第二讲、嵌入式系统体系课件.ppt

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1、嵌入式系统原理及应用,第二讲、嵌入式系统体系,嵌入式系统体系,学习目的学会从不同的视角去分析嵌入式计算机系统与微型计算机系统之间的关系掌握四种典型的嵌入式处理器体系基本特点并了解各类处理器的代表产品,嵌入式系统体系,OutLine嵌入式系统与微机系统嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式微处理器嵌入式片上系统（SOC）一些特殊的嵌入式系统体系,嵌入式系统与微机系统,过去：源于微机系统嵌入式化现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系结构上没有脱离微机的范畴，技术上不断吸纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点未来：从微机体系中完全独立？,Review:嵌入式系统体系分类,嵌入式微控制器（EMCU）,

2、嵌入式DSP处理器（EDSP）,嵌入式微处理器（ EMPU ）,嵌入式片上系统（SOC）,嵌入式处理器,嵌入式微控制器,嵌入式微控制器（MicroController Unit MCU） 典型代表是单片机。单片机芯片内部集成了ROM/EPROM（可擦可编程只读存储器）、RAM、总线、定时器、看门狗、I/O、A/D、D/A等各种功能和外设。 微控制器的片上外设资源丰富，适合于控制，因此称为微控制器。 代表性的有：8051、MCS-251、MCU 8xc930,嵌入式微控制器,结构特点集成度较高，计算机5大部件全部包含在一个芯片内接口功能齐全产品结构简单,Review：嵌入深度划分,嵌入式系统(E

3、S)的嵌入深度ED=F(计算机大小;芯片工艺;系统复杂程度不同;使用环境条件;以及其它原因)A级 浅嵌入，微处理器为核心 B级 中等嵌入，微控制器为核心 C级 中等嵌入，数字微处理器为核心 D级 深嵌入，片上系统为核心,Review:从8位单片机开始,1972年Intel公司的8008是8位单片机的雏形1976年Intel公司推出MCS-48，是真正意义上的8位单片机单片机的出现标志着嵌入式系统开始独立发展,8位单片机发展历程,1972年Intel公司的8008是8位单片机的雏形1976年Intel公司推出MCS-48，是真正意义上的8位单片机这类单片机不带串行接口，寻址范围一般在4KB内。其

4、功能可满足一般工业控制和智能化仪器等的需要 MOSTEK公司的3870等也是这类单片机的代表这一时期是微处理器的低端时期,8位单片机发展历程,Intel公司于1980年推出的MCS-51奠定了单片微型计算机的经典体系结构不久实施了8051的技术开放政策PHILIPS公司作为全球著名的电器商以其在电子应用系统的优势，着力发展80C51的控制功能及外围单元。将MCS-51的单片微型计算机迅速地推进到80C51的MCU时代，形成了可满足大量嵌入式应用的单片机系列产品。,8位单片机发展历程,世界上很多知名芯片厂商都开始生产51架构的单片机51单片机到目前仍然在低端的嵌入式应用中独领风骚这类单片机带有串

5、行接口，寻址范围可达64KB，有多级中断处理系统、16位定时器计数器。其功能较强，是目前应用的主要产品,8位单片机发展历程,这一类单片机的代表还有PIC16F8系列、AT90S4433（AVR）、MOTOROLA公司的Z8和NEC公司的MPD7800等产品这一时期，8位单片机步入高端时期,8位单片机发展历程,目前的8位单片机在原有架构的基础上向高速、多功能、低功耗等方向发展Cygnal C8051F对80C51的技术突破-采用CIP-51内核大力提升CISC结构运行速度-I/O从固定方式到交叉开关配置-从系统时钟到时钟系统-从传统的仿真调试到基于JTAG接口的在系统调试-从引脚复位到多源复位-

6、最小功耗系统的最佳支持,16位单片机,MOSTEK公司于1982年首先推出了16位单片机68200INTEL公司于1983年推出16位单片机8096与8位单片机相比速度和控制功能大幅度提高，具有很强的实时处理能力,Review:嵌入式系统体系分类,嵌入式微控制器（EMCU）,嵌入式DSP处理器（EDSP）,嵌入式微处理器（ EMPU ）,嵌入式片上系统（SOC）,嵌入式处理器,嵌入式DSP处理器,嵌入式DSP处理器 （Digital Signal Prosessor DSP） 是专门用于信号处理方面的处理器。在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计。在信号处理方面的速度特别快，成为语音处理、图像

7、处理技术的基础。在通信领域使用广泛。 典型代表是：TI 公司的TMS320c2000/c5000系列。,嵌入式DSP处理器,结构特点集成度高，在硬件结构集成的基础上还有功能的集成功能相对单一一般作为协处理器,Review：嵌入深度划分,嵌入式系统(ES)的嵌入深度ED=F(计算机大小;芯片工艺;系统复杂程度不同;使用环境条件;以及其它原因)A级 浅嵌入，微处理器为核心 B级 中等嵌入，微控制器为核心 C级 中等嵌入，数字微处理器为核心 D级 深嵌入，片上系统为核心,Review:嵌入式系统与微机系统,过去：源于微机系统嵌入式化现在：逐渐成为一个独立的分支，但在体系结构上没有脱离微机的范畴，技术

8、上不断吸纳微机新技术的同时也形成一些自己的特点未来：从微机体系中完全独立？,Review:嵌入式系统体系分类,嵌入式微控制器（EMCU）,嵌入式DSP处理器（EDSP）,嵌入式微处理器（ ）,嵌入式片上系统（SOC）,嵌入式处理器,EMCU,2.4 嵌入式微处理器,OutLine嵌入式微处理器特点与嵌入式微控制器的比较与DSP处理器之间的比较与通用微机CPU的比较代表产品介绍,2.4.1 嵌入式微处理器特点,一、嵌入式微处理器 （Embedded MicroProsessor Unit EMPU）32位以上、处理能力强工作温度、抗电磁干扰、可靠性体系架构上以 架构为主流 ：A级,嵌入深度,RI

9、SC,Review:RISC设计思想,指令系统大多选取简单指令，而且大多数指令单周期完成。采用LOADSTORE结构，只有取数存数指令访问存储器。采用固定的指令格式，较少的指令数和寻址方式。以硬布线控制为主，不用或少用微指令码控制。采用面向寄存器的结构。十分重视提高流水线的执行效率的设计。特别注重采用编译优化技术，减少程序执行时间。,Review：嵌入深度划分,嵌入式系统(ES)的嵌入深度ED=F(计算机大小;芯片工艺;系统复杂程度不同;使用环境条件;以及其它原因)A级 浅嵌入，微处理器为核心 B级 中等嵌入，微控制器为核心 C级 中等嵌入，数字微处理器为核心 D级 深嵌入，片上系统为核心,二

10、、EMPU功能特点,实时性存储区的保护可扩展性低功耗,1、实时性,的要求硬实时与软实时关键因素：中断响应时间问题：划分时间片的原则共享资源的管理避免不可中断进程由于时间片的切换而被强行打断,实时多任务,一个实时多任务控制的例子,按键任务时间到？,开始任务切换,SCSI命令接收任务时间到？,SCSI数据传输任务时间到？,机械运动控制任务时间到？,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,二、EMPU功能特点,实时性存储区的保护可扩展性低功耗,2、存储区的保护,为什么需要保护存储区 功能MMU实例,MMU,高速缓存的MMU存储器系统,MMU功能,虚拟地址到物理地址映射存储器访问权限(permissions)

11、控制高速缓存Translation Lookaside Buffers(TLBs),二、EMPU功能特点,实时性存储区的保护可扩展性低功耗,3、可扩展性,片外扩展片内扩展例子,MPC860,功能扩展,基于ARM内核扩展SATA、SAS传输接口，并集成了独立于操作系统的RAID功能,多核扩展,二、EMPU功能特点,实时性存储区的保护可扩展性低功耗,4、低功耗,由嵌入式系统的应用场合决定高时钟频率与低功耗的矛盾嵌入式系统低功耗相关技术,嵌入式低功耗技术,尽量选用CMOS集成电路 采用低电压供电 尽量使用“高速低频”工作方式充分利用微处理器上集成的功能 利用软件降低功耗,2.4 嵌入式微处理器,Ou

12、tLine嵌入式微处理器特点与嵌入式微控制器的比较与DSP处理器之间的比较与通用微机CPU的比较代表产品介绍,2.4.2 与嵌入式微控制器的比较,操作系统,嵌入式操作系统,操作系统的作用操作系统，要还是不要？常见嵌入式操作系统 cOScLinuxWinCEVxWorks,2.4 嵌入式微处理器,OutLine嵌入式微处理器特点与嵌入式微控制器的比较与DSP处理器之间的比较与通用微机CPU的比较代表产品介绍,2.4.3 与DSP处理器之间的比较,2.4 嵌入式微处理器,OutLine嵌入式微处理器特点与嵌入式微控制器的比较与DSP处理器之间的比较与通用微机CPU的比较代表产品介绍,2.4.4 与

13、通用微机CPU的比较,自举开发,开发环境,自举开发与交叉开发,自举开发交叉开发,嵌入式开发环境,1、通过PC机上的软件开发平台编辑软件代码并生成目标码2、通过各种仿真器、下载线将目标码烧录到目标系统的程序存储芯片3、调试运行,嵌入式系统与通用微机系统,嵌入式系统并非独立于通用微机系统的孤立存在二者有区别有联系在很多场合混合应用,多体系多级系统,多级控制结构的例子,多体系混合应用的例子,2.4 嵌入式微处理器,OutLine嵌入式微处理器特点与嵌入式微控制器的比较与DSP处理器之间的比较与通用微机CPU的比较代表产品介绍,2.4.5 代表产品,X86架构 AMD E86家族?ARM架构MIPS架

14、构PowerPC架构,Review:嵌入式系统体系分类,嵌入式微控制器（EMCU）,嵌入式DSP处理器（EDSP）,嵌入式微处理器（ EMPU ）,嵌入式片上系统（SOC）,嵌入式处理器,2.5嵌入式片上系统,嵌入式片上系统（SOC）System On Chip将特定系统的各功能模块尽可能在一片单晶硅芯片上实现降低功耗节约成本知识产权保护,嵌入式系统体系,OutLine嵌入式系统与微机系统嵌入式微控制器嵌入式DSP处理器嵌入式微处理器嵌入式片上系统（SOC）一些特殊的嵌入式系统体系,2.6一些特殊的嵌入式系统体系,超长指令集架构FPGA,补充知识：指令集架构,复杂指令集运算（Complex I

15、nstruction Set Computing，CISC） 目前x86架构微处理器如Intel的Pentium/Celeron/Xeon与AMD的Athlon/Duron/Sempron；以及其64位扩展系统的x86-64的架构的EM64T的Pentium/Xeon与AMD64的Athlon 64/Opteron都属于CISC系列。主要针对的操作系统是微软的Windows。另外Linux，一些UNIX等都可以运行在x86（CISC）架构的微处理器,补充知识：指令集架构,精简指令集运算（Reduced Instruction Set Computing，RISC） RISC这种指令集运算包括H

16、P的PA-RISC，IBM的PowerPC，Compaq（被并入HP）的Alpha，MIPS公司的MIPS，SUN公司的SPARC等。目前只有UNIX，Linux，MacOS等操作系统运行在RISC处理器上。,补充知识：指令集架构,显式并行指令集运算（Explicitly Parallel Instruction Computing，EPIC）EPIC乃先进的全新指令集运算，只有Intel的IA-64架构的纯64位微处理器的Itanium/Itanium 2。EPIC指令集运算的IA-64架构主要针对的操作系统是微软64位安腾版的Windows XP以及64位安腾版的Windows Serve

17、r 2003。另外一些64位的Linux，一些64位的UNIX也可以运行IA-64（EPIC）架构。,补充知识：指令集架构,超长指令字指令集运算（Very Long Instruction Word， VLIW） 通过将多条指令放入一个指令字，有效的提高了CPU各个计算功能部件的利用效率，提高了程序的性能。,2.6一些特殊的嵌入式系统体系,超长指令集架构FPGA,FPGA,Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列） 在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物 是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种,FPGA,逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array） 可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）输出输入模块IOB（Input Output Block） 内部连线（Interconnect）,FPGA,用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑 具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改 FPGA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU,下至简单的74电路，都可以用FPGA来实现,FPGA,XILINX的XC系列TI公司的TPC系列ALTERA公司的FIEX系列,