嵌入式处理器.

嵌入式系统设计与应用1第二讲嵌入式处理器2020/1/1嵌入式系统设计与应用2020/1/12主要内容3.1引言3.2嵌入式处理器的特点3.3嵌入式处理器的分类3.4嵌入式处理器的发展趋势3.5嵌入式处理器的选择原则3.6ARM微处理器概述3.7ARM微处理器的编程模型3.8ARM微处理器的指令系统嵌入式系统设计与应用2020/1/133.1引言种类繁多、千花齐放据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列两大主流体系结构低档8051（8位）体系结构高档ARM（32位）体系结构嵌入式处理器的一些基本情况(功耗限制)处理速度：0.1MIPS~2000MIPS寻址空间：64KB~512MB常用封装：8个引脚~300个引脚嵌入式系统设计与应用2020/1/143.2嵌入式处理器的特点硬件结构低档处理器多采用哈佛结构•即数据存储空间和程序存储空间分离•较大的程序存储器（用于固化已调试好的程序）•较小的数据存储器（用于存放少量的随机数据）高档处理器多采用冯·诺伊曼结构•典型的微型计算机的存储器结构采用的是冯·诺伊曼结构——也叫普林斯顿结构嵌入式系统设计与应用2020/1/153.2嵌入式处理器的特点（续）品种规格系列化同一产品系列不同型号处理器具有相同CPU内核，相同或兼容指令系统I/O接口功能部件配置不一样，形成不同型号处理器对实时多任务的支持实时•监测、控制、通信多任务•有效的调度嵌入式系统设计与应用2020/1/163.2嵌入式处理器的特点（续）可靠性高、功耗低、集成度高、性价比高可靠性高：冗余设计、电磁兼容设计功耗低：工作电压1.2/1.8/2.5/3.3V集成度高：SoC设计，高度集成价格低：以32位ARM系列芯片为例•三星：44b0x（ARM7）——30元，2410（ARM9）——80元•TI：Stellaris（ARMCortex-M3）系列32位微控制器——零售价格最低至11.5元嵌入式系统设计与应用2020/1/173.3嵌入式处理器的分类1嵌入式微处理器——MPUMicroProcessorUnit2微控制器——MCUMicroControllerUnit3数字信号处理器——DSPDigitalSignalProcessorDigitalSignalProcessing——数字信号处理嵌入式系统设计与应用2020/1/181嵌入式微处理器嵌入式微处理器的基础就是通用CPU为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在功能上和通用微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性、功耗等方面做了各种增强嵌入式计算机嵌入式微处理器+芯片组（总线仲裁器+中断控制器+DMA控制器+存储控制器+I/O接口）+外接存储器嵌入式微处理器一般与存储器、接口电路等安装在一块电路板上，称为单板机，如PC/104、Biscuit板等典型芯片（32、64位）386EX、486EX、奔腾、PowerPC、68k、ARM性能：100～2000MIPS100M-1G频率存储器：SDRAM-2~256MB，Flash-1~128MB一般有操作系统：Vxworks、WINCE(2MB)、uCLinux(300KB)，EmbeddedLinux嵌入式系统设计与应用SRAM和DRAM的区别SRAM不需要刷新电路即能保存它内部存储的数据。而DRAM（DynamicRandomAccessMemory)每隔一段时间，要刷新充电一次，否则内部的数据即会消失，SRAM具有较高的性能。但是SRAM也有它的缺点，即它的集成度较低，相同容量的DRAM内存可以设计为较小的体积，但是SRAM却需要很大的体积，且功耗较大。SDRAM:SynchronousDynamicRandomAccessMemory，同步动态随机存储器，同步是指Memory工作需要同步时钟，内部的命令的发送与数据的传输都以它为基准；动态是指存储阵列需要不断的刷新来保证数据不丢失；随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据读写。2020/1/19嵌入式系统设计与应用2020/1/1101嵌入式微处理器（续）PowerPC特点——可伸缩性好，方便灵活品种很多，有通用处理器、嵌入式处理器和CPU核•通用处理器——主要型号是PowerPC750系列，主频最高为700MHz（性能为目标）•嵌入式处理器——有PowerPC405（主频最高为266MHz）和PowerPC440（主频最高为550MHz）•CPU核——用于各种集成的系统芯片生产公司：Freescale（IBM）、Motorola（Google)嵌入式系统设计与应用2020/1/1111嵌入式微处理器（续）PC/104单板机规范•1996年6月公布了PC/104规范3.2版特点•PC/104总线采用96mmx90mm的小板结构•低功耗，1~5(2.8)瓦每模块•紧凑加固性设计的PC/104工控机在军工产品中得到采用，如火箭、导弹和战斗机等•PC/104总线工控机主流产品是486EX和586EX嵌入式系统设计与应用2020/1/112PC/104插槽：可以堆叠台湾杨智嵌入式系统设计与应用2020/1/113PC104嵌入式系统设计与应用2020/1/1141嵌入式微处理器（续）BiscuitPC单板机特点•一体化计算机•低成本•形状像饼干，俗称饼干计算机分类•迷你BiscuitPC（120x82mm）•半尺寸BiscuitPC（145x102mm）•全尺寸BiscuitPC（203x146mm）嵌入式系统设计与应用2020/1/115迷你BiscuitPC（2.5”120x82mm）386EX和芯片组嵌入式系统设计与应用2020/1/116半尺寸BiscuitPC（145x102mm）嵌入式系统设计与应用2020/1/117全尺寸BiscuitPC（203x146mm）370插座台湾矽统嵌入式系统设计与应用2020/1/118Mini-ITX结构170×170mmKINOAtom工业主板嵌入式系统设计与应用2020/1/1192微控制器微控制器又称单片机顾名思义，就是将整个计算机集成到一块芯片中低档微控制器CPU存储控制器+片内存储器（ROM/E2PROM/Flash、SRAM）中断控制器、定时/计数器、WatchDog、GPIO、UART、PWM、A/D、D/A等典型芯片•8051系列（8位）、MSP430（16位）性能：1～100MIPS存储器：SRAM-256B/2～128KB,Flash-8KB/64/512KB一般无操作系统或者简单操作系统：uC/OS-II(几KB～十几KB)、FreeRTOS(几KB)、RTX(几KB)嵌入式系统设计与应用2020/1/1202微控制器（续）高档微控制器CPU+总线仲裁器+DMA控制器+中断控制器+I/O接口+存储控制器+外接存储器（SDRAM）/少量片内存储器（Flash、SRAM）典型芯片（32位）•ARM、MIPS、PowerPC、68k与嵌入式微处理器比较微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，但性能有所降低目前微控制器是嵌入式系统工业中的主流，在嵌入式系统占有约50％的市场份额性能：100～1000MIPS存储器：SDRAM-4/8/16/32/64MB,Flash-2/4MB一般有操作系统：Vxworks、uCOSII、WINCE、uCLinux嵌入式系统设计与应用2020/1/1218位单片机示意图CPUSRAMGPIOUARTFlash定时/计数器A/DD/ACANWatchdog核心部分USBI2CSPI嵌入式系统设计与应用2020/1/12232位微控制器示意图ARMCPUOn-chipRAMBridgeExternalMemoryIntefaceDMABusMasterUARTTimerI2CGPIOAPBASB/AHB/AXIAHB:AdvancedHighperformanceBusAPB:AdvancedPeripheralBus嵌入式系统设计与应用2020/1/123嵌入式系统设计与应用2020/1/1242微控制器（续）MIPSMicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStagesMIPS公司于80年代初开始设计通用RISC处理器•R2000（1986年），R3000（1988年），1991年推出第一款64位商用微处理器R4000•R8000（1994年）、R10000（1996年）、R12000（1997年）新32位微控制器•4kc（1999年）新64位微控制器•5kc（1999年）、20kc（2000年）•源代码可以下载嵌入式系统设计与应用2020/1/1252微控制器（续）嵌入式系统设计与应用2020/1/1263数字信号处理器特殊设计高效乘累加运算（200M比2.8G的通用处理器快）高效数据存取、硬件重复循环确定性操作（程序执行时间可预测）应用场合数字滤波、FFT、频谱分析等方面代表性的产品TI的TMS320系列ADI的21xx系列Motorola的DSP56000系列嵌入式系统设计与应用2020/1/127TI的TMS320系列C2000低成本系列16/32位，定点，最高150MIPS最低价格低于2.00美元应用数字电机控制、数字电源和智能传感器C6000高性能系列（意味着高功耗）C62xx/C64xx系列——32位，定点（速度快）C67xx系列——32位，浮点运行频率高达1GHz应用领域包括无线、数字视频、成像处理嵌入式系统设计与应用2020/1/128TI的TMS320系列（续）C5000低功耗系列16位，定点性能高达900MIPS超低功耗，低至0.5mW/MHz适用于个人和便携式产品，如数字音乐播放器、VoIP、GPS接收器和便携式医疗设备OMAP多核系列与ARM核集成嵌入式系统设计与应用2020/1/1293.4嵌入式处理器的发展趋势内部结构SoC设计，与DSP集成（ARME）性能更强，集成更多的功能部件双核或多核结构功耗更低工作电流只有0.1μA（电池供电）可靠性更高倍频技术、ESD（静电防护）技术（人电压1500v）支持ISP（在系统编程）、ISD（在系统调试）嵌入式系统设计与应用2020/1/130亚洲嵌入式处理器选用情况嵌入式系统设计与应用2020/1/131每年新上市的CPU有98%都是嵌入式处理器。图显示美国那斯达克指数与新CPU出货量变化的关系CPU出货量达到10G/Year嵌入式系统设计与应用2020/1/1323.5嵌入式处理器的选择原则CPUCore选择应用领域•用户需求性能•浮点处理、MAC单元工具链•完善友好的工具链开发的难易程度•在系统编程、在系统调试嵌入式系统设计与应用2020/1/1333.5嵌入式处理器的选择原则（续）处理器I/O接口选择总线的需求GPIO的需求有没有基本通信接口UART、I2C、SPI是否需要USB总线是否需要CAN总线是否需要Ethernet总线是否需要A/D、D/A是否需要LCD控制器是否需要Zigbee、蓝牙等嵌入式系统设计与应用2020/1/1343.5嵌入式处理器的选择原则（续）处理器存储系统选择MMU寻址空间（容量）程序存储器、数据存储器、特殊寄存器片上Flash、SRAM、EEPROM是否支持SDRAM市场因素的影响价格是否容易购买技术支持与售后服务嵌入式系统设计与应用2020/1/135本讲小结目的与要求掌握嵌入式处理器的特点、分类熟悉典型嵌入式处理器了解嵌入式处理器的发展趋势和选择原则重点与难点嵌入式处理器的特点、分类