北航《嵌入式系统》课件-第二章.ppt
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1、2,C H A P T E R,嵌入式硬件基础,本节提要,1,3,2,4,嵌入式系统硬件基础,嵌入式系统开发环境,嵌入式系统硬件开发流程,芯片封装知识简介,嵌入式系统硬件部分,嵌入式系统软件部分,如人的大脑,决定了硬件的操作模式。通过良好的操作系统以及应用程序,把硬件功能发挥到极至。,如人的手、脚、神经等部位,决定了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和I/O接口等。,RISC和CISC冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构流水线嵌入式微处理器体系结果总线高速输入输出接口输入输出设备存储器,嵌入式系统硬件基础,CISC和RISC,CISC:复杂指令集(Complex Instruction Set Com
2、puter)具有大量的指令和寻址方式,指令长度可变8/2原则:80%的程序只使用20%的指令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)只包含最有用的指令,指令长度固定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,CISC与RISC的数据通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,RISC:Load/Store结构,CISC:寻址方式复杂,CISC的背景和特点,背景:存储资源紧缺,强调编译优化增强指令功能,设置
3、一些功能复杂的指令,把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的(微程序)指令系统来实现为节省存储空间,强调高代码密度,指令格式不固定,指令可长可短,操作数可多可少寻址方式复杂多样,操作数可来自寄存器,也可来自存储器采用微程序控制,执行每条指令均需完成一个微指令序列CPI,指令越复杂,CPI越大。,CISC的主要缺点,指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间,扩充的复杂指令往往是低频度指令。大量复杂指令的控制逻辑不规整,不适于VLSI工艺VLSI的出现,使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现,而不希望用微程序,因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢
4、5-10倍)。软硬功能分配复杂指令增加硬件的复杂度,使指令执行周期大大加长,直接访存次数增多,数据重复利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用流水线技术,RISC基本设计思想,减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构,有助于减少指令格式,统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制,RISC:减少指令平均执行周期数,CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycleICRISC IC CISC,30%-40%CCRISC CCCISCCPIRISC
5、CPICISC,20%超标量、超流水线、VLIW等系统结构,目标在于减小CPI,可使CPI1,RISC的提出与发展,Load/Store结构提出:CDC6600(1963)-CRAY1(1976)RISC思想最早在IBM公司提出,但不叫RISC,IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。1980年,Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词,并研制了RISC-,实验样机。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARC V1(1987),典型的高性能RISC处理器,SUN公司的SPARC(1
6、987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机,CISC与RISC的对比,冯诺依曼体系结构,冯诺依曼体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,哈佛体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,CPU,程序存储器,指令0,指令1,指令2,数据存储器,数据0,数据1,数据2,地址,指令,地址,数据,流
7、水线技术,流水线(Pipeline)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,译码,取指,执行add,译码,取指,执行sub,译码,取指,执行cmp,时间,Add,Sub,Cmp,指令流水线以ARM为例,为增加处理器指令流的速度,ARM7 系列使用3级流水线.允许多个操作同时处理,比逐条指令执行要快。PC指向正被取指的指令,而非正在执行的指令,Fetch,Decode,Execute,从存储器中读取指令,解码指令,寄存器读(从寄存器Bank)移位及ALU操作寄存器写(到寄存器Bank),PCPC,PC-4PC-2,PC-8PC-4,ARMThumb,最佳流水线
8、,该例中用6个时钟周期执行了6条指令所有的操作都在寄存器中(单周期执行)指令周期数(CPI)=1,操作,周期,1 2 3 45 6,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,LDR 流水线举例,该例中,用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5,周期,操作,123456,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Ex
9、ecute,Fetch,Decode,Execute,Data,Writeback,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,分支流水线举例,流水线被阻断注意:内核运行在ARM状态,周期,1 2 3 4 5,地址 操作,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Execute,Fetch,Decode,Fetch,Fetch,Decode,Execute,Linkret,Adjust,Fetch,Decode,Fetch,超标量执行,超标量(Superscalar)执行:超标量CPU采用多条流水线结构,执行1,取指,指令,译码2,
10、译码1,执行2,执行1,取指,译码2,译码1,执行2,流水线1,流水线2,数据回写,高速缓存(CACHE),1、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多,高速缓存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器,它保存部分主存内容的拷贝。,CPU,高速缓存控制器,CACHE,主存,数据,数据,地址,总线和总线桥,ARM公司提出的AMBA总线标准,嵌入式处理器体系结构,按体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER PCX86SH系列,ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10
11、Thumb 家族ARM 11 Thumb 家族,Intel StrongARM,StrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111,INTEL的Xscale架构处理器,基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集(不支持浮点指令集)在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线,MIPS,从1986年推出R2000处理器以来,MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后,MI
12、PS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统。1999年,MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准,集成了原来所有的MIPS指令集,并且增加了许多更强大的功能。此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。,MIPS RISC,MIPS,在MIPS的32位内核中4K系列对应于SOC应用设计;M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计;4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标;4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构,特别适用于需要安全数据传输的领域,比如网络、智能
13、卡等;5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz,具有7段流水线的20Kc内核,能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。,MIPS,在嵌入式处理器市场中,基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量2002年,一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器,份额仅次于ARM位居全球第二。在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内,MIPS的市场份额位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD,IDT,NEC,TI
14、,SONY等众多厂商,PowerPC体系结构,Motorola半导体(现Freescale半导体)联合IBM以及苹果电脑 IBMPowerPC750 PowerPCG3 MotorolaMPC MC,X86体系结构,Intel X86体系结构AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 CISC指令集,SH体系结构,SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司(现Renesas公司)推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的,只有一个字长,绝大多数指令是单周期完成的,即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈,SH的CPU简化寻址方式,采用L
15、oad/Store(装载/存储)结构,并且在片内设置高速缓存,以减少访问内存的时间,1999年底,SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后,用量最多的是工业,占总量的36%,第二位是办公自动化,占总量的26%;第三位是消费领域;再其次的是通信领域。此外,汽车导航、定位、控制系统,也是SH系列不小的一个市场。在美国,SH系列占有较大的市场份额 型号SH1-4(32位)SH5(64位),总线,总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率,总线机制,微处理器(CPU)是嵌入式系统硬件平台的核心构件,但不是全部。按照冯诺依曼体系结构思想,计算机的硬件是由CPU、存储器和I/O设备三
16、部分组成的。总线是把CPU与存储器、I/O设备相连接的信息通道,但总线并不仅仅指的是一束信号线,而应包含相应的通信协议。按照使用场合的不同,总线分成芯片级总线(CPU总线)、板卡级总线(内总线)和系统级总线(外总线)。,ISA,IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线,称为PC 总线。IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT,其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。由Intel 公司,IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线,即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-Industry
17、 Standard Architecture)总线。6.66MHZ至26.66MHZ,典型8MHzEISA总线,32位,PCI,1991 年下半年,Intel 公司首先提出了PCI 的概念。Intel联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团,其英文全称为:Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组),简称PCISIG。93年发布PCI2.0,32位,33MHz。5个以上PCI插槽AGP(图形加速处理)90年代后期,PCI-X,64位/66MHz,PCI力不从心,
18、南桥/北桥Intel 440系列以后PCI地位大大降低,3GIO-PCI Express,PCI VS.PCI Express,PCI,PCI Express,CPCI,CPCI(Compact PCI)PICMG协会于1994提出来的一种总线接口标准,面向嵌入式设备解决了VME与PCI总线不兼容问题,与PCI完全兼容高可靠性(99.999%)、低价位热插拔(hot swap),PC104,PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996(ISA)。PC104 有两个版本,8 位和16 位,分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与
19、PCI总线相对应。,I2C,PHILIPS 开发了一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线I2C(Inter-Integrated Circuit)最高速率100Kbps,25英尺,最多可支持40个设备,数据线,时钟线,CAN(Controller Area Network),80年代末,由德国Bosch公司最先提出被设计作为汽车环境中的微控制器通讯,在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息,形成汽车电子控制网络。发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN 控制装置。使用CSMA/CD协议40米以内,1Mbps;10Km,5Kbps;理论上可以支持无限多个设备可靠
20、性高,误码率为10-11抗电磁干扰性强,高速输入与输出接口,IrDA/FastIrDA(Infrared Data Association)红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺,误码率为10-9,光源外围的最大亮度为10klux(勒克斯),红外传输特点,距离小于一米低速9.6115K bps高速14M bps工业高速16M bps,红外芯片接口,Bluetooth 接口,功耗低100M,100mW10M,2.5mW1M,1mW2.4-2.4835 GHz(使用ISM频段)优势:世界范围内可用劣势:与IEEE 802.11b产品相互
21、干扰声音和数据传输,总带宽为1Mbps成本低低于US$5/蓝牙芯片,蓝牙和红外线的比较:,USB(Universal Serial Bus),IBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合距离5 米,Hub30米树拓扑结构,127个点,4线(2根电源线,2根数据线)低速 USB1.1,1.5 M bpsUSB 2.0 速率高达480Mbps支持热插拔和即插即用,Ethernet/Fast Ethernet,802.310M/100M Ethernet100m,RJ45接口MAC层协议 CSMA/CD,IEEE1394,起源于APPLE公司1986年提出的Fir
22、eWireMPU与多媒体设备连接接口20400M bps,高速串行总线P1394b 1.6Gbps,100米支持63个器件,长度4.5米热插拔,即插即用Sony:iLink;TI:Lynx Apple:FireWire,LCD显示器,Liquid Crystal Display,液晶显示器液晶介于固态和液态液晶棒状分子在外加电场的作用下排列状态发生变化,使得通过液晶显示器件的光被调制,从而在显示屏上呈现出不同颜色。每个显示象素都可以单独被电场控制。适用于低压、微功耗电路,段式液晶常见段式液晶的每字为8 段组成,即8 字和一点,只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的图
23、形点阵式液晶又将其分为TN、STN(DSTN)、TFT 等几类,LCD显示器类型,触摸屏,嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电感式三种 其中电阻式触摸屏最为常用 电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成,两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极 触摸屏工作时,上下导体层相当于电阻网络,当某一层电极加上电压时,会在该网络上形成电压梯度。如有外力使得上下两层在某一点接触,则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压,从而知道接触点处的坐标。,电容式触摸屏,电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏,玻璃屏的内表面和夹层各涂一层ITO(氧化铟锡),四个角引出四个电极。当用户触摸电容屏时,由于人体电
24、场,用户手指和工作面形成一个耦合电容,因为工作面上接有高频信号,于是手指会吸收一个很小的电流,这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出,理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例,控制器通过对四个电流比例的精密计算,得出位置,电感式触摸屏,电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装LC 谐振线圈通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的触摸屏之间的空间距离,使电磁场发生变化从而计算出触点的位置,存储器系统,寄存器,高速缓存SRAM,主存储器DRAM,本地存储器 Flash、ROM、磁盘,网络存储器 Flash、ROM、磁盘,时钟周期,0,110,50100,20000000,分层结构,存储器种类,
25、RAM:随机存取存储器,SRAM:静态随机存储器,DRAM:动态随机存储器 1)SRAM比DRAM快 2)SRAM比DRAM耗电多 3)DRAM存储密度比SRAM高得多 4)DRM需要周期性刷新ROM:只读存储器EPROMEEPROMFLASH:闪存,闪速存储器(FLASH),相对传统的EPROM芯片,这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器,故其集成度更高,制造成本低于DRAM 它使用方便,既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度,又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点,所以快擦写存储器技术发展十分迅速,NOR技术,NOR技术闪速存储器是最早出现的Flash M
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