第二章嵌入式處理器(一)(2課時)

1、第二章 嵌入式處理器（一）單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)王浩 副教授本節(jié)內(nèi)容一嵌入式系統(tǒng)的定義和特點二嵌入式微處理器相關(guān)的基本概念三嵌入式微處理器的分類及其特點3嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。 三大要素： 嵌入性、專用性、計算機(jī)系統(tǒng) 4嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：三大要素三大要素以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。“嵌入性” 物理環(huán)境（體積） 電氣環(huán)境（可靠性、功耗） 成本（價廉）5嵌入式系統(tǒng)的

2、特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：三大要素三大要素以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)?！皩Ｓ眯浴?非通用* 應(yīng)用為中心 適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)要求 軟硬件裁剪 6嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：三大要素三大要素以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。“計算機(jī)系統(tǒng)” 必須實現(xiàn)計算機(jī)功能 具備計算機(jī)的基本組成7嵌入式系統(tǒng)的定義嵌入式系統(tǒng)的定義以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算

3、機(jī)系統(tǒng)。 三大要素： 嵌入性、專用性、計算機(jī)系統(tǒng) 兩大特征： 實時性、專用的開發(fā)環(huán)境8“高實時性” 如果系統(tǒng)的響應(yīng)能力能夠滿足對象所規(guī)定的響應(yīng)時間要求，那么這個系統(tǒng)便是實時的系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：兩大特征兩大特征概念區(qū)分：實時性 和 及時性不同應(yīng)用系統(tǒng)，不同的實時要求9“高實時性” 如果系統(tǒng)的響應(yīng)能力能夠滿足對象所規(guī)定的響應(yīng)時間要求，那么這個系統(tǒng)便是實時的系統(tǒng)。 嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：兩大特征兩大特征概念區(qū)分：實時性 和 及時性不同應(yīng)用系統(tǒng)，不同的實時性要求10“嵌入式系統(tǒng)需要專用開發(fā)工具和環(huán)境”由于其本身不具備自主開發(fā)能力，必須有一套開發(fā)工具和環(huán)境才能進(jìn)行

4、開發(fā)。專用的開發(fā)工具：調(diào)試需要各種邏輯分析儀、混合信號示波器等。專用的開發(fā)環(huán)境：交叉編譯或稱之為“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”方式。嵌入式系統(tǒng)的特點：嵌入式系統(tǒng)的特點：兩大特征兩大特征11 “宿主機(jī)宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)目標(biāo)機(jī)”方式方式 嵌入式系統(tǒng)采用“宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”方式交叉編譯。USB/RS232/以太網(wǎng)宿主機(jī)：通用計算機(jī)（PC），開發(fā)環(huán)境。目標(biāo)機(jī)：嵌入式系統(tǒng)，運行環(huán)境。通用計算機(jī)程序開發(fā)和編譯在一臺計算機(jī)上完成直接編譯。內(nèi)存小存儲空間有限計算能力有限12嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)的特點 “宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)”的交叉編譯方式是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的唯一選擇。 也是它的典型特征。本節(jié)內(nèi)容一嵌入式系統(tǒng)的定義和特點二嵌入式微

5、處理器相關(guān)的基本概念三嵌入式微處理器的分類及其特點2.1 精簡指令集RISC和復(fù)雜指令集CISC2.2 馮諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu)2.3 流水線技術(shù)2.4 超標(biāo)量技術(shù)二、硬件基本概念1、CISC：復(fù)雜指令集計算機(jī) Complex Instruction Set Computer具有大量的指令和尋址方式。指令長度可變。多數(shù)程序只需少量指令，程序員的編程工作相對容易，代碼短。2.1 RISC和CISC 指令集：類似隊列條令 早期計算機(jī)自由發(fā)展，廠家各自體系 為求兼容，復(fù)雜指令舉例/列概念2、RISC：精簡指令集計算機(jī) Reduced Instruction Set Computer，IBM 1975只

6、包含最有用的指令，20%。指令長度固定，4字節(jié)。復(fù)雜指令由簡單指令組合而成，代碼長。CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單。采用Load/Store結(jié)構(gòu)，尋址方式簡單，大量基于寄存器操作。2.1 RISC和CISC 希望提高效率 60年代，發(fā)現(xiàn)20/80現(xiàn)象 精簡指令、規(guī)范結(jié)構(gòu) 指令少，組合：向后轉(zhuǎn) = 兩個向右轉(zhuǎn)舉例2.1 RISC和CISCC語言： a*=bCISC指令： MUL ADDRA，ADDRBRISC指令： MOV A， ADDRA； MOV B，ADDRB； MUL A， B； STR ADDRA， A注釋： a在內(nèi)存ADDRA中，b在內(nèi)存ADDRB中內(nèi)存寄存器運算基于寄存器Load過

7、程Store過程復(fù)雜指令由簡單指令組合而成，代碼長。提問：a*=b是什么意思？采用Load/Store結(jié)構(gòu)，大量基于寄存器操作上述每個RISC指令都占用等同CPU時間1. 有利于降低芯片核復(fù)雜度，提高集成度2. 有利于降低處理器成本3. 有利于提高處理效率，實現(xiàn)流水線4. 加強(qiáng)了并行能力單芯多核2.1 RISC和CISCRISC的好處復(fù)雜度低、并行、CISC不可能：多核1. 指令系統(tǒng)：在RISC 機(jī)器上實現(xiàn)特殊功能時，效率可能較低。但可以利用流水技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)加以改進(jìn)和彌補(bǔ)。而CISC 計算機(jī)的指令系統(tǒng)比較豐富，處理特殊任務(wù)效率較高。2.1 RISC和CISCRISC和CISC的區(qū)別復(fù)雜度低

8、、并行、CISC不可能：多核2. 存儲器操作：RISC 對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC 機(jī)器的存儲器操作指令多，操作直接。3. 程序：RISC 匯編語言程序一般需要較大的內(nèi)存空間，實現(xiàn)特殊功能時程序復(fù)雜，不易設(shè)計；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計算及復(fù)雜操作的程序社設(shè)計相對容易，效率較高。2.1 RISC和CISCRISC和CISC的區(qū)別復(fù)雜度低、并行、CISC不可能：多核4. 中斷：RISC 機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CISC 機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。5. CPU：RISC CPU 包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISC

9、CPU 包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。6. 設(shè)計周期：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，設(shè)計周期短，且易于采用最新技術(shù)；CISC 微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期長。2.1 RISC和CISCRISC和CISC的區(qū)別復(fù)雜度低、并行、CISC不可能：多核7. 用戶使用：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實現(xiàn)特殊功能容易。8. 應(yīng)用范圍：由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC 機(jī)器更適合于專用機(jī)；而CISC 機(jī)器則更適合于通用機(jī)。2.1 RISC和CISCRISC和CISC的區(qū)別復(fù)雜度低、并行、

10、CISC不可能：多核2.2 馮諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系思想1）采用二進(jìn)制形式表示數(shù)據(jù)和指令2）采用存儲程序方式3）由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成計算機(jī)系統(tǒng)列概念 足以載入史冊，沿用至今2.2 馮諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU存儲器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2缺點：數(shù)據(jù)吞吐量影響馮諾依曼：數(shù)據(jù)程序共享提問2.2 馮諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)哈佛：兩套獨立集成在片內(nèi)缺點：硬件存儲器管腳 ARM7系列是馮諾依

11、曼結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)是RISC。 ARM9系列是哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)是RISC。 TI的DSP系列是哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)是CISC。 MCS-51是哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)是CISC。 PIC單片機(jī)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)是RISC。辨析哈佛結(jié)構(gòu)和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)主要是指存儲器結(jié)構(gòu)，與指令系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。提醒注意：后面考察原理 預(yù)先取若干條指令 每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊（分成幾步稱為幾級流水） 當(dāng)前指令尚未執(zhí)行完時，提前啟動后續(xù)指令2.3 流水線技術(shù)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間加Add減Sub比較Cmp舉例：汽車等工廠/列概念5+3-70?原理 預(yù)先取若干條指令

12、每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊（分成幾步稱為幾級流水） 當(dāng)前指令尚未執(zhí)行完時，提前啟動后續(xù)指令2.3 流水線技術(shù)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間加Add減Sub比較Cmp舉例：汽車等工廠/列概念5+3-70? 前提前提：各個分解步驟的執(zhí)行時間固定 幾個指令可以并行執(zhí)行 提高了CPU的運行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動 本質(zhì)本質(zhì)：指令并行處理的技術(shù)2.3 流水線技術(shù)超標(biāo)量技術(shù)(Superscalar) ：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu) 一個時鐘周期執(zhí)行多條指令 執(zhí)行1取指指令譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1取指譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)回寫2.4 超標(biāo)量技術(shù)列概

13、念本節(jié)內(nèi)容一嵌入式系統(tǒng)的定義和特點二嵌入式微處理器相關(guān)的基本概念三嵌入式微處理器的分類及其特點32嵌入式微處理器嵌入式微處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心部件 嵌入式微處理器家族人才濟(jì)濟(jì)：品種總量已經(jīng)超過1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個系列，其中8051體系的占有多半，生產(chǎn)廠家20多個 8051、ARM、Power PC嵌入式微處理器家族不“嫌貧愛富”：應(yīng)用決定生命力一種控制著從移動電話和微波爐到巨型噴氣式飛機(jī)和宇宙飛船的各種設(shè)備的隱藏著的芯片PC、工作站和服務(wù)器在吸引著人們的眼球，而嵌入式微處理器卻在推動著地球的轉(zhuǎn)動33嵌入式微處理器分類嵌入式微處理器分類四大類：微處理器、微控制器、數(shù)字信號處理器

14、和片上系統(tǒng)。34微處理器微處理器(MPU) (MPU) MPU嵌入式微處理器是由通用計算機(jī)中的CPU演變而來的。只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。Intel創(chuàng)新模式 ：不是簡單的刪除和照搬改變：包括體系結(jié)構(gòu)和指令集的改變。35微處理器微處理器(MPU) (MPU) 嵌入式微處理器目前主要有Power PC、68000、MIPS、ARM等體系結(jié)構(gòu)。其中基于ARM技術(shù)的32位微處理器，市場的占有率目前已達(dá)到80%。在所有ARM處理器系列中，ARM7處理器系列應(yīng)用最廣，采用ARM7處理器作為內(nèi)核生產(chǎn)芯片的公司最多。36AR

15、Mv5TE 手機(jī)ARM7 機(jī)頂盒，智能手機(jī)ARM9 高端應(yīng)用ARM9E SOC37微控制器微控制器(MCU)(MCU)又稱單片機(jī) 以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、Watch Dog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)特點：單片化、體積小、功耗低、成本下降、可靠性高。38微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。Philips公司功不可沒微控制器微控制器(MCU)(MCU)39微控制器微控制器(MCU)(MCU)8051P51XA 洗

16、衣機(jī)C166/167 馬達(dá)和機(jī)械驅(qū)動68300 電話PowerPC:MC68HC0540數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器(DSP) DSP芯片，也稱數(shù)字信號處理器，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。適用于大數(shù)據(jù)量運算。為保證在高計算速度下的低耗電量和低成本，另一種微處理器應(yīng)運而生：數(shù)字信號處理器41數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器(DSP) 特點：（1）內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)。（2）專用硬件乘法器。 （3）廣泛采用流水線操作。 （4）提供特殊的DSP指令（例如：倒序）。典型特征：每個周期能夠處理多條乘加操作。42DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理

17、論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。 1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。DSP的歷史.現(xiàn)在使用第五代DSP。數(shù)字信號處理器(DSP) 43數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器(DSP) 德州儀器TI、摩托羅拉Motorola、模擬器件AD有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP

18、56300等幾個不同系列的處理器。44數(shù)字信號處理器數(shù)字信號處理器(DSP) 45片上系統(tǒng)SoC （System on Chip ）。將功能做在一個芯片上，像是ARM RISC、DSP或是其他的微處理器核心，加上通信的接口單元，像通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、GSM通信接口、IEEE1394、藍(lán)牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)46專用集成電路芯片F(xiàn)PGA存儲器FLASH嵌入式處理器采樣等模擬芯片通信芯片傳感器芯片原理樣機(jī)電路板電路板47專用集成電路核存儲區(qū)嵌入

19、式處理器核采樣等模擬功能藍(lán)牙等通信模塊傳感器嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)芯片管腳48特點：軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。運用VHDL等硬件描述語言不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。 嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)49SOC包括通用和專用兩類。專用較多，所以大部分都不為用戶所知，如 Philips的Smart XA。Siemens的TriCore，Motorola的M

20、-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。SOC芯片在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)50特點和優(yōu)勢：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對外管腳數(shù)，簡化制造過程。減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)干擾。嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)51嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)本節(jié)內(nèi)容一嵌入式系統(tǒng)的定義和特點二嵌入式微處

21、理器相關(guān)的基本概念三嵌入式微處理器的分類四典型的嵌入式微處理器五、典型處理器5.1 MCS-51微控制器5.2 ARM微處理器5.3 MIPS微處理器5.4 X86微處理器5.5 TI DSP處理器提問：指令集和體系后面的介紹中不停問：指令集、體系、特點、應(yīng)用范圍5.1 MCS-51 簡介1. 美國Intel公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱， 8031，8051，8751，8052，8752等2. Intel公司將MCS51的核心技術(shù)授權(quán)給了很多其它公司，Philips、AD、Dallas3. 89C51ATMEL公司經(jīng)典5.1 MCS-51 特點1. 哈佛體系結(jié)構(gòu)2. 基于復(fù)雜指令集（CISC）的單片機(jī)內(nèi)核3. 接口豐富、編程簡單4. 8位CPU，無法運行操作系統(tǒng)5. 工作穩(wěn)定、環(huán)境要求低5.1 MCS-51 用途1. 工業(yè)控制設(shè)備2. 低端應(yīng)用 ARM - Advanced RISC Machines 85年英國劍橋ARM原型，今日ARM公司 32位RISC微處理器75以上的市場份額 精簡指令集 ARM9-哈佛/ARM7 馮諾依曼5.2 AR