部分嵌入式硬件系统.ppt

第二部分 嵌入式硬件系统,第2章 嵌入式处理器 第3章 ARM内核与ARM处理器 第4章 嵌入式系统的外围设备,第2章 嵌入式处理器,2.1 嵌入式处理器的基本特征 2.2 嵌入式处理器的种类2.3 典型嵌入式处理器 2.4 嵌入式处理器的选型方法2.5 嵌入式处理器的发展趋势2.6 本章小结习题,相对通用处理器，嵌入式处理器有5个特点 体积小、集成度高、价格较低 这一特性与嵌入式系统的有限空间约束和较低的成本价格需求相适应 可扩展的处理器结构 能迅速开发出满足各种应用的最高性能嵌入式系统 功耗很低 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统时，要求嵌入式处理器的功耗只有mW甚至W级,2.1 嵌入式处理器基本特征,2.1 嵌入式处理器基本特征,对实时多任务有很强的支持能力 能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度 具有功能很强的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为避免在软件模块之间出现错误后的交叉影响，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。,2.2 嵌入式处理器的种类,对全球嵌入式处理器的不完全统计：品种数量超过1000多种流行的体系结构达30余种,2.2 嵌入式处理器的种类,总体而言，嵌入式处理器分为四大类型：,图2-1 嵌入式处理器种类,2.2 嵌入式处理器的种类,1.嵌入式微处理器(Micro-Processor Unit，MPU)由通用计算机中的CPU演变而来 MPU与通用计算机中的CPU不同之处 在嵌入式应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机中的CPU都做了各种增强。,2.2 嵌入式处理器的种类,2.嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，又称为单片机 MCU特点 单片化 一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了ROM/EPROM/FLASH、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必要的功能和外设。由于单片机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。该特点大大减小了体积，降低了功耗和成本，提高了可靠性，因而成为目前嵌入式系统的主流，占据了嵌入式系统大约70%的市场份额。,2.2 嵌入式处理器的种类,每种具有多种衍生产品 每种衍生产品的处理器内核一样，不同的是存储器和外设的配置及封装 使嵌入式微控制器最大限度地与不同的应用需求相匹配，功能齐全又不浪费，减少了功耗及成本,2.2 嵌入式处理器的种类,MCU种类 通用系列 代表性的包括 8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、MC68300等。半通用系列例如，支持USB接口、I2C、CAN等众多专用MCU 和兼容系列。,2.2 嵌入式处理器的种类,其它 提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将 Am186CC/CW 等嵌入式处理器称之为 Microcontroller Motorola 公司把以 PowerPC为基础的 PPC505 和 PPC555 亦列入单片机行列 TI 公司亦将其 TMS320C2XXX 系列DSP作为 MCU 进行推广,2.2 嵌入式处理器的种类,3.嵌入式 DSP 处理器(Digital Signal Procssor，DSP)DSP特点 系统结构 采用Harvard（哈佛）结构和专用的硬件乘法器 指令系统快速DSP指令（属RISC精简指令集）适合于对处理器运算速度要求较高、向量运算较多的应用领域。,2.2 嵌入式处理器的种类,DSP典型应用 数字信号处理领域 数字滤波、快速傅立叶变换、频谱分析等方面 多媒体信号处理移动电话、语音识别 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等多媒体播放系统 智能化嵌入式系统生物特征识别的终端带有加密解密算法的键盘等,2.2 嵌入式处理器的种类,DSP种类 一种是DSP处理器经过单片化、适当改造、增加片上外设而成。例如：TI的TMS320，它包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列、以及性能更高的C6000和C8000 系列 另一种是在通用单片机或 SOC(System On Chip)中增加DSP协处理器。例如：Intel 的 MCS-296 和 Siemens的TriCore。,2.2 嵌入式处理器的种类,4.嵌入式片上系统 随着电子数据交换(EDI)的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已经来临，这就是 System On Chip(SOC),2.2 嵌入式处理器的种类,SOC设计制造 各种通用处理器内核（包括IP核）将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中 用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品,2.2 嵌入式处理器的种类,SOC优点 系统级集成、体积减小一个或多个微处理器核（如RISC+DSP）输入/输出USB/IEEE 1394/以太网/GSM/GPRS等通信接口。功耗降低 通过改变内部工作电压。可靠性提高利用内嵌电路，避免外部电路板在信号传 递时产生的系统噪声。,2.2 嵌入式处理器的种类,SOC种类 通用系列 包括 Siemens的TriCore、Motorola 的M-Core、某些 ARM 系列器件、Echelon和Motorola 联合研制的Neuron芯片等。专用系列代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在同一块硅片上，形成一个可加载 Java 或C语言专用 SOC，可用于公众互如Internet安全方面。,2.2 嵌入式处理器的种类,多核系列 例：TI的OMAP 组成（见下图）TI的DSPARM的ARM RISC两个核二维图形加速器外围控制电路 应用领域 多媒体影音数据处理、语音识别系统、无限通讯、电子商务等,2.2 嵌入式处理器的种类,多核系列 例：TI的OMAP,图2-2 TI的OMAP硬件结构图,2.3 典型嵌入式处理器,8051单片机 ARM 68K/Coldfire PowerPC MIPS X86 国产嵌入式处理器,2.3 典型嵌入式处理器,18051单片机 经典的8位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但功能、性能和片上资源相对16位/32位/64位嵌入式微控制器也较简单。最早由Intel公司推出，其后多家公司购买了8051的内核，使得以8051为内核的MCU系列单片机在世界上产量最大、应用也最广泛（20个生产厂家，350个衍生产品）。常见型号包括：Intel的MCS-51系列、Atmel 的89C51/52、89C1051/2051。,2.3 典型嵌入式处理器,2ARM ASIC与IPASIC:专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit）IP:知识产权(Intellectual Property）或称为SIP（硅/半导体知识产权)指芯片电 路的制作方式或电路图等方面的知识产权。厂商向拥有技术的IP Provider直接购买IP 以缩短Time-to-Market。,2.3 典型嵌入式处理器,ARM（Advanced RISC Machines）公司 英国公司 90年代初，ARM率先推出32位RISC微处理器芯片系统SoC知识产权公开授权概念。ARM通过出售芯片技术授权而非生产或销售芯片，建立起新型的微处理器设计生产和销售商业模式。IP Provider：出售ARM RISC构架的微处理器核心、外围和系统芯片设计技术。,2.3 典型嵌入式处理器,ARM内核及ARM处理器的特点 小体积、低功耗、高性能而低成本RISC(Reduced Instruction Set Computer)体系结构目前：ARM7￥70，ARM9￥100 16/32位双指令集16位Thumb指令集：密度高，所占存储空间较小 32位的ARM指令集：处理32位数据时性能较高 全球众多的合作伙伴（见下图）,2.3 典型嵌入式处理器,图2-3 ARM全球合作伙伴,2.3 典型嵌入式处理器,ARM产品系列包括ARM7、ARM9、ARM10和SecurCore、StrongARM、XScale等 ARM7：低功耗的32位核，适用于对价位和功耗敏感的产品。ARM9：集成度较高，集成了TFT LCD控制器、USB Host以及各种存储卡接口，其功能已相当于嵌入式微控制器。SecurCore：是专为安全需要而设计 XScale：Intel目前主要推广的一款ARM微处理器系统，提供较强的多媒体功能和网络通讯功能。,2.3 典型嵌入式处理器,ARM应用领域已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的RISC标准。例：PDA:Compaq的iPAQ H3630、HP的Jornada 720、联想的天玑5100均采用Intel的StrongARM SA-1110（206MHz）移动通信：HP iPAQ hw6515 GPS 全智能手机采用Intel的PXA270处理器（312MHz）,2.3 典型嵌入式处理器,368K/Coldfire Motorola 68000(68K)比INTEL的8088还要早。Coldfire是68K的低成本替代产品 68K/Coldfire主要应用于对实时性和可靠性要求较高的工业控制领域,2.3 典型嵌入式处理器,4PowerPC PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活 品种多，通用处理器&嵌入式控制器和内核 例如 IBM公司的PowerPC 405 GP是一个集成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的高性能嵌入式处理器 Motorola MPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC）设备。,2.3 典型嵌入式处理器,PowerPC应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。,2.3 典型嵌入式处理器,5MIPS MIPS公司Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages技术公司，是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商，在RISC处理器方面占有重要地位。MIPS公司设计RISC处理器始于80年代初，后来MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统，1999年MIPS公司发布MIPS 32和MIPS 64架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础。,2.3 典型嵌入式处理器,MIPS特点 属于高性能、高处理能力的高端嵌入式处理器。目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵。,2.3 典型嵌入式处理器,6X86 众所周知的微处理器，起源于Intel架构的8080。常见的X86系列有386EX和486DX，板级形式如PC104。特点：CPU处理能力很强，适用于高端应用领域。,2.3 典型嵌入式处理器,7国产嵌入式处理器 方舟：(ARCA)2001年7月，中芯微系统公司研制出“方舟一号”主要应用于网络计算机、宽带智能终端、交换机等，如神州数码、联想、美国慧智公司等的网络计算机。与国外其它指令集不兼容，不支持高级的OS。龙芯：(GODSON，小名狗剩)2002年9月28号，中科院计算所研制。与MIPS有些渊源。,通知,周五停课结课时间顺延到12周的周五。,2.4 嵌入式处理器的选型方法,主要包括以下4项选型原则：(1)根据具体应用领域选择MPU/MCU/DSP/SoC中的一种。例如：在高端数据处理应用领域，常选用嵌入式微处理器。在实时控制领域，多选用嵌入式微控制器。在数字图像处理、多媒体信息设备等领域，往往选用嵌入式DSP处理器或带有DSP内核的嵌入式片上系统。,2.4 嵌入式处理器的选型方法,(2)根据具体应用功能需求、性能指标、运行环境和成本预算等查找厂商提供的该类嵌入式处理器芯片的Datasheet等资料，选择芯片的具体型号和配置参数。,2.4 嵌入式处理器的选型方法,(3)关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评估板。ICE等调试工具有助于很大程度缩短调试周期、降低调试难度。评估板用于验证自己的选型决策是否正确。(4)对于32位及以上嵌入式处理器，关注是否有合适的嵌入式操作系统支持。,2.5 嵌入式处理器的发展趋势,(1)集成化与微型化 体现在片上资源及功能的集成化、体积的微型化 例如:嵌入式微处理器 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式片上系统,2.5 嵌入式处理器的发展趋势,(2)高性能与低成本 高性能 嵌入式处理器主频将越来越高 加强对多媒体方面的支持 多核体系结构的发展 另一方面成本将越来越低。,2.5 嵌入式处理器的发展趋势,(3)低功耗 低功耗的发展趋势将与移动通信设备、手持设备、多媒体数字消费产品等嵌入式系统日益增长的市场需求相适应 例如：低工作电压（5V 3.3V）动态调整电压与频率,2.5 嵌入式处理器的发展趋势,(4)硬件功能实现的可编程化 例如：采用FPGA实现嵌入式处理器的某些功能，其优点包括 应用领域广泛 调试修改方便 实现成本低,2.6 本章小结,嵌入式处理器：嵌入式硬件系统核心部件 基本特征 种类与典型系列 选型方法 发展趋势,习题,1.嵌入式处理器通常划分为哪四大类型？列举出每种类型的典型嵌入式处理器的型号系列名称。2.自己使用的手机通讯工具中使用的是何种类型型号的嵌入式处理器？3.如何进行嵌入式处理器的选型？,ARMAdvanced RISC Machines,IP（Intellectual Property）知识产权。硅知识产权核是用于ASIC、ASSP、PLD等当中，并且是预先设计好的电路功能模块。IP核分为软核、硬核和固核 Fabless(无生产线）RISC Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机ARM：RISC处理器IP核Fabless,ARM微处理器的特点,体积小、低功耗、低成本、高性能支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集大量使用寄存器，指令执行速度更快大多数数据操作都在寄存器中完成寻址方式灵活简单，执行效率高指令长度固定,ARM微处理器系列,ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreIntel的StrongARM、Xscale目前仍在不断发展,ARM7系列微处理器(1),特点：低功耗嵌入式ICERT逻辑0.9MIPS/MHz的3级流水线结构32位ARM指令集和16位的Thumb指令集主频最高可达130MHz,ICE：In Circuit Emulation，在电路仿真MIPS：Million Instruction Per Second每秒百万条指令,ARM7系列微处理器(2),类型：ARM7TDMIARM7TDMI-SARM720TARM7EJ,TDMI的基本含义为：T：支持16位压缩指令集ThumbD：支持片上DebugM：内嵌硬件乘法器（Multiplier）I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点,ARM7系列微处理器(3),典型芯片：ATMEL:AT91M40800/55800ASamsung:S3C44B0/4510BST:STR710 x,ARM9系列微处理器(1),特点：1.1MIPS/MHz的哈佛结构，5级流水线32位ARM指令集和16位Thumb指令集支持32位的高速AMBA总线接口全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力MMU：Memory Management Unit,ARM9系列微处理器（2）,类型：ARM920TARM922TARM940T,ARM9系列微处理器（3）,典型芯片：ATMEL:AT91RM9200（ARM920T）Samsung：S3C2410（ARM920T）TI:OMAP5910（ARM925+C55x）DaVinci（ARM926EJ-S+C64x）,ARM9E系列微处理器,ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度。ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合。ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。ARM9E系列微处理器包含ARM926EJ-S、ARM946E-S和ARM966E-S三种类型，以适用于不同的应用场合。,ARM9E系列微处理器,ARM9E系列微处理器的主要特点如下：支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。5级流水线，指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持32位的高速AMBA总线接口。支持VFP9浮点处理协处理器。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。MPU支持实时操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。主频最高可达300MIPS。,ARM10E系列微处理器,ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与同等的ARM9器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近50，同时，ARM10E系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信息系统等领域。ARM10E系列微处理器包含ARM1020E、ARM1022E和ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不同的应用场合。,ARM10E系列微处理器,ARM10E系列微处理器的主要特点如下：支持DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。6级整数流水线，指令执行效率更高。支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集。支持64位的高速AMBA总线接口。支持VFP10浮点处理协处理器。全性能的MMU，支持Windows CE、Linux、Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力主频最高可达400MIPS。内嵌并行读/写操作部件。,ARM11E系列微处理器,ARM公司在2003年4月29日宣布了其下一代ARM架构的CPUARM11（又名Jaguar），基于ARM11的微处理器具有更强的性能，尤其是多媒体处理能力。ARM11微处理器采用0.13微米工艺，低端产品运行在350MHz500MHz，高端产品运行在533750MHz，如果将加工工艺减小到0.10微米，那么芯片速度将达1GHz。目前的ARM7和ARM9内核的芯片最大速度只能到400MHz。目前最快的嵌入式处理器为Intel的Xscale，最高主频为500MHz。,SecurCore系列微处理器,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，因此，SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持。SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。SecurCore系列微处理器包含SecurCore SC100、SecurCore SC110、SecurCore SC200和SecurCore SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。,SecurCore系列微处理器,SecurCore系列微处理器除了具有ARM体系结构各种主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点：带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。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。,Intel的StrongARM、Xscale系列微处理器,Intel公司推出的面向无线移动终端开发的体系结构“Personal Internet Client Architecture(PCA)”是一个开放的嵌入式系统开发应用平台，它以XSCALE系列嵌入式处理器为核心，支持Linux、WinCENET和VxWorks等操作系统，是一个理想的面向无线互连的应用平台。Xscale 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。Intel这款芯片技术已出售给Marvell公司。典型芯片：PXA250/255/270/272,ARM微处理器的体系结构（1）,RISC体系结构特点：在进行指令系统设计时，只选择使用频率很高的指令，在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言实现以及其他功能的指令，使指令条数大大减少采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻址方式有23种使用单周期指令，便于流水线操作执行大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作，只有加载/存储指令可以访问存储器，以提高指令的执行效率为提高指令执行速度，大部分指令直接采用硬件电路实现，少量采用微码实现,ARM微处理器的体系结构（2）,ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。大多数的指令都可根据前面的执行结果决定是否被执行，从而提高指令的执行效率可用加载/存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效率,ARM微处理器的应用选型,ARM微处理器内核的选择 运行Windows CE、Linux ARM720T以上带有MMUARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Xscale 运行uCLinux、RTLinux、uC/OSII ARM7TDMI 无操作系统时，不受此限制。,ARM微处理器的应用选型,系统的工作频率 片内存储器的容量 片内外围电路 USART（UART/SCI）、IIC、SPI、USB（HOST/DEVICE)、IrDA、Ethernet（MAC）、IIS/AC97、LCD、Keypad、RTC、ADC、DAC、DSP协处理器等生产商的选择,ARM应用系统开发工具,CodeWarrior for ARM Developer Suite（ADS)Editor|Compiler|Linker|DebuggerARM Multi-ICE,In Circuit Emulator,Multi-ICE Server,建立工程，编辑源文件,配置汇编器、编译器、链接器、调试器,AXD调试器,ARM应用系统软件开发过程,指令集模拟器(Armulator)驻留监控软件(Angel)在线调试器(AXD),ARM应用系统软件调试方法,ARM7TDMI体系结构图,ARM7TDMI引脚图,S3C4510框图,进一步阅读,ARM微处理器系列ARM体系结构版本和变量指令流水线ARM7TDMI处理器ARM920T处理器,