2-嵌入式硬件系统基础

嵌入式硬件系统基本组成嵌入式微处理器嵌入式系统总线嵌入式存储系统是以嵌入式处理器为中心，由存储器、I/O设备、通信模块及电源等必要的辅助接口组成。◦嵌入式微处理器◦总线◦存储器◦I/O接口和设备◦电源嵌入式系统的硬件架构每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器嵌入式微处理器体系结构可分为：◦冯•诺依曼（VonNeumann）结构◦哈佛（Harvard）结构地址数据主存储器MOVr8,#8CPUPC指令CPUPC地址数据存储器MOVr8,#8地址数据程序存储器冯•诺依曼结构哈佛结构◦传统的微处理器采用的冯·诺依曼结构将指令和数据存放在同一存储空间，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。◦哈佛结构则是一种并行体系结构，程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据的吞吐率提高了一倍。嵌入式微处理器的指令系统分为：RISC（ReducedInstructionSetComputer）CISC（ComplexInstructionSetComputer）嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器的品种总量已过千种，有几十种嵌入式微处理器体系，主流体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、X86等。嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中。从MPU角度看，总线可分为片外总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（如：AMBA、AVALON、OCP、WISHBONE等）。选择总线和选择EMPU密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。嵌入式系统的存储器包括主存和外存。多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电后在主存中的代码直接运行。主存速度快，一般用ROM、EPROM、NorFlash、SRAM、DRAM等存储器件。目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言价格低、容量大的特点。在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有◦NandFlash◦SD（SecureDigital）卡◦CompactFlash、MemoryStick◦SmartMedia、MultiMediaCard、◦DOC（DiskOnChip）等。嵌入式系统的多数I/O接口和部分设备集成在EMPU中。I/O接口主要有：◦中断控制器、DMA、串行和并行接口等，I/O设备主要有：◦定时器（Timers）、计数器（counters）◦看门狗（watchdogtimers）◦RTC、UARTs◦PWM（Pulsewidthmodulator）、AD/DA◦显示器、键盘和网络等。嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的特点主流的嵌入式微处理器——(ARM,MIPS,SH,PowerPC,x86)20’80年代中后期20’90年代初期20’90年代中后期21’初制作工艺1~0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主频33MHz100MHz200MHz600MHz晶体管数500K2M5M22M位数8/16b8/16/32b8/16/32b8/16/32/64b嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8位、16位、32位和64位。按用途来分，EMPU可分为嵌入式DSP和通用的嵌入式微处理器两种：◦嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛结构，程序和数据分开存储，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。◦通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。基础是通用微处理器与通用微处理器相比的区别：‾体积小、重量轻、低成本、高可靠‾功耗低‾工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面增强体系结构指令集性能功耗和管理成本集成度用于桌面和服务器的MPU芯片内通常只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部分，其他附加功能如外部接口、系统总线、外部总线和外设独立在其他芯片和电路内。EMPU除了集成CPU核心、Cache、MMU、总线等外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、DMA、定时器、UART等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求，一块单一的集成了多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。EMPU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。最普通情况下，EMPU包括：◦片内存储器：部分嵌入式微处理器◦外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口)◦LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器◦中断控制器，DMA控制器，协处理器◦定时器，A/D、D/A转换器◦多媒体加速器：当高级图形功能需要时◦总线◦其他标准接口或外设单芯片方式（SingleChip）芯片组方式（ChipSet）：由微处理器主芯片和一些从芯片组成单芯片方式：华邦W90P710芯片的内部结构ARM7TDMIClockSynthesizerCacheController4KBI-Cache4KBD-CacheWrapperPowerManagementUnitExternalBusInterfaceEthernetMACControllerUSB1.1HostControllerUSB1.1DeviceControllerLCDControllerClockSynthesizer2-ChannelGDMAAHBArbiterAHBDecoderAPBBridgeRealTimeClock2Timers2SmartCardControllers(ISO-7816-3)AdvancedInterruptControllerWatch-DogTimerI2C(x2)/SPISDIOHostControllerUART(x4)withIrDA/Bluetooth2-channelAC97/I2S4-ChannelPWM71GPIOsPLLPHYPHYPLLJTAGICE*15MHz*Host/DevicePHYRMIIBus*32768HzTDMIBusAPBBusAHBBusPS2KeyboardHostInterfacer芯片组方式：两芯片组的手持PC方案算术格式（ArithmeticFormat）◦由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定点运算（fixed-pointarithmetic），即数值被表示为整数或在－1.0和＋1.0间的分数，比数值表示为尾数和指数的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，只不过这样要占用更多的处理器时间。功能单元（FunctionalUnits）◦通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。流水线（Pipeline）◦通常采用单周期执行指令，可能导致较长的流水线为满足应用领域的需要，EMPU的指令集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。目前很多应用系统需DSP处理功能。这些指令有：◦乘加(MAC)操作：在一个周期中执行了一次乘法和一次加法运算。◦SIMD类操作：用一条指令进行多个并行数据流的计算。◦零开销的循环指令：用硬件方式减少循环的开销。仅用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并提供循环次数，另一条是循环体。◦多媒体加速指令：像素处理、多边形、3D操作等指令。低端（低价，低性能）◦一般低端EMPU的性能最多达到50MIPS，用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的系统中。中档，低功耗◦中档的EMPU可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加时钟频率、加深流水深度、增加Cache及额外功能块来提高性能，并保持低功耗。高端高端EMPU用于高强度计算的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度◦单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。◦每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(verylargeinstructionword)来实现，这样只需较少的硬件，总价会更低些。例如TI的TMS320C6201芯片，通过使用VLIW方法，能在每个周期同时执行8条独立的32位指令。◦使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要求。一些EMPU采用特殊的硬件支持多处理器。如TI的OMAP730包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池供电的系统），不支持用风扇和其他冷却设备。◦降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，这个数值还一直在下降。◦提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的时钟分频。◦关闭暂时不用的功能块：如果某功能块在一个周期内不用，就可以被完全关闭，以节能◦提供功耗管理机制运行模式（RunningMode）：CPU全速运行状态下。待命模式（StandbyMode）：CPU不执行指令，所有存储的信息是可用的，CPU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，要退出这个模式需重启系统。◦影响功耗的其他因素还有总线（特别是总线转换器，可用特殊技术使其功耗最小）和存储器的大小（如果使用DRAM，则需不断刷新）。为使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。为降低成本，需在EMPU设计中考虑不同的折衷方案。处理器价格影响因素:处理器中功能块的数目、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。BGA封装的芯片代码密度（codedensity）：代码存储器的大小将影响价格，不同种类的处理器有不同的代码密度：CISC芯片代码密度高，但结构复杂，其额外的控制逻辑单元使价格变得很高；RISC芯片结构简单，代码密度低，其指令集简单；VLIW代码密度最低，其指令字倾向于采用多字节。目前主流的EMPU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，超过千种。01002003004005001997199819992000ARMMIPSHitachiSHPowerPCUnits(millions)Source:AndrewAllison,InsideTheNewComputerIndustry,January2001EmbeddedRISCProcessorShipments02,0004,0006,0008,00010,00012,00014,00016,000MillionsofUnits2000200120022003200420052006200720082009MPUMCU(excl.DSP)CoresSource:SemicoResearchCorp.andSIA/WSTS02,0004,0006,0008,00010,00012,000MillionsofUnits200020012002200320042005200620072008200932-Bit+16-Bit8-Bit4-BitTotalMCU,bySub-Category(excl.DSP)TotalEmbeddedControlMarketShipmentsbyType总共约26亿个32位处理器付运，占总数96亿的27%2005年ARM为17亿个，约占32位总量