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1,嵌入式電子系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),.,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),1 本次課的目標(biāo)2 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成4 嵌入式處理器5 小結(jié),2,.,1. 本次課的目標(biāo),了解嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念，掌握基本硬件組成：中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備和總線，為后續(xù)接口和應(yīng)用的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。,3,.,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),1 本次課的目標(biāo)2 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成4 嵌入式處理器5 小結(jié),4,.,5,2.1 精簡(jiǎn)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. 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念,.,2.1 精簡(jiǎn)指令集RISC和復(fù)雜指令集CISC,嵌入式微處理器分為：CISC （Complex Instruction Set Computer）架構(gòu) ：大多數(shù)PC機(jī)均使用CISC微處理器，如Intel的X86；RISC（ Reduced Instruction Set Computer）架構(gòu)Silicon Graphics的MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)技術(shù)ARM公司的Advanced RISC Machines技術(shù)Hitachi公司的SuperH技術(shù),6,.,RISC和CISC是目前設(shè)計(jì)制作微處理器的兩種典型技術(shù)，它們都試圖在體系結(jié)構(gòu)、指令集、軟硬件、編譯時(shí)間和運(yùn)行時(shí)間等諸多因素中做出平衡，以求達(dá)到高效的目的，只是采用的方法不同。,7,.,CISC架構(gòu)1960年前后的主流架構(gòu)新的指令不斷引入，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜20%的指令經(jīng)常使用，占80%程序代碼量；80%的指令較少使用，占20%程序代碼量不合理,8,.,RISC架構(gòu)1979年加州大學(xué)伯克利分校提出目的是使計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)更合理，提高運(yùn)算速度選取使用頻繁的簡(jiǎn)單指令，固定指令長(zhǎng)度，減少指令類型和尋址方式，以邏輯控制為主。,9,.,RISC和CISC的差異（1）指令系統(tǒng)RISC設(shè)計(jì)者把主要精力放在經(jīng)常使用的指令上，使其具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)。對(duì)于不常用的功能，通常通過指令組合來實(shí)現(xiàn)。CISC指令系統(tǒng)豐富，有專用指令完成特定功能，處理特殊任務(wù)效率較高。,10,.,（2）存儲(chǔ)器操作RISC對(duì)存儲(chǔ)器操作指令少，控制簡(jiǎn)單化。CISC存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)特殊功能時(shí)程序復(fù)雜，不易設(shè)計(jì)。CISC匯編語言程序編程相對(duì)簡(jiǎn)單，科學(xué)計(jì)算及復(fù)雜操作的程序設(shè)計(jì)相對(duì)容易，效率較高。,11,.,（4）中斷RISC在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷;CISC在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。（5)CPURISC包含較少的單元電路，面積小，功耗低;CISC：包含豐富的電路單元，功能強(qiáng)、面積大、功耗大。,12,.,（6）設(shè)計(jì)周期RISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布局緊湊，設(shè)計(jì)周期短，易于采用最新技術(shù);CISC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。（7）易用性RISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用;CISC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。,13,.,（8）應(yīng)用范圍RISC指令系統(tǒng)與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，更適于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；CISC更適合于通用計(jì)算機(jī)。,14,.,15,.,RISC架構(gòu)的特點(diǎn):采用固定長(zhǎng)度的指令格式使用單周期指令，便于流水線操作執(zhí)行使用很少的指令類型和尋址模式，基本尋址方式只有2、3種大量使用寄存器，數(shù)據(jù)處理指令只對(duì)寄存器操作，以提高指令的執(zhí)行效率。,16,.,盡管RISC架構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是決不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就能夠替代CISC架構(gòu)，兩者是各有優(yōu)勢(shì)，而且界限并不明顯。一些現(xiàn)代CPU外圍采用CISC的外圍，內(nèi)部加入RISC的特性，如超長(zhǎng)指令集CPU融合了RISC和CISC的優(yōu)勢(shì)，成為未來CPU發(fā)展方向之一。,17,.,2 .2 馮·諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu),1945年，馮.諾伊曼首先提出了“存儲(chǔ)程序”的概念和二進(jìn)制原理，后來，人們把利用這種概念和原理設(shè)計(jì)的電子計(jì)算機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)稱為“馮.諾伊曼型結(jié)構(gòu)”計(jì)算機(jī)。馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)的處理器使用一個(gè)存儲(chǔ)器，經(jīng)由同一個(gè)總線傳輸。,18,.,19,.,馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：必須有一個(gè)存儲(chǔ)器；必須有一個(gè)控制器；必須有一個(gè)運(yùn)算器，用于完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算；必須有輸入和輸出設(shè)備，用于進(jìn)行人機(jī)通信。,20,.,馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)處理在典型情況下，完成一條指令需要3個(gè)步驟，即：取指令、指令譯碼和執(zhí)行指令。,21,.,22,特點(diǎn)：數(shù)據(jù)程序共享存儲(chǔ)器,.,與馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)處理器比較，哈佛結(jié)構(gòu)處理器有兩個(gè)明顯的特點(diǎn)：使用兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器模塊，分別存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；使用獨(dú)立的兩條總線，分別作為CPU與每個(gè)存儲(chǔ)器之間的專用通信路徑，而這兩條總線之間相互獨(dú)立。,23,.,24,.,25,特點(diǎn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和程序存儲(chǔ)器相互獨(dú)立,哈佛體系體系結(jié)構(gòu),.,如果采用哈佛結(jié)構(gòu)處理以上同樣的3條存取數(shù)指令，由于取指令和存取數(shù)據(jù)分別經(jīng)由不同的存儲(chǔ)空間和不同的總線，使得各條指令可以重疊執(zhí)行，這樣，也就克服了數(shù)據(jù)流傳輸?shù)钠款i，提高了運(yùn)算速度。,26,.,27,.,28,哈佛結(jié)構(gòu)和馮.諾依曼結(jié)構(gòu)主要是指存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，與指令系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。 ARM7系列是馮諾依曼結(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。,.,29,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(jí)流水）當(dāng)前指令尚未執(zhí)行完時(shí)，提前啟動(dòng)后續(xù)指令,5+3-7>0?,2 .3 流水線技術(shù),.,30,流水線技術(shù)特點(diǎn)： 各個(gè)分解步驟的執(zhí)行時(shí)間固定 幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行 提高了CPU的運(yùn)行效率 內(nèi)部信息流要求通暢流動(dòng),本質(zhì)：指令并行處理的技術(shù),.,31,ARM7處理器核采用了3級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行分為取指、譯碼和執(zhí)行等3個(gè)階段ARM9內(nèi)核采用了五級(jí)流水線，指令分5個(gè)階段執(zhí)行：取址譯碼執(zhí)行存儲(chǔ)寫。ARM10處理器核采用六級(jí)流水線。ARM11系列采用8級(jí)流水線操作，個(gè)別處理器采用9級(jí)流水線。,.,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),1 本次課的目標(biāo)2 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成4 嵌入式處理器5 小結(jié),32,.,33,3. 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成,嵌入式系統(tǒng)硬件組成,.,34,3.1 嵌入式處理器3.2 存儲(chǔ)器3.3 輸入設(shè)備3.4 輸出設(shè)備3.5 總線,.,3.1 嵌入式處理器,嵌入式系統(tǒng)上的處理器單元稱為嵌入式處理器。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。種類極多，目前已超過1000種。,35,.,主要類型：、嵌入式微控制器 MCU （Microcontroller Unit）嵌入式DSP處理器 EDSP (Embedded Digital Signal Processor)嵌入式微處理器 MPU(Embedded Microprocessor Unit) 嵌入式片上系統(tǒng) SOC(System On Chip),36,.,3.2 嵌入式存儲(chǔ)器,嵌入式系統(tǒng)各部分中的存儲(chǔ)器Register：具有寄存功能Cache：高速緩沖存儲(chǔ)器Main Memory：ROM、DRAM、SRAMDisk、Tape U盤(Flash Memory)其他具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的器件和設(shè)備,37,.,對(duì)存儲(chǔ)器的三個(gè)要求： “容量大、價(jià)格低、速度快”實(shí)現(xiàn)“容量大、價(jià)格低”的要求，需采用提供大容量的存儲(chǔ)技術(shù);滿足“速度快”的要求，需采用昂貴且容量小的快速存儲(chǔ)技術(shù);對(duì)存儲(chǔ)器的三個(gè)要求是相互矛盾的!,38,.,39,解決矛盾的唯一方法就是采用多種存儲(chǔ)技術(shù)構(gòu)成具有層次結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。,.,40,高速暫存存儲(chǔ)器(Scratch-pad Storage)亦稱便箋式存儲(chǔ)器，由寄存器構(gòu)成用來暫存即刻要執(zhí)行的指令、馬上要用的數(shù)據(jù)或得到的處理結(jié)果，屬于CPU的組成部分高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache)存放當(dāng)前正在執(zhí)行程序的部分程序段或數(shù)據(jù)，位于主存和CPU之間速度ns級(jí)別、容量KB MB級(jí)別,.,主存儲(chǔ)器存放當(dāng)前處于活動(dòng)狀態(tài)的程序和有關(guān)數(shù)據(jù)速度ns級(jí)別、容量MB GB級(jí)別輔助存儲(chǔ)器不能由CPU的指令直接訪問，必須通過專門的程序或?qū)ｉT的通道把所需的信息與主存進(jìn)行成批交換，調(diào)入主存后才能使用聯(lián)機(jī)：速度ms級(jí)別、容量GB TB級(jí)別脫機(jī)：速度s級(jí)別、容量為海量,41,.,高速暫存存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量一般不超過2KB，寄存器的位數(shù)與機(jī)器字長(zhǎng)相同，它屬于CPU的組成部分 。高速緩沖存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量一般在幾十KB到幾MB之間。主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量比Cache大得多，一般在幾百M(fèi)B到幾GB之間。YH-1巨型機(jī)主存為32MB，YH-2巨型機(jī)主存為256MB。,42,.,3.3 嵌入式輸入設(shè)備,計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備，負(fù)責(zé)將輸入的信息（包括數(shù)據(jù)和指令）轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的二進(jìn)制代碼，送入存儲(chǔ)器保存。在嵌入式系統(tǒng)中，輸入設(shè)備主要包括小型鍵盤、觸摸屏等。,43,.,1、小型鍵盤小型鍵盤為嵌入式系統(tǒng)的一種常用輸入設(shè)備，分為全編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種，非編碼鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用較多。,44,44,.,45,45,.,46,首先判別鍵盤中有無鍵按下：由口向鍵盤送(輸出)全掃描字，然后讀入(輸入)列線狀態(tài)來判斷。判斷鍵盤中哪一個(gè)鍵被按下：通過將行線逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的。,.,47,.,2、觸摸屏在液晶屏上疊加一片觸摸屏，用觸控筆或手指頭直接點(diǎn)選按鍵或輸入文字。特點(diǎn)：輕薄短小，便于攜帶，使用方便。類別：電容式、表面聲波式、電阻式和XGT式。其中，電容式為最早出現(xiàn)的觸摸屏；電阻式的市場(chǎng)份額最大。,48,48,.,3.4 嵌入式輸出設(shè)備,輸出設(shè)備是指輸出計(jì)算機(jī)處理結(jié)果的設(shè)備。在大多數(shù)情況下，需要將這些結(jié)果轉(zhuǎn)換成便于人們識(shí)別的形式。在嵌入式系統(tǒng)中，輸出設(shè)備主要包括LED、LCD等。,49,.,1、LEDLED（Light Emitting Diode）主要作為電源指示燈、電平指示、工作狀態(tài)顯示或微光源之用，主要分為發(fā)光二極管（基本單元）、數(shù)碼管、符號(hào)管、米字管、點(diǎn)陣顯示屏等。,50,50,.,51,51,.,2、LCD液晶顯示器簡(jiǎn)稱LCD（Liquid Crystal Diodes）是利用液晶經(jīng)過處理后能夠改變光線傳輸方向的特性，達(dá)到顯示字符或者圖形的目的。其特點(diǎn)是體積小、重量輕、功耗極低、顯示內(nèi)容豐富等特點(diǎn)，在單嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中有著日益廣泛的應(yīng)用。,52,52,.,液晶屏主要由背光板、液晶陣列、彩色濾光膜、兩塊偏光板等組成。,53,53,.,54,.,55,.,3.5 嵌入式總線,微處理器通過一組線路，配置以適當(dāng)?shù)慕涌陔娐?，與各部件和外圍設(shè)備連接，這組共用的連接線路被稱為總線。總線一般有內(nèi)部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。,56,.,1、內(nèi)部總線內(nèi)部總線，微機(jī)內(nèi)部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級(jí)的互連，如IIC總線、SCI總線、SPI總線等。,57,57,.,2、系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線，微機(jī)中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級(jí)的互連。平常所說的微機(jī)總線就是指系統(tǒng)總線，如ISA總線、EISA總線、PCI總線、 PCI-E總線、 PXIe總線等。,58,58,.,3、外部總線外部總線，微機(jī)和外部設(shè)備之間的總線，通過該總線和其他設(shè)備進(jìn)行信息與數(shù)據(jù)交換，它用于設(shè)備一級(jí)的互連。如RS-232-C總線、RS-422A總線、RS-485總線、USB總線、IEEE1394總線等。,59,59,.,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),1 本次課的目標(biāo)2 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成4 嵌入式處理器5 小結(jié),60,.,4 嵌入式處理器,4.1 嵌入式處理器概述4.2 嵌入式處理器分類4.3 嵌入式處理器的主要技術(shù)指標(biāo)4.4 如何選擇嵌入式處理器4.5 嵌入式處理器的發(fā)展,61,.,4.1 嵌入式處理器概述,嵌入式系統(tǒng)上的處理器單元稱為嵌入式處理器。嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，在嵌入式處理器上運(yùn)行嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。,62,.,嵌入式處理器具有多種形式，但都具有：處理器內(nèi)核；地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線；輔助電路，如時(shí)鐘、復(fù)位電路；片上I/O接口電路。,63,.,4.2 嵌入式處理器分類,4.2.1嵌入式微控制器 MCU4.2.2嵌入式DSP處理器 EDSP4.2.3嵌入式微處理器MPU4.2.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC,64,.,4.2.1嵌入式微控制器 MCU,嵌入式微控制器將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要硬件集成到一塊芯片中。一般以微處理器內(nèi)核為核心，集成ROM/EPROM、RAM、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、串口、A/D、D/A等各種必要的功能和外設(shè)。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。單片機(jī)是嵌入式微控制器的典型代表。,65,.,微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流，占嵌入式系統(tǒng)約70的市場(chǎng)份額。,66,.,目前MCU的品種和數(shù)量很多，有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11 /12 /16、MC68300等。另外，還有許多半通用系列，如支持USB接口、I2C、CAN總線的專用和兼容系列等。典型器件包括8051、MCS-251、MCS-96/ 196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541等。,67,.,68,.,69,.,4.2.2嵌入式DSP處理器 EDSP,嵌入式DSP（Digital Signal Processor，DSP）處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用Harvard結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器，指令為快速DSP指令（屬于RISC精簡(jiǎn)指令集），使其適合于對(duì)處理器運(yùn)算速度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域。,70,.,DSP是當(dāng)今發(fā)展最為迅速的和最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。目前，DSP已經(jīng)成為通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)控制以及家用電器等電子產(chǎn)品中不可或缺的基礎(chǔ)器件。DSP的應(yīng)用領(lǐng)域包括語音處理，圖像壓縮，視頻處理，調(diào)制解調(diào)，控制算法，通信處理等。,71,.,DSP發(fā)展70年代理論先行:70年代出現(xiàn)DSP的理論算法；80年代產(chǎn)品普及:1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。,72,.,到80年代后期，DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。,73,.,DSP的特點(diǎn),(1)采用哈佛(HARVARD)結(jié)構(gòu)，高度并行運(yùn)算大大提高運(yùn)算速度；(2)芯片內(nèi)配置了一個(gè)或多個(gè)硬件乘法器和累加器，能實(shí)現(xiàn)單指令乘加運(yùn)算和變址運(yùn)算；(3)芯片內(nèi)專門設(shè)置了功能很強(qiáng)的專用指令，可以實(shí)現(xiàn)指令的重疊運(yùn)行；(4)芯片內(nèi)設(shè)置了多種功能很強(qiáng)的外圍器件和接口；(5)DSP增加了硬件循環(huán)控制，當(dāng)完成循環(huán)初始化后。實(shí)際運(yùn)行中循環(huán)不再消耗指令周期。大大提高了數(shù)字信號(hào)處理的運(yùn)算速度。（零開銷循環(huán)）,74,.,DSP的分類,定點(diǎn)DSP：完成定點(diǎn)數(shù)的算術(shù)操作；通常16位的DSP用于定點(diǎn)操作；特點(diǎn)為精度低、耗電低、成本低，適合于低端應(yīng)用；浮點(diǎn)DSP：處理浮點(diǎn)數(shù)，32位的DSP通常用于浮點(diǎn)運(yùn)算。特點(diǎn)為性能高、價(jià)格高，通常用于高端應(yīng)用的場(chǎng)合，包括視頻處理、圖像識(shí)別。,75,.,DSP典型產(chǎn)品,嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是Texas Instruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000 系列和ADI公司的ADSP系列。TMS320系列處理器包括用于控制的 C2000系列，移動(dòng)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DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。,76,.,77,TMS320 DSP微處理器系列產(chǎn)品推出時(shí)間圖,.,78,TMS320C5x的方塊圖(德州儀器公司提供),.,79,.,DSP技術(shù)展望,系統(tǒng)級(jí)集成DSP是潮流縮小DSP芯片尺寸始終是DSP的技術(shù)發(fā)展方向。當(dāng)前的DSP多數(shù)基于RISC（精簡(jiǎn)指令集計(jì)算）結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是尺寸小、功耗低、性能高。各DSP廠商紛紛采用新工藝，改進(jìn)DSP芯核，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元、存儲(chǔ)單元統(tǒng)統(tǒng)集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級(jí)集成電路。,80,.,追求更高的運(yùn)算速度目前一般DSP運(yùn)算速度為100MIPS，即每秒鐘可運(yùn)算1億條指令。DSP運(yùn)算速度的提高，主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)。目前，TI的TM320C6X芯片由于采用VLIW（Very Long Instruction Word超長(zhǎng)指令字）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其處理速度已高達(dá)2000MIPS。,81,.,定點(diǎn)DSP是主流 從理論上講，雖然浮點(diǎn)DSP的動(dòng)態(tài)范圍比定點(diǎn)DSP大，且更適合于DSP的應(yīng)用場(chǎng)合，但定點(diǎn)運(yùn)算的DSP器件的成本較低，對(duì)存儲(chǔ)器的要求也較低，而且耗電較省。因此，定點(diǎn)運(yùn)算的可編程DSP器件仍是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前銷售的DSP器件中的80%以上屬于16位定點(diǎn)可編程DSP器件，預(yù)計(jì)今后的比重將逐漸增大。,82,.,4.2.3嵌入式微處理器（MPU）,嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。具有較高的性能，其價(jià)格也相應(yīng)較高。嵌入式微處理器在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但一般在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面做了各種增強(qiáng)。,83,.,和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線和外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。,84,.,85,.,目前主要的嵌入式處理器類型有Power PC、68000、MIPS、ARM/ Strong ARM系列等。,86,.,4.2.4嵌入式片上系統(tǒng)SOC,隨著超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)來臨，這就是SOC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，通過VHDL等語言描述，仿真通過后就可以交給半導(dǎo)體工廠制作芯片樣品。,87,.,88,專用集成電路芯片F(xiàn)PGA,存儲(chǔ)器FLASH,嵌入式處理器,采樣等模擬芯片,通信芯片,傳感器芯片,電路板,.,89,.,整個(gè)系統(tǒng)大部分均集成到一塊或幾塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減少體積、功耗、提高可靠性非常有利。SOC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合。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。,90,.,SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對(duì)外管腳數(shù)，簡(jiǎn)化制造過程。減少外圍驅(qū)動(dòng)接口單元及電路板之間的信號(hào)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(hào)傳遞時(shí)所造成系統(tǒng)干擾。,91,.,92,4.3 嵌入式處理器的主要技術(shù)指標(biāo),字長(zhǎng)字長(zhǎng)是處理器內(nèi)部一次可以處理的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。一般處理器的字長(zhǎng)決定于它的通用寄存器、內(nèi)存儲(chǔ)器、ALU的位數(shù)和數(shù)據(jù)總線的寬度。字長(zhǎng)越長(zhǎng)，一個(gè)字所能表示的數(shù)據(jù)精度就越高；在完成同樣精度的運(yùn)算時(shí)，則數(shù)據(jù)的處理速度越高。,.,處理速度計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度一般用每秒鐘所能執(zhí)行的指令條數(shù)來表示。MIPS: Million Instructions Per Second)尋址能力尋址能力取決于處理器地址線的數(shù)目，它是衡量處理器存儲(chǔ)信息能力的主要指標(biāo)。,93,.,功耗在嵌入式系統(tǒng)中，一般需要注意系統(tǒng)的功耗，嵌入式處理器的功耗對(duì)系統(tǒng)的總功耗有較大影響。功能嵌入式處理器的功能取決于處理器集成的存儲(chǔ)器的數(shù)量和外部設(shè)備接口的種類。處理器的功能往往決定了嵌入式系統(tǒng)的功能。,94,.,平均無故障間隔時(shí)間嵌入式系統(tǒng)經(jīng)常需要連續(xù)工作，平均無故障時(shí)間表明嵌入式系統(tǒng)長(zhǎng)期工作的可靠性。MTBF (Mean Time Between Failures) 工作溫度范圍嵌入式處理器的工作溫度范圍決定了它能應(yīng)用的環(huán)境。一般分為民用級(jí)，工業(yè)級(jí)，軍用級(jí)，航天級(jí)。,95,.,4.4 如何選擇嵌入式處理器,4.4.1選擇嵌入式處理器的總原則4.4.2 選擇嵌入式處理器的具體方法4.4.3選擇嵌入式處理器小結(jié),96,.,4.4.1選擇嵌入式處理器的總原則,簡(jiǎn)單控制8位微控制器需要使用嵌入式操作系統(tǒng)16位以上處理器涉及到復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算、信號(hào)處理選擇DSP涉及到圖形處理高性能的處理器,97,.,4.4.2 選擇嵌入式處理器的具體方法,夠用原則成本原則技術(shù)支持參考設(shè)計(jì)技術(shù)積累購買渠道供貨能力行業(yè)用途和使用情況,98,.,考慮技術(shù)指標(biāo)參數(shù)體系結(jié)構(gòu)處理速度-MIPS（Million Instructions Per Second）尋址能力總線寬度片上存儲(chǔ)器的集成情況工作溫度封裝形式操作系統(tǒng)、開發(fā)工具的支持調(diào)試接口功耗特性 mW/MHz電源管理功能價(jià)格-批量?jī)r(jià)格,99,.,參數(shù)比較選擇表,100,.,4.4.3選擇嵌入式處理器小結(jié),精挑細(xì)選，反復(fù)比較慎重選擇方案不唯一咨詢專家的意見自己下決心,101,.,4.5嵌入式處理器的發(fā)展,（1）在市場(chǎng)的占有率來看，其中8位的產(chǎn)品即占了一半左右的市場(chǎng)，其次是16位及32位的產(chǎn)品 。,102,.,位數(shù)來對(duì)嵌入式系統(tǒng)微處理器做分類,103,.,（2） 32位微處理器的應(yīng)用不會(huì)像8位機(jī)那樣百花齊放、百余種型號(hào)系列齊上陣。8位機(jī)的低端應(yīng)用中，其領(lǐng)域十分廣泛而復(fù)雜，但當(dāng)前32位微處理器的應(yīng)用則集中在網(wǎng)絡(luò)、通信、多媒體技術(shù)領(lǐng)域。,104,.,一般來說，嵌入式系統(tǒng)的高低端應(yīng)用模糊地界定為：高端用于具有海量數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡(luò)、通信 、多媒體領(lǐng)域；低端則用于對(duì)象系統(tǒng)的控制領(lǐng)域。,105,.,在眾多嵌入式系統(tǒng)廠家參與下，基于ARM系列處理器的應(yīng)用技術(shù)在眾多領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。Intel將ARM系列向更高端的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展Philips則向高端應(yīng)用發(fā)展的同時(shí)，向低端的8位和16位機(jī)的高端應(yīng)用延伸。,106,.,嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ),1 本次課的目標(biāo)2 嵌入式系統(tǒng)硬件基本概念3 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成4 嵌入式處理器5 小結(jié)6 下次課準(zhǔn)備,107,.,小結(jié),1.嵌入式系統(tǒng)硬件的基本概念；2.嵌入式系統(tǒng)硬件的基本組成；,108,.,思考題,RISC和CISC的區(qū)別？馮·諾依曼和哈佛體系結(jié)構(gòu)的區(qū)別？嵌入式中央處理器的種類？嵌入式存儲(chǔ)器的種類？嵌入式常見的輸入輸出設(shè)備？嵌入式總線的定義及分類？,109,.,110,21世紀(jì)將是嵌入式系統(tǒng)泛濫的世紀(jì)機(jī)會(huì)無處不在，同志仍須努力謝謝大家！,110,.,