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1、*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,02嵌入式處理器,16、自己選擇的路、跪著也要把它走完。,17、一般情況下)不想三年以后的事，只想現(xiàn)在的事?，F(xiàn)在有成就，以后才能更輝煌。,18、敢于向黑暗宣戰(zhàn)的人，心里必須充滿光明。,19、學(xué)習(xí)的關(guān)鍵-重復(fù)。,20、懦弱的人只會裹足不前，莽撞的人只能引為燒身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。,02嵌入式處理器02嵌入式處理器16、自己選

2、擇的路、跪著也要把它走完。,17、一般情況下)不想三年以后的事，只想現(xiàn)在的事?，F(xiàn)在有成就，以后才能更輝煌。,18、敢于向黑暗宣戰(zhàn)的人，心里必須充滿光明。,19、學(xué)習(xí)的關(guān)鍵-重復(fù)。,20、懦弱的人只會裹足不前，莽撞的人只能引為燒身，只有真正勇敢的人才能所向披靡。第二章嵌入式處理器 本章學(xué)習(xí)目的及主要內(nèi)容學(xué)習(xí)目的：,通過本章學(xué)習(xí)主要掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件（重點(diǎn)是嵌入式處理器子,系統(tǒng)）設(shè)計方法，其中結(jié)合基于微控制器和微處理器的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,例子。,主要內(nèi)容：,1.嵌入式系統(tǒng)的硬件組成,2.嵌入式處理器的技術(shù)指標(biāo),3.典型的嵌入式處理器,4.如何選擇嵌入式處理器,5.嵌入式處理器子系統(tǒng)的設(shè)計方法,2.

3、硬件子系統(tǒng)總體組成,硬件子系統(tǒng)的設(shè)計圍繞嵌入式處理器進(jìn)行。嵌入式系統(tǒng)硬件的一般,結(jié)構(gòu)如下圖所示。,3.嵌入式處理器子系統(tǒng),通用微處理器,嵌入式微控制器,嵌入式微處理器,嵌入式微處理器的特點(diǎn)：需要擴(kuò)展、處理能力較強(qiáng)、支持大容量存,儲器尋址、一般適合于高端應(yīng)用、型號多、通用性強(qiáng)。,DSP,DSP可分為定點(diǎn)DSP和浮點(diǎn)DSP兩類。,可編程器件,可編程器件的采用需要考慮的因素：成本、速度、流片。,又稱單片機(jī),以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成,ROM/EPROM,、,RAM,、總線、總線邏輯、定時,/,計數(shù)器、,WatchDog,、,I/O,、串行口、脈寬調(diào)制輸出、,A/D,、,D/A,、,Fl

4、ash RAM,、,EEPROM,等各種必要功能和外設(shè),微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。,微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。,嵌入式微控制器（MCU）,嵌入式微處理器(EMPU，Embedded Microprocessor Unit),是由通用計算機(jī)中的CPU簡化而來的。,只保留了與嵌入式應(yīng)用密切相關(guān)的功能部件。,功耗低、處理器結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展、存儲保護(hù)、調(diào)試功能豐富、支持實時多任務(wù)。,MIPS、ARM、Power PC 等,嵌入式DSP處理器(EDSP，Embedded Digital

5、 Signal Processor),對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合執(zhí)行DSP算法，編譯效率和指令執(zhí)行速度也相對較高。,在數(shù)字濾波、FFT(快速傅里葉變換)和譜分析等方面，DSP算法正在大量被引入嵌入式領(lǐng)域。,DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，,它在,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行,DSP,算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。,在數(shù)字濾波、,FFT,、譜線分析等方面,DSP,算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，,DSP,應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實現(xiàn),DSP,功能，過渡到采用嵌入式,DSP,處理器上。,現(xiàn)在的DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)

6、大到了,通信,和,計算機(jī),方面。目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，還有AD公司及Motorola公司的DSP。,嵌入式DSP處理器,嵌入式片上系統(tǒng)(SoC，System on Chip),它結(jié)合了許多功能模塊,將整個系統(tǒng)集成在一個芯片上。,各種通用處理器內(nèi)核作為SoC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件。,它用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。,IP（Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核）核的設(shè)計是該系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。,FPGA處理器,4.嵌入式存儲器子系統(tǒng),在嵌入式

7、系統(tǒng)中使用的存儲器可以是內(nèi)部存儲器，也可以是外部存,儲器。嵌入式系統(tǒng)的存儲器用于存放嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。,5.附屬電路和I/O子系統(tǒng),a.嵌入式處理器工作時必須有附屬電路，如時鐘電路、復(fù)位電路、調(diào)試,電路、監(jiān)視定時器、譯碼器電路等。,b.I/O接口電路，完成嵌入式處理器與外部設(shè)備之間的交互和數(shù)據(jù)通信。,包括兩大類：輸入電路接口和輸出電路接口。,6.調(diào)試子系統(tǒng),調(diào)試子系統(tǒng)通常指的是JTAG調(diào)試接口和BDM調(diào)試接口。,2.3 嵌入式處理器的技術(shù)指標(biāo),功能：主要取決于處理器所集成的存儲器的數(shù)量和外部設(shè)備接口的種,類和數(shù)量。,字長：指參與運(yùn)算的數(shù)的基本位數(shù)，它決定了寄存器、運(yùn)算器和數(shù)據(jù),總線的位數(shù)，

8、因而直接影響硬件的復(fù)雜程度。,處理速度：在單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù)。,工作溫度,功耗,尋址能力：取決于處理器地址線的數(shù)目。,平均故障間隔時間：指在相當(dāng)長的運(yùn)行時間內(nèi)，機(jī)器工作時間除以運(yùn),行期間內(nèi)的故障次數(shù)。,性能價格比,工藝：半島體工藝和設(shè)計工藝。,電磁兼容性指標(biāo)：取決于器件的選擇、電路的設(shè)計、工藝、設(shè)備的外,殼等。,2.4 典型的嵌入式處理器介紹,1.Microchip系列嵌入式控制器,Microchip的PIC MCU系列嵌入式微控制器結(jié)合了高性能、低價,格、小包裝的特點(diǎn)，為工業(yè)生產(chǎn)提供了最佳的性能價格比。提供了5類的,8位MPU來更好地滿足用戶的需要。,2.Philips LPC

9、嵌入式控制器系列,Philips半導(dǎo)體公司近年來推出的51LPC系列OTP（一次編程）嵌入,式微控制器在基本結(jié)構(gòu)、匯編指令等方面與80C51系列兼容，時鐘頻率,可高達(dá)20 MHz。,3.Freescale 微控制器MC68HC08系列,MC68HC08系列有很多型號，主要特點(diǎn)有：采用模塊化設(shè)計、含片,內(nèi)監(jiān)控ROM、具有特色的FLASH取代片內(nèi)EPROM和ROM、具有鎖相環(huán),電路。,4.MCS-51系列嵌入式控制器/處理器,MCS-51系列微控制器、微處理器是由Intel公司首先開發(fā)的嵌入式,微處理器/微控制器。,5.Atmel公司的AVR系列微控制器,Atmel公司產(chǎn)品的主要特點(diǎn)：以EEPRO

10、M電可擦除及Flash技術(shù)為主,導(dǎo)、多種封裝形式和高質(zhì)量、多種應(yīng)用環(huán)境。,6.80C186系列16位嵌入式處理器,80C186標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)核不僅可以兼容16位微處理器家族。8088/8086的,目標(biāo)代碼，還相應(yīng)地提高了硬件和軟件方面的性能。,7.MC68HC12系列處理器,MC68HC12是Freescale公司開發(fā)的16位、兼容MC68HC11工業(yè)標(biāo),準(zhǔn)的嵌入式處理器，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。,8.PowerPC系列32位嵌入式處理器,PowerPC由Freescale,公司,設(shè)計，用來滿足從臺式計算機(jī)CPU到高,性能處理器、高集成度嵌入式MPU處理器的不同需要。,9.ColdFire系列32

11、位嵌入式處理器,ColdFire處理器屬于MC68000微處理器家族，ColdFire內(nèi)核具有,100的通用性，所以它們可以方便地被移植到新的用戶設(shè)計中。,10.ARM系列,ARM（Advanced RISC Machines）介紹,ARM處理器的特點(diǎn)：小體積、低功耗、低成本、高性能；16位/32,位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。,當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)有Thumb、DSP、Jazeller的擴(kuò)展。,10.ARM系列（continued）,ARM處理器系列,ARM處理器有5個產(chǎn)品系列：,ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10,ARM10和SecurCore。ARM7、,ARM9、ARM9E和A

12、RM10是4個通用,處理器系列，每個系列提供一套特定,的性能來滿足設(shè)計者對功耗、性能和,體積的需求。,帶ARM內(nèi)核嵌入式處理器芯片,a.ARM公司有著諸多合作伙伴,b.Atmel公司生產(chǎn)帶ARM內(nèi)核的芯片,AT91方框圖如右圖所示。,c.Cirrus Logic公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片,Cirrus Logic公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核芯片的主要應(yīng)用領(lǐng)域為：手持,計算、個人數(shù)字音頻播放器和Internet電氣設(shè)備。,d.Intel公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片,Intel公司和Digital Equipment公司合作開發(fā)了StrongARM系列處理,器，現(xiàn)產(chǎn)權(quán)為Intel公司所有，另外，Int

13、el公司還開發(fā)了XScale處理器。,e.Samsung公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片,在Samsung公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片系列中，產(chǎn)品型號較多，,其中包括PDA、網(wǎng)絡(luò)及Flash產(chǎn)品系列。,2.5 如何選擇嵌入式處理器,選擇處理器可分為兩個步驟：,選擇哪一類處理器，在通用處理器、嵌入式微控制器、嵌入式處理器、DSP、可編程器件之間做出選擇。,選擇哪個廠家的產(chǎn)品。,1.選擇處理器的原則,夠用原則,a.低端簡單應(yīng)用,b.中端的復(fù)雜應(yīng)用,c.涉及數(shù)字信號處理和數(shù)學(xué)計算的應(yīng)用,成本原則,a.電路的成本,b.印制電路板的成本,2.選擇嵌入式處理器的具體方法,2.6 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設(shè)計方法,

14、1.設(shè)計原則,復(fù)用原則,設(shè)計人員在設(shè)計嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)時，應(yīng)盡量使當(dāng)前的設(shè)計工作成果,可用于未來的設(shè)計中，一方面可以縮短設(shè)計的時間，另一方面也可以減,少設(shè)計中出現(xiàn)錯誤的可能性。,模塊化原則,所謂模塊化原則，體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的硬件設(shè)計上自頂向下的設(shè)計,思想。把整個硬件系統(tǒng)分成各個子系統(tǒng)，分別進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計的每個,階段優(yōu)化每個子模塊的設(shè)計方案，一方面便于檢查設(shè)計的缺陷，另一方,面也為設(shè)計工作的復(fù)用打下基礎(chǔ)。,標(biāo)準(zhǔn)化原則,這里所謂的標(biāo)準(zhǔn)化，包括兩個方面的含義：行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和自定義標(biāo),準(zhǔn)。,2.基于微控制器的設(shè)計,典型設(shè)計的微控制器子系統(tǒng)電路。,最小系統(tǒng)的設(shè)計,微控制器本身的支持電路。,I/O部件的分別設(shè)

15、計,I/O部件完成微控制器與外部設(shè)備的接口，在設(shè)計微控制器子系統(tǒng),時，在微控制器的I/O引腳上定義需要連接的外部設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號即可。,外部設(shè)備接口電路的設(shè)計可以分類進(jìn)行，分類可以按照多種方法進(jìn),行。例如，可以根據(jù)電路輸入/輸出的性質(zhì)分為輸入電路、輸出電路，也,可以根據(jù)外部電路實現(xiàn)的功能進(jìn)行劃分。,3.基于微處理器的最小系統(tǒng)設(shè)計,設(shè)計處理器子系統(tǒng),設(shè)計微處理器子系統(tǒng)時需要設(shè)計處理器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控,制總線。,設(shè)計總線,總線主要傳遞以下4種信號：數(shù)據(jù)總線信號、地址總線信號、控制信,號、輔助信號。,設(shè)計I/O子系統(tǒng),對于嵌入式系統(tǒng)而言，I/O子系統(tǒng)與處理器子系統(tǒng)之間的連接大多不,使用系統(tǒng)總線

16、，而是直接連接在處理器的引腳上。,微處理器相關(guān)知識,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu),CISC與RISC,指令流水線,存儲器系統(tǒng),馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)模型,哈佛體系結(jié)構(gòu),CISC,和,RISC,CISC：復(fù)雜指令集,（Complex Instruction Set Computer）,具有大量的指令和尋址方式,大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行,RISC：精簡指令集,（Reduced Instruction Set Computer),8/2原則：80%的程序只使用20%的指令,在通道中只包含最有用的指令,確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令,使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單,指令的執(zhí)行周期,1）取指令（Instruction Fetch)：IFt,2）指令譯碼（Instruction Decode）：IDt,3）執(zhí)行指令（Instruction Execute）：IEt,4）存儲（Storage）：St,每條指令的執(zhí)行周期：T=IFt+IDt+IEt+St,指令流水線技術(shù),RISC,流水線技術(shù)：,幾個指令可以并行執(zhí)行,提高了CPU的運(yùn)行效率,內(nèi)部信息流要求通暢流動,本章小結(jié),1.嵌入式系統(tǒng)的硬