一章 概述
一．计算机的应用形式
通用计算机与嵌入计算机 普适计算与泛在通信
二．半导体技术与计算机的发展
机械式计算机、电子式计算机 SoC、NoC
三．嵌入式(计算机)系统
7
物联网技术
承 载 网 络
8
IT行业的四大定律
1.Moore定律
微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番
2.Bell定律
如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18 个月减少一半；
每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、小型机、 工作站、PC到PDA的演变、新一代计算设备……
3.Gilderቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ律
未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每 6个月增加一倍；
→ 0.18µ m → 0.13µ m → 90nm → 65nm → 45nm → …… 19
Intel Core i7 四核处理器
20
系统级芯片 (SOC) 技术
软硬件协同设计及验证技术
IP核生成和复用技术 超深亚微米工艺及纳米IC设 计技术
数字射频处理器
混合信 号处理 器 混合信号 处理器 A/D 数字 基 带 A/D
VxWorks μc/OS Windows CE 嵌入式Linux
硬件工具
28
仿真器 编程器 在线调试工具
29
30
31
嵌入式系统的发展趋势
一．网络化、支持分布式计算
二．可编程、可在线更新
三．集成度提高、SoC/NoC 四．开发平台的完备化
五．友好的人机界面
六．……
32
32/32 32/30
计算机专业系列课程
第二代:晶体管计算机
1954年，美国贝尔 实验室研制成功第 一台使用晶体管线 路的计算机，取名 “催迪克” （TRADIC Transistorized Airborne Digital Computer），装 有800个晶体管。
16
从分立到集成
第一块 IC诞生之后， 基尔比在 IRE(美国无 线电工程师 学会)的一次 会议上宣布 了“固体电 路”(Solid circuit)的出 现，这就是 以后的“集 成电路”的 代名词 。
11
机械式计算机的发展
12
电子技术和半导体技术的诞生
电子管(vacuum tube) 时代
晶体管(transistor)时代 第一个晶体管的诞生
13
2018/11/28
第一代电子管计算机ENIAC
14 14 / 53
第一台存储程序计算机EDSAC
15
采用穿孔纸带输入、 电传打字机输出，水 银延迟线作为存储器， 并使用二进制计数方 式。
23
24
嵌入式(计算机)系统
外围硬 件设备
嵌入式 微处理 器
用户应 用程序
嵌入式 操作系 统
25
嵌入式系统的定义
IEEE定义 devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants 国内普遍认同的定义
系统架构 硬件基础 软件基础
核心
本课程涉及主要内容： 计算机体系结构与组成原理； 微处理器系统结构； 嵌入式系统设计技术；
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