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嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構第1章嵌入式系統概念嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和大綱1.1嵌入式系統概念1.2嵌入式處理器1.3ARM微處理器結構1.4ARM微處理器的應用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel4004P-2/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和大綱1.1嵌入式系統概念1.2嵌入式處理器1.3ARM微處理器結構1.4ARM微處理器的應用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel4004P-3/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和什麼是『嵌入式系統』呢﹖根據英國電機工程師協會(IEE)的定義,嵌入式系統為“控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置”。嵌入式系統是電腦軟體與硬體的綜合體,它是以應用為中心,以計算機技術為基礎。舉例來說,一台PC的外部設備中就包含了5~10個嵌入式微處理器,如鍵盤、滑鼠、掃描器、數位相機或USB集線器…等設備均由嵌入式處理器來進行控制。1.1嵌入式系統概念P-4/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和嵌入式系統的三種架構IP(IntellectualProperty)等級晶片組等級模組等級P-5/641.1嵌入式系統概念嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和大綱1.1嵌入式系統概念1.2嵌入式處理器1.3ARM微處理器結構1.4ARM微處理器的應用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel4004P-6/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和任何微處理器MPU或微控制器MCU(即常稱的單晶微處理機)都可以作為嵌入式系統的核心。用X86微處理器架構作為嵌入式系統的核心,具有開發方便和移植容易等優點,但是其體積大、功率消耗高和和即時性差等不足也給其帶來應用的局限。P-7/641.2.1嵌入式處理器簡介嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和80386EX則是最早用於SoC型的單晶微處理機型的PC主機,它以80386微處理器為核心,在一個晶片組上整合了PC主機常用的I/O、即時時脈RTC、中斷控制器、DMA控制器、定時/計數器、並行/串列埠以及VGA的LCD液晶顯示器(驅動器)等,。RISC(ReducedInstructionSetComputer)型處理器具有結構簡單、處理速度快和處理功能強等優點,所以新型的嵌入式系統大多數都採用RISC型處理器作為核心。P-8/641.2.1嵌入式處理器簡介嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和目前ARM架構處理器已在高性能、低功率消耗、低成本的嵌入式應用領域佔據領先地位。目前普遍對於各種系統強調需低消耗功率,高執行效率的要求之下,使得ARM微處理器及相關技術的應用幾乎已經深入到各種不同的領域中。其中,主要為以下八大領域:1.2.2ARM架構處理器P-9/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和1、工業控制領域:2、無線通訊領域:3、網路應用:4、消費性電子產品:5、影像和保全產品:6.智慧型手機:7.GPS導航機:8.智慧型機械人:P-10/641.2.2ARM架構處理器嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和這種採用RISC架構的ARM微處理器一般都會具有如下的特點:1.體積小、低消耗功率、低成本與高性能2.支援Thumb(16位元)/ARM(32位元)雙指令集,也能相容8位元/16位元元件3.大量使用暫存器,指令執行速度更快4.大多數資料操作都在暫存器中完成5.定址方式靈活簡單,執行效率高6.指令長度固定P-11/641.2.3ARM微處理器的特點嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和Thumb指令集(T變量)Thumb指令集是ARM指令集的子集。這個T變量對於Ver4之前是無效的。而目前有兩種的Thumb指令集:Thumb版本v1(適用v4的T變量)與Thumb版本V1(適用v5的T變量)長乘法指令(M變量)ARM指令集的M變量包含了4個附加的指令來實現32x32→64的乘法與32x32+64→64乘加運算。這些指令意謂著乘法器是需要相當龐大的運算資源。因此,在一些僅需小程式代碼以及不太需要乘法功能所實現的晶片組中,有時是省略這些指令的。P-12/641.2.3ARM微處理器的特點嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和增強型DSP指令(E變量)為了實現一般的DSP運算法,提供了一些附加的指令來增強ARM處器的功能。這些指令是意義在v5T版本上,因此在之前的版本是無效的,同時,在不具T變量與M變量的結構中,亦是無效的。將個別的功能特性的字串加以連接起來,以表示完成所支援的功能。ARM指令集版本號碼變量符號(除了M變量外),因為在這一系列的結構中,v4及以上的版本都將M變量視為標準的配置,所以不加以列出。若在v3以上的版本中,所描述的變量特性沒有出現的話,則以x字母來排除這項代表這變量的字母。P-13/641.2.3ARM微處理器的特點嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM7微處理器系列具有如下特點:具有嵌入式ICE-RT邏輯,除錯開發非常方便。極低的消耗功率,適合對消耗功率要求較高的應用,如手持式或可攜式型產品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構。程式代碼密度高並相容的16位元Thumb指令集。廣泛地支援各種作業系統,其中,包括了WindowsCE、Linux或是PalmOS等作業系統。P-14/641.2.4ARM7微處理器系列嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM9系列微處理器在高性能和低消耗功率特性方面提供了最佳的性能。其中,具有以下的特點:5級整數管線,指令執行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。支援32位元的高速AMBA匯流排界面。全功能的MMU,可支援WindowsCE、Linux以及PalmOS等多種主流的嵌入式作業系統。MPU支援即時操作系統。支援資料Cache和指令Cache,具有更高的指令和資料處理能力。P-15/641.2.5ARM9微處理器系列嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM9E系列微處理器的主要特點:支援DSP指令集,適合於需要高速數位信號處理的場合。5級整數管線,指令執行效率更高。支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。支援32位元的高速AMBA匯流排界面。支援VFP9浮點處理輔助運算器。全功能的MMU,可支援WindowsCE、Linux以及PalmOS等多種主流嵌入式作業系統。MPU支援即時操作系統。支援資料Cache和指令Cache,具有更高的指令和資料處理能力。主頻最高可達300MIPS。P-16/641.2.6ARM9E微處理器系列嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和大綱1.1嵌入式系統概念1.2嵌入式處理器1.3ARM微處理器結構1.4ARM微處理器的應用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel4004P-17/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和傳統的CISC(ComplexInstructionSetComputer,複雜指令集電腦)結構有其固有的缺點。RISC體系結構也還沒有嚴格的定義,一般認為,RISC體系結構應具有如下特點:採用固定長度的指令格式,指令整齊、簡單、基本定址方式有2~3種。使用單週期指令,便於管線操作執行。大量使用暫存器,資料處理指令只對暫存器進行操作,只有載入/存回(Load/Store)指令可以存取記憶體,以提高指令的執行效率。除此以外,ARM系列結構還採用了一些特別的技術,在保證高性能的前提下,儘量縮小晶片的面積,並降低消耗功率:所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行,從而提高指令的執行效率。可用載入/存回指令大量傳輸資料,以提高資料的傳輸效率。可在一條資料處理指令中,同時完成邏輯處理和移位元處理。在迴圈處理中,使用位址的自動遞增/遞減來提高執行效率。P-18/641.3.1RISC系列結構嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM微處理器共有37個暫存器,被分為若干個記憶體組(BANK),這些暫存器包括:31個通用暫存器,包括程式計數器(PC指標器),均為32位的暫存器。6個狀態暫存器,用以標識CPU的工作狀態及程式的運行狀態,均為32位元,目前只使用了其中的一部分。P-19/641.3.2ARM微處理器的暫存器結構嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM微處理器的在較新的體系結構中支援兩種指令集:ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位元的長度;Thumb指令為16位元長度,為ARM指令集的功能子集。Thumb代碼與相同效能的ARM代碼相比較,可節省30%~40%以上的儲存空間,同時具備32位元代碼的所有優點。P-20/641.3.3ARM微處理器的指令結構嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM系列的微處理器是具備范紐曼(VonNeumann)機器。ARM系列包含了記憶體,邏輯運算單元,程式控制單元,輸入/輸出設備等。ARM系列的CPU可以經由匯流排對某個記憶體區塊來做資料存取的工作,而整個系統的記憶體僅能在同一時間回應一個要求而已。ARM微處理器以單一32-bit的資料匯流排同時攜帶了指令與資料。而僅有載入與存回,以及切換指令能夠從記憶體來存取資料。P-21/641.3.4ARM微處理器的記憶體存取嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和為了讓可攜式的手持設備具有最高的電池使用壽命以及使用時間,就提出了智慧型電能管理器(IntelligentEnergyManager(IEM))功能。而其特性如下所列:IEM動態地控制ARM處理器與其他晶片上元件,使之執行在能量消耗效率最高的水平上,同時保證良好的使用者體驗。IEM增加了電池壽命IEM在傳統的功率消耗控制方法上,增加性能比例控制硬體,可以减少静態和動態功率消耗P-22/641.3.5智慧型電能管理器嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和大綱1.1嵌入式系統概念1.2嵌入式處理器1.3ARM微處理器結構1.4ARM微處理器的應用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel4004P-23/64嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和ARM微處理器核心的選擇從前面所介紹的內容可知,ARM微處理器包含一系列的核心結構,以適應不同的應用領域。系統工作頻率系統工作頻率的規格大幅地決定了ARM微處理器的處理能力。晶片組內的記憶體容量由於大多數的ARM微處理器片內記憶體的容量都不太大,因此需要使用者在設計系統時外部擴充記憶體。晶片內週邊電通道的選擇除ARM微處理器核心以外,幾乎所有的ARM晶片組均可根據各自不同的應用領域,擴展了相關的功能模組,並整合在晶片之中,我們稱之為晶片內週邊電通道。P-24/641.4ARM微處理器的應用類型選擇嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構copyright@許永和問題與討論:何謂嵌入式系統,試解釋之?請讀者列出嵌入式系統的應用領域?試簡述之,ARM、Thumb與Thumb-2的關係。請讀者上網查循哪些手機或是產品採用S3
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