嵌入式处理器介绍.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,嵌入式系统设计,*,第四章 嵌入式处理器介绍,授课教师：李英祥,电邮地址：,drliyingxiang,2025/1/13 周一,1,可编辑,2,内容提纲,1.,重要概念,2.,嵌入式处理器的分类,3.,典型嵌入式处理器,4.32,位嵌入式处理器的发展趋势,2025/1/13 周一,可编辑,3,1.,重要概念,冯,.,诺依曼结构,哈佛结构,流水线技术,CISC,和,RISC,2025/1/13 周一,可编辑,4,冯,.,诺依曼结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的处理器结构；因此程序指令和数据的宽度相同；,如：,Intel 8086,、,ARM7,、,MIPS,处理器等,2025/1/13 周一,可编辑,5,哈佛结构,是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的处理器结构，指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；,如摩托罗拉公司的,MC68,系列、,Zilog,公司的,Z8,系列、,ARM10,系列等。,2025/1/13 周一,可编辑,6,流水线技术,是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术；,程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤，从而可加快程序的运行速度；,2025/1/13 周一,可编辑,7,几个指令可以并行执行,提高了,CPU,的运行效率,2025/1/13 周一,可编辑,8,采用多条流水线结构,2025/1/13 周一,可编辑,9,CISC,和,RISC,嵌入式微处理器可以分为两类：,CISC,和,RISC,；,CISC,（,Complex Instruction Set Computer,）：复杂指令系统计算机；,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,）：精简指令系统计算机；,2025/1/13 周一,可编辑,10,CISC,RISC,价格,硬件复杂，芯片成本高,硬件较简单，芯片成本低,性能,减少代码尺寸，增加指令的执行周期数,使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸,指令集,大量的混杂型指令集，有专用指令完成特殊功能,简单的单周期指令，不常用的功能由组合指令完成,应用范围,通用机,专用机,功耗与面积,含有丰富的电路单元，功能强、面积大、功耗大,处理器结构简单，面积小，功耗小,设计周期,长,短,2025/1/13 周一,可编辑,11,2.,嵌入式处理器的分类,嵌入式微处理器（,MPU),嵌入式微控制器（,MCU),嵌入式,DSP,处理器（,DSP),嵌入式片上系统（,SoC),2025/1/13 周一,可编辑,12,嵌入式微处理器,MPU,装配在专用电路板上，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除冗余功能，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求；,在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机的,CPU,都作了各种增强；,目前主要有,ARM,、,MIPS,、,POWER PC,、,68K,等系列；,2025/1/13 周一,可编辑,13,嵌入式微控制器,MCU,将整个计算机系统集成到一块芯片中，如单片机；,一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了,ROM,、,FLASH,、,RAM,、定时器、,I/O,、,A/D,、,D/A,等各种必要的功能和外设；,优点：大大减小了体积、降低了功耗和成本、提高了可靠性；,主要有：,8051,、,P51XA,、,MCS-96/196/296,、,C166/167,、,MC68300,等；,复位,部件,看门狗,部件,晶振,部件,I/O,部件,中断,部件,ROM,部件,SRAM,部件,定时器,部件,CPU,核,2025/1/13 周一,可编辑,14,嵌入式,DSP,处理器,对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构硬件上采用了,Harvard,（哈佛）结构和专用的硬件乘法器；,指令为快速,DSP,指令（属,RISC,精简指令集）使其适合于对处理器运算速度要求较高的应用领域；,代表产品：,Texas Instruments,公司的,TMS320,系列、,Motorola,的,DSP56000,系列,2025/1/13 周一,可编辑,15,片上系统,SOC,SOC:,在一个硅片上包含一个或者多个处理器、存储器、模拟电路模块、数,/,模混合信号模块以及片上可编程逻辑,;,嵌入式片上系统可以分为通用和专用两类,:,通用系列包括,Siemens,公司的,TriCore Motorola,公司的,M-Core,某些,ARM,系列器件等,;,专用,SoC,一般专门用于某个或者某类系统中，一般不为用户所知，如,PHILIPS,公司的,Smart XA;,2025/1/13 周一,可编辑,16,3.,典型嵌入式处理器,概述,51,单片机系列,MPC/PPC,系列,ARM,处理器系列,ARM,处理器兼容系列,2025/1/13 周一,可编辑,17,概述,目前主流的嵌入式处理器系列主要有,51,系列、,MIPS,系列、,PowerPC,系列、,Super H,系列和,ARM,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；,2025/1/13 周一,可编辑,18,Embedded RISC Processor Shipments,2025/1/13 周一,可编辑,19,51,单片机系列,为经典的,8,位嵌入式微控制器；,特点：成本低、可靠性高；,缺点：功能、性能也较简单；,2025/1/13 周一,可编辑,20,MPC/PPC,系列,Motorola,推出的,MPC,系列，如,MPC8XX,；,IBM,推出,PPC,系列，如,PPC4XX,；,如：,IBM PowerPC,集成,10/100Mbps,以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设；,主要应用在通信及消费电子领域；,2025/1/13 周一,可编辑,21,ARM,处理器,ARM,公司,ARM,处理器版本,ARM,处理器特点,ARM7,内核简介,ARM9,系列微处理器,SecurCore,内核系列,StrongARM,与,Xscale,2025/1/13 周一,可编辑,22,ARM,公司简介,ARM,（,Advanced RISC Machine,）公司是一家专门从事芯片,IP,设计与授权业务的英国公司，其产品有,ARM,内核以及各类外围接口；,公司的特点是只设计芯片，而不生产，它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和,OEM,厂商，并提供服务；,ARM,内核是一种,32,位,RISC,微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色；,2025/1/13 周一,2025/1/13 周一,23,可编辑,24,Intel,、,Samsung,、,TI,、,Motorola,、,ST,等的芯片厂商都是,ARM,的授权用户；,ARM,已成为业界公认的嵌入式微处理器标准；,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的,ARM,芯片,.,2025/1/13 周一,可编辑,25,经过近,20,年的发展，,ARM,体系结构发展日趋成熟，功能越来越强，应用领域越来越广泛；,从最初到现在，已经有六个主要的版本：,ARMv1,ARMv2,ARMv3,ARMv4,ARMv5,，,ARMv6,；,ARMv1,系列的,CPU,主要还是作为研究之用，后面几种都得到了较为广泛的应用；,特别是,ARMv4,系列的,CPU,目前仍然是,ARM,芯片的主要开发版本；,ARM,处理器版本,2025/1/13 周一,可编辑,26,2025/1/13 周一,可编辑,27,ARM,处理器特点,寄存器：具有更多的通用寄存器；,流水线：将指令处理过程分为多步，提高效率；,低功耗：对于电池供电的设备，功耗无疑是重点；,高代码密度：小的代码量可以减小存储成本；,小面积：芯片内可以集成更多的外设，使系统硬件更紧凑简洁；,价格低：降低开发难度和成本；,2025/1/13 周一,可编辑,28,ARM7,内核简介,该系列包括：,ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、,带有高速缓存处理器宏单元的,ARM720T,、扩充了,Jazelle,的,ARM7EJ-S,；,ARM7,系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括,Internet,设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、,PDA,等无线设备；,2025/1/13 周一,可编辑,29,ARM7TDMI,简介,ARM7TDMI,基于,ARM,体系结构,V4,版本，支持32位寻址范围；,ARM7TDMI,的后缀意义为：,支持高密度16位的,Thumb,指令集；,支持片上调试；,支持64位乘法；,支持,EmbededICE,观察硬件；,ARM7TDMI,的可综合（,synthesizable）,版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与,ARM7TDMI,一致；,ARM7,T D M I-S,2025/1/13 周一,可编辑,30,ARM7TDMI,的模块和内核框图,2025/1/13 周一,可编辑,31,ARM7TDMI,的模块和内核框图,2025/1/13 周一,可编辑,32,ARM7TDMI,的模块和内核框图,2025/1/13 周一,可编辑,33,ARM9,系列微处理器,ARM9,系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特点：,5,级整数流水线，指令执行效率更高；,提供,1.1MIPS/MHZ,的哈佛结构，支持数据,Cache,和指令,Cache,具有更高的的指令和数据处理能力；,全性能的,MMU,支持,Windows CE,、,Linux,、,Palm Os,等多种主流嵌入式操作系统；,应用领域：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒等,2025/1/13 周一,可编辑,34,三星,S3C2410A,为,Samsung,公司推出的采用,ARM920T,内核，,0.18um,标准,CMOS,工艺的,16/32,位,RISC,处理器，提供了内部设备：,分开的,16KB,的指令,Cache,，,MMU,虚拟存储管理；,LCD,控制器、系统管理器、,3,通道,UART,；,4,通道,DMA,、,4,通道,PWM,定时器、,I/O,端口；,RTC,、,8,通道,10,位,ADC,和触摸屏接口；,IIC-BUS,接口、,USB,主机、,USB,设备；,SD,主卡,&MMC,卡接口；,2,通道的,SPI,以及内部,PLL,时钟倍频器；,2025/1/13 周一,可编辑,35,2025/1/13 周一,可编辑,36,SecurCore,内核系列,SecurCore,系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的,32,位,RISC,技术的安全解决方案；,具有,ARM,体系结构的低功耗、高性能的特点；,还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持；,2025/1/13 周一,可编辑,37,SecurCore,的特点,采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；,可集成用户自己的安全特性和其他协处理器；,主要应用于对安全性要求较高的应用产品及系统，如电子商务、电子政务、电子银行、认证系统等领域；,SecurCore,系列包含,SecurCore SC100,、,Secur Core SC110,、,SecurCore SC200,和,SecurCore SC210,四种类型，以适用于不同的应用场合；,2025/1/13 周一,可编辑,38,StrongARM,微处理器系列,Inter StrongARM SA-1100,处理器是采用,ARM,体系结构高度集成的,32,位,RISC,微处理器；,它融合了,Inter,公司的设计和处理技术以及,ARM,体系结构的电源效率，采用在软件上兼容,ARMv4,体系结构、同时采用具有,Intel,技术优点的体系结构；,已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品；,2025/1/13 周一,可编辑,39,Xscale,处理器,Scale,处理器是基于,ARMv5TE,体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器；,它支持,16,位的,Thumb,指令和,DSP,指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。,Xscale,处理器是,Intel,目前主要推广的一款,ARM,微处理器,;,2025/1/13 周一,可编辑,40,PXA255,处理器结构框图,(,Xscale),2025/1/13 周一,可编辑,41,4.,32位嵌入式处理器的发展趋势,高度集成化的,SoC,趋势,软核与硬核同步发展的,SOPC,（可编程片上系统）技术,与,DSP,技术融合,开发核调试手段不断完善,2025/1/13 周一,可编辑,42,本章内容小结,本章阐述了嵌入式处理器的基本特征；,介绍了嵌入式处理器的类型及典型嵌入式处理器的特性；,特别是对,ARM,处理器及,ARM,兼容处理器作了介绍；,指出了嵌入式处理器的发展趋势。,2025/1/13 周一,可编辑,43,本章内容小结,2025/1/13 周一,2025/1/13 周一,44,