嵌入式系统与软件(2)

1嵌入式系统硬件2嵌入式硬件系统组成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3嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器体系结构可采用冯•诺依曼(VonNeumann)结构或哈佛(Harvard)结构冯•诺依曼结构：指令和数据存放在同一存储器中，数据线与指令线分时复用，取指令和取数据不能同时进行，速度受限。哈佛结构：指令和数据存放在不同的存储器中，指令计数器PC只指向指令存储器，而不指向数据存储器，数据线和指令线分离，因此取指和取数据可同时进行，速度较快。4冯.诺依曼体系结构处理器代码区指令1指令2...数据区数据1数据2...地址总线指令、数据处理器指令1指令2...数据1数据2...地址总线程序存储区数据存储区指令地址总线数据哈佛体系结构5嵌入式微处理器的指令系统指令系统可采用精简指令集系统RISC或复杂指令集系统CISC6类别CISCRISC指令系统指令数量很多相对较少执行时间有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器多为单周期指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样寻址方式较简单操作可以对存储器和寄存器进行运算和操作仅Load/Store指令可以对存储器进行操作，其余指令只能对寄存器进行运算和操作编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序7嵌入式微处理器经过近20年的发展，嵌入式微处理器的集成度、主频、位数都得到了提高20世纪80年代中后期20世纪90年代初期20世纪90年代中后期21世纪初期制作工艺1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主频33MHz100MHz200MHz600MHz晶体管个数500K2M5M22M位数8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit8嵌入式微处理器分类按位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。16位以下的嵌入式微处理器一般称为嵌入式微控制器（MCU）。32位以上的称为嵌入式微处理器。9嵌入式微处理器分类按用途来分，嵌入式微处理器可分为四种：嵌入式微处理器：由通用计算机的CPU演变而来，不同的是只保留了和嵌入式以后能够用紧密相关的功能硬件，去除了其他冗余功能，并配上了必要的外围扩展电路，减小了体积和功耗。嵌入式微控制器：又称单片机，一般以一种微处理器为核心，片内集成了ROM、EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时器、计数器、I/O等。嵌入式DSP处理器：专用于数字信号处理，采用哈佛结构，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。嵌入式片上系统SoC：又系统级芯片，在一个硅片上实现了一个更为复杂的计算机系统。10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其区别：体积小、重量轻、成本低、可靠性高功耗低工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强11嵌入式微处理器的特点集成度高（HigherIntegration）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(通用异步收发器，功能：将计算机内部传送的并行数据转换为输出的串行数据流，而将外部送来的串行数据流转换为字节，供计算机使用)等。这符合嵌入式系统的低成本和低功耗的需求，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。12集成度高（HigherIntegration）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:大多数嵌入式微处理器都具有外部存储器的控制器，外设接口(串/并口)LCD控制器:面向终端类应用中断控制器，DMA控制器，协处理器，定时器，A/D、D/A转换器总线多媒体加速器:当高级图形功能需要时嵌入式微处理器的特点13集成外围逻辑芯片目前有两种方式:单芯片方式（SingleChip）：如44B0X是用于终端类应用的芯片组方式（ChipSet）：由微处理器主芯片和一些从芯片组成。主芯片提供计算和基本外围设备的控制功能，从芯片加入了新的接口(LCD控制器、红外线接口、触摸屏功能块等)。嵌入式微处理器的特点14体系结构(Architecture)算术格式（ArithmeticFormat）：大多数的嵌入式微处理器使用定点算法（fixed-pointarithmetic），这样的芯片比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。嵌入式微处理器的特点15体系结构(Architecture)功能单元（FunctionalUnits）:大多数的嵌入式微处理器包括不只一个功能单元，典型的是包含一个ALU(算术逻辑单元，用来进行算术或逻辑运算以及位移循环等操作)、移位器和MAC（乘加运算）处理器通常用一条指令完成乘法操作。流水线（Pipeline）:现在某些嵌入式处理器中同样采用了分支预测技术。嵌入式微处理器的特点16指令集(InstructionSet)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。许多嵌入式微处理器扩展了特定领域的指令，如DSP指令集，这些指令主要有:乘加(MAC)操作: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多媒体加速指令:象素处理、多边形、3D操作等指令嵌入式微处理器的特点17功耗和管理(PowerConsumptionandManagement)在嵌入式系统中功耗是很重要的问题，须仔细考虑。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。嵌入式微处理器采用不同的技术来降低功耗:降低工作电压：1.8v甚至更低提供不同的时钟频率：通过软件设置关闭暂时不使用的功能块提供功耗管理机制嵌入式微处理器的特点18具有功耗管理的处理器可以处于如下模式之一:运行模式（RunningMode）：处理器处于全速运行状态下。待命模式(StandbyMode)：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-offmode）：时钟完全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。嵌入式微处理器的特点19影响功耗的其他因素还有:总线:特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小存储器的大小:如果使用DRAM，它需要不断的刷新为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。嵌入式微处理器的特点20成本(Cost)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。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(PlasticQuadFlatPackage)通常比BGA(BallGridArrayPackage)便宜。芯片大小（diesize）:取决于制造的工艺水平。嵌入式微处理器的特点21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、SuperH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。22EmbeddedRISCProcessorShipments嵌入式RISC处理器付运量01002003004005001997199819992000ARMMIPSHitachiSHPowerPCUnits(millions)单位：百万Source:AndrewAllison,InsideTheNewComputerIndustry,January2001资料来源：AndrewAllison机构2001年1月的报告《InsideTheNewComputerIndustry》23RISCCPU市场ARM76.8%PowerPC3.0%MIPS10.9%HitachiSH7.2%Other(其它)2.1%2000RISCTotalUnits539million2000年RISC总付运量为5.39亿ARM57.8%1999Source:AndrewAllison,InsideTheNewComputerIndustry,January2001资料来源：AndrewAllison机构2001年1月的报告《InsideTheNewComputerIndustry》24嵌入式微处理器X86系列：主要由AMD，Intel，NS，ST等公司提供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式K6，386EX、STPC等主要应用在工业控制、通信等领域国内由于对X86体系比较熟悉，得到广泛应用，特别是嵌入式PC的应用非常广泛。x86系列：比较ALIM6117CAMDSC400(410)AMDSC520NationalGXLVCPUcoreALI386SXAMD486AMD486Cyrix5x86CPUfrequency40MHz33/66/100MHz33/66/100MHz166to266MHzCPUcacheNone8KBcode/data16KBcode/data16KBcode/dataInputclocks80MHz,4.318MHz,32768Hzcrystal32768Hzcrystal32768Hz+33.33MHzcrystal60..66MHz,videoclockFPUNo,externaloptionNoYesInternalMaximumpower1.45W(5V,40MHz)1.5W(3.3V,66MHz)，0.94W(2.7V,66MHz)2.0W(133MHz)，1.4Wtyp.7.8W(2.9V,266MHz),3.7W(2.2V,166MHz)Supplyvoltage5V3.3V(corevoltagecangodownto2.7V)3.3VI/O,2.5Vcore3.3VI/O,2.2to2.9VcoreTemp.range0..70癈0..70癈Tambient0..85癈Tcase0..85癈TcaseDRAMsupport16bit,FPMorEDO16or32bit,FPMorEDO32bitupto256M，SDRAM64bitupto256M，SDRAMx86系列：比较（续）ALIM6117CAMDSC400(410)AMDSC520NationalGXLVTimerchannels3(8254)3(8254)3(8254)3(8254)WatchdogYes(notverygood)NoYesNoInterrupts2x82592x8259+SMI#2x8259+SMI#2x8259+SMI#DMAchannels7(2x8237)7(2x8237)7(2x8237)7(2x8237)Keyboardcont.ATkeyboardXTinterface,matrixscanNoNoRTCYesYesYesNoSerialportNo1x16550w/IRDA2x16550,sync.serialUSBParallelportNo1xSPP/EPPGPIONoProgrammablechipselectsNoUpto15Upto8NoLCD/CRTcontrollerNoYes，monochrome&colorLCDNoCRTIDEinterfaceYesUseprog.CS#Useprogr.CS#Yes,PCIbusmasterBusinterfaceISAISA,VLoptionalPCI,ISA(limited)PCI,ISA27嵌入式微处理器MPC/PPC