02嵌入式处理器课件

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1、*,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,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,*,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,*,02嵌入式处理器,16、自己选择的路、跪着也要把它走完。,17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。,18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。,19、学习的关键-重复。,20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。,02嵌入式处理器02嵌入式处理器16、自己选

2、择的路、跪着也要把它走完。,17、一般情况下)不想三年以后的事，只想现在的事。现在有成就，以后才能更辉煌。,18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须充满光明。,19、学习的关键-重复。,20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的人只能引为烧身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。第二章嵌入式处理器 本章学习目的及主要内容学习目的：,通过本章学习主要掌握嵌入式系统的硬件（重点是嵌入式处理器子,系统）设计方法，其中结合基于微控制器和微处理器的嵌入式系统设计,例子。,主要内容：,1.嵌入式系统的硬件组成,2.嵌入式处理器的技术指标,3.典型的嵌入式处理器,4.如何选择嵌入式处理器,5.嵌入式处理器子系统的设计方法,2.

3、硬件子系统总体组成,硬件子系统的设计围绕嵌入式处理器进行。嵌入式系统硬件的一般,结构如下图所示。,3.嵌入式处理器子系统,通用微处理器,嵌入式微控制器,嵌入式微处理器,嵌入式微处理器的特点：需要扩展、处理能力较强、支持大容量存,储器寻址、一般适合于高端应用、型号多、通用性强。,DSP,DSP可分为定点DSP和浮点DSP两类。,可编程器件,可编程器件的采用需要考虑的因素：成本、速度、流片。,又称单片机,以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成,ROM/EPROM,、,RAM,、总线、总线逻辑、定时,/,计数器、,WatchDog,、,I/O,、串行口、脉宽调制输出、,A/D,、,D/A,、,Fl

4、ash RAM,、,EEPROM,等各种必要功能和外设,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。,微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。,嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式微处理器(EMPU，Embedded Microprocessor Unit),是由通用计算机中的CPU简化而来的。,只保留了与嵌入式应用密切相关的功能部件。,功耗低、处理器结构可扩展、存储保护、调试功能丰富、支持实时多任务。,MIPS、ARM、Power PC 等,嵌入式DSP处理器(EDSP，Embedded Digital

5、 Signal Processor),对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行DSP算法，编译效率和指令执行速度也相对较高。,在数字滤波、FFT(快速傅里叶变换)和谱分析等方面，DSP算法正在大量被引入嵌入式领域。,DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，,它在,系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行,DSP,算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。,在数字滤波、,FFT,、谱线分析等方面,DSP,算法正在大量进入嵌入式领域，,DSP,应用正从在通用单片机中以普通指令实现,DSP,功能，过渡到采用嵌入式,DSP,处理器上。,现在的DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩

6、大到了,通信,和,计算机,方面。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，还有AD公司及Motorola公司的DSP。,嵌入式DSP处理器,嵌入式片上系统(SoC，System on Chip),它结合了许多功能模块,将整个系统集成在一个芯片上。,各种通用处理器内核作为SoC设计公司的标准库，与许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件。,它用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。,IP（Intellectual Property Core，知识产权核）核的设计是该系统设计的关键。,FPGA处理器,4.嵌入式存储器子系统,在嵌入式

7、系统中使用的存储器可以是内部存储器，也可以是外部存,储器。嵌入式系统的存储器用于存放嵌入式系统的应用软件。,5.附属电路和I/O子系统,a.嵌入式处理器工作时必须有附属电路，如时钟电路、复位电路、调试,电路、监视定时器、译码器电路等。,b.I/O接口电路，完成嵌入式处理器与外部设备之间的交互和数据通信。,包括两大类：输入电路接口和输出电路接口。,6.调试子系统,调试子系统通常指的是JTAG调试接口和BDM调试接口。,2.3 嵌入式处理器的技术指标,功能：主要取决于处理器所集成的存储器的数量和外部设备接口的种,类和数量。,字长：指参与运算的数的基本位数，它决定了寄存器、运算器和数据,总线的位数，

8、因而直接影响硬件的复杂程度。,处理速度：在单位时间内各类指令的平均执行条数。,工作温度,功耗,寻址能力：取决于处理器地址线的数目。,平均故障间隔时间：指在相当长的运行时间内，机器工作时间除以运,行期间内的故障次数。,性能价格比,工艺：半岛体工艺和设计工艺。,电磁兼容性指标：取决于器件的选择、电路的设计、工艺、设备的外,壳等。,2.4 典型的嵌入式处理器介绍,1.Microchip系列嵌入式控制器,Microchip的PIC MCU系列嵌入式微控制器结合了高性能、低价,格、小包装的特点，为工业生产提供了最佳的性能价格比。提供了5类的,8位MPU来更好地满足用户的需要。,2.Philips LPC

9、嵌入式控制器系列,Philips半导体公司近年来推出的51LPC系列OTP（一次编程）嵌入,式微控制器在基本结构、汇编指令等方面与80C51系列兼容，时钟频率,可高达20 MHz。,3.Freescale 微控制器MC68HC08系列,MC68HC08系列有很多型号，主要特点有：采用模块化设计、含片,内监控ROM、具有特色的FLASH取代片内EPROM和ROM、具有锁相环,电路。,4.MCS-51系列嵌入式控制器/处理器,MCS-51系列微控制器、微处理器是由Intel公司首先开发的嵌入式,微处理器/微控制器。,5.Atmel公司的AVR系列微控制器,Atmel公司产品的主要特点：以EEPRO

10、M电可擦除及Flash技术为主,导、多种封装形式和高质量、多种应用环境。,6.80C186系列16位嵌入式处理器,80C186标准化内核不仅可以兼容16位微处理器家族。8088/8086的,目标代码，还相应地提高了硬件和软件方面的性能。,7.MC68HC12系列处理器,MC68HC12是Freescale公司开发的16位、兼容MC68HC11工业标,准的嵌入式处理器，在工业上得到了广泛的应用。,8.PowerPC系列32位嵌入式处理器,PowerPC由Freescale,公司,设计，用来满足从台式计算机CPU到高,性能处理器、高集成度嵌入式MPU处理器的不同需要。,9.ColdFire系列32

11、位嵌入式处理器,ColdFire处理器属于MC68000微处理器家族，ColdFire内核具有,100的通用性，所以它们可以方便地被移植到新的用户设计中。,10.ARM系列,ARM（Advanced RISC Machines）介绍,ARM处理器的特点：小体积、低功耗、低成本、高性能；16位/32,位双指令集；全球众多的合作伙伴。,当前ARM体系结构有Thumb、DSP、Jazeller的扩展。,10.ARM系列（continued）,ARM处理器系列,ARM处理器有5个产品系列：,ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10,ARM10和SecurCore。ARM7、,ARM9、ARM9E和A

12、RM10是4个通用,处理器系列，每个系列提供一套特定,的性能来满足设计者对功耗、性能和,体积的需求。,带ARM内核嵌入式处理器芯片,a.ARM公司有着诸多合作伙伴,b.Atmel公司生产带ARM内核的芯片,AT91方框图如右图所示。,c.Cirrus Logic公司生产的带ARM内核的芯片,Cirrus Logic公司生产的带ARM内核芯片的主要应用领域为：手持,计算、个人数字音频播放器和Internet电气设备。,d.Intel公司生产的带ARM内核的芯片,Intel公司和Digital Equipment公司合作开发了StrongARM系列处理,器，现产权为Intel公司所有，另外，Int

13、el公司还开发了XScale处理器。,e.Samsung公司生产的带ARM内核的芯片,在Samsung公司生产的带ARM内核的芯片系列中，产品型号较多，,其中包括PDA、网络及Flash产品系列。,2.5 如何选择嵌入式处理器,选择处理器可分为两个步骤：,选择哪一类处理器，在通用处理器、嵌入式微控制器、嵌入式处理器、DSP、可编程器件之间做出选择。,选择哪个厂家的产品。,1.选择处理器的原则,够用原则,a.低端简单应用,b.中端的复杂应用,c.涉及数字信号处理和数学计算的应用,成本原则,a.电路的成本,b.印制电路板的成本,2.选择嵌入式处理器的具体方法,2.6 嵌入式处理器子系统的设计方法,

14、1.设计原则,复用原则,设计人员在设计嵌入式应用系统时，应尽量使当前的设计工作成果,可用于未来的设计中，一方面可以缩短设计的时间，另一方面也可以减,少设计中出现错误的可能性。,模块化原则,所谓模块化原则，体现在嵌入式系统的硬件设计上自顶向下的设计,思想。把整个硬件系统分成各个子系统，分别进行设计，在设计的每个,阶段优化每个子模块的设计方案，一方面便于检查设计的缺陷，另一方,面也为设计工作的复用打下基础。,标准化原则,这里所谓的标准化，包括两个方面的含义：行业标准和自定义标,准。,2.基于微控制器的设计,典型设计的微控制器子系统电路。,最小系统的设计,微控制器本身的支持电路。,I/O部件的分别设

15、计,I/O部件完成微控制器与外部设备的接口，在设计微控制器子系统,时，在微控制器的I/O引脚上定义需要连接的外部设备的网络标号即可。,外部设备接口电路的设计可以分类进行，分类可以按照多种方法进,行。例如，可以根据电路输入/输出的性质分为输入电路、输出电路，也,可以根据外部电路实现的功能进行划分。,3.基于微处理器的最小系统设计,设计处理器子系统,设计微处理器子系统时需要设计处理器的地址总线、数据总线和控,制总线。,设计总线,总线主要传递以下4种信号：数据总线信号、地址总线信号、控制信,号、辅助信号。,设计I/O子系统,对于嵌入式系统而言，I/O子系统与处理器子系统之间的连接大多不,使用系统总线

16、，而是直接连接在处理器的引脚上。,微处理器相关知识,冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构,CISC与RISC,指令流水线,存储器系统,冯诺依曼体系结构模型,哈佛体系结构,CISC,和,RISC,CISC：复杂指令集,（Complex Instruction Set Computer）,具有大量的指令和寻址方式,大多数程序只使用少量的指令就能够运行,RISC：精简指令集,（Reduced Instruction Set Computer),8/2原则：80%的程序只使用20%的指令,在通道中只包含最有用的指令,确保数据通道快速执行每一条指令,使CPU硬件结构设计变得更为简单,指令的执行周期,1）取指令（Instruction Fetch)：IFt,2）指令译码（Instruction Decode）：IDt,3）执行指令（Instruction Execute）：IEt,4）存储（Storage）：St,每条指令的执行周期：T=IFt+IDt+IEt+St,指令流水线技术,RISC,流水线技术：,几个指令可以并行执行,提高了CPU的运行效率,内部信息流要求通畅流动,本章小结,1.嵌入式系统的硬