嵌入式系统学习课件2.ppt

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1嵌入式技术及应用嵌入式技术及应用ARMARM与与C/OS-C/OS-第二讲第二讲嵌入式系统硬件基本概念嵌入式系统硬件基本概念中北大学信息与通信工程学院中北大学信息与通信工程学院杨光杨光2本节提要本节提要11332244嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统软件基础嵌入式系统软件基础嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式系统设计方法嵌入式系统设计方法32.1.1嵌入式系统硬件基本概念嵌入式系统硬件基本概念典型嵌入式系统基本组成硬件典型嵌入式系统基本组成硬件嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入输入/输出接口等设备组成。

输出接口等设备组成。

4总线总线总线的概念总线的概念所谓总线（所谓总线（Bus），一般指通过分时复用的方式，将信息以一），一般指通过分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。

是电个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线。

是电脑中传输数据的公共通道。

脑中传输数据的公共通道。

5CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备高速设备低速总线总线总线6总线总线l嵌入式系统的总线嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器一般集成在嵌入式微处理器中中。

l从微处理器的角度来看，总线可分为从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线片外总线（如：

如：

PCI、ISA等等）和和片内总线片内总线（如：

（如：

AMBA、AVALON、OCP、WISHBONE等）。

等）。

l选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总选择总线和选择嵌入式微处理器密切相关，总线的种类随不同的微处理器的结构而不同。

线的种类随不同的微处理器的结构而不同。

7嵌入式微处理器嵌入式微处理器l每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处理器l嵌入式微处理器体系结构可采用冯嵌入式微处理器体系结构可采用冯诺依曼诺依曼（VonNeumann）结构或哈佛（）结构或哈佛（Harvard）地址地址数据数据主存储器主存储器MOVr8,#8MOVr8,#8CPUCPUPCPC指令指令程序存储器程序存储器CPUCPUPCPC地址地址数据存储器数据存储器MOVr8,#8MOVr8,#8地址地址数据数据冯冯诺依曼结构诺依曼结构哈佛结构哈佛结构8l传统的微处理器采用的冯传统的微处理器采用的冯诺依曼结构诺依曼结构将指将指令和数据存放在同一存储空间中令和数据存放在同一存储空间中，统一编址，统一编址，指令和数据通过同一总线访问。

指令和数据通过同一总线访问。

l哈佛结构则是不同于冯哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种诺依曼结构的一种并行体系结构，其主要特点是并行体系结构，其主要特点是程序和数据存程序和数据存储在不同的存储空间中储在不同的存储空间中，即程序存储器和数，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。

与之相对应的是储器独立编制、独立访问。

与之相对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。

线），从而使数据的吞吐率提高了一倍。

9微处理器的指令系统：

微处理器的指令系统：

CISC和和RISCCISCCISC：

复杂指令集（：

复杂指令集（ComplexInstructionSetComputerComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式8/28/2原则：

原则：

80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

大多数程序只使用少量的指令就能够运行。

RISCRISC：

精简指令集（：

精简指令集（ReducedInstructionSetComputer）ReducedInstructionSetComputer）在通道中只包含最有用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确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单10CISC的主要缺点的主要缺点l指令使用频度不均衡。

指令使用频度不均衡。

l高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的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。

复杂指令往往是低频度指令。

l大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSIVLSI工艺工艺lVLSIVLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑的出现，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。

了速度提高。

（微码的存控速度比微码的存控速度比CPUCPU慢慢5-105-10倍倍）。

l软硬功能分配软硬功能分配l复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，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，降低了直接访存次数增多，降低了CPUCPU性能。

性能。

l不利于先进指令级并行技术的采用不利于先进指令级并行技术的采用l流水线技术流水线技术11RISC基本设计思想基本设计思想l减小减小CPI（ClockCPI（ClockcyclesPerInstruction）:

cyclesPerInstruction）:

CPUtimeCPUtime=Instr_CountInstr_Count*CPI*Clock_cycle*CPI*Clock_cyclel精简指令集：

保留最基本的精简指令集：

保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高去掉复杂、使用频度不高的指令的指令l采用采用Load/StoreLoad/Store结构，有助于减少指令格式，统一存结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式储器访问方式l采用硬接线控制代替微程序控制采用硬接线控制代替微程序控制12CISC与与RISC的对比的对比类别类别CISCCISCRISCRISC指令系统指令系统指令数量很多指令数量很多较少，通常少于较少，通常少于100100执行时间执行时间有些指令执行时间很长，如有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或整块的存储器内容拷贝；或将多个寄存器的内容拷贝到将多个寄存器的内容拷贝到存贮器存贮器没有较长执行时间的指令没有较长执行时间的指令编码长度编码长度编码长度可变，编码长度可变，1-151-15字节字节编码长度固定，通常为编码长度固定，通常为44个字节个字节寻址方式寻址方式寻址方式多样寻址方式多样简单寻址简单寻址操作操作可以对存储器和寄存器进行可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑只能对寄存器对行算术和逻辑操作，操作，Load/StoreLoad/Store体系结构体系结构编译编译难以用优化编译器生成高效难以用优化编译器生成高效的目标代码程序的目标代码程序采用优化编译技术，生成高效采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序的目标代码程序13知识产权核知识产权核（IP核核,intellectualproperty）lIPIP核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成核是指具有知识产权的、功能具体、接口规范、可在多个集成电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（电路设计中重复使用的功能模块，是实现系统芯片（SOCSOC）的基本）的基本构件。

构件。

lIPIP复用意味着设计代价降低（时间，价格）复用意味着设计代价降低（时间，价格）lIPIP核的类别核的类别:

l微处理器微处理器微处理器微处理器:

ARM,PowerPC;:

ARM,PowerPC;l存储器存储器存储器存储器:

RAM,memorycontroller;:

RAM,memorycontroller;l外设外设:

PCI,DMAcontroller;:

PCI,DMAcontroller;l多媒体处理多媒体处理:

MPEG/JPEG;:

MPEG/JPEG;lencoder/decoder;encoder/decoder;l数字信号处理器数字信号处理器（DSP）（DSP）l通信通信:

Ethernetcontroller,router,:

Ethernetcontroller,router,14IPIP核的种类核的种类lSoftSoftCores（“codeCores（“code”）”）（软核）（软核）lHDLHDL语言描述语言描述l灵活度高，可修改灵活度高，可修改l与工艺独立，可根据具体的加工工艺重新综合；与工艺独立，可根据具体的加工工艺重新综合；lIPIP很难保护很难保护lFirmFirmcores（“code+structurecores（“code+structure”）（”）（固核）固核）l逻辑综合后的描述逻辑综合后的描述l与工艺相关与工艺相关lHardHardcores（“physicalcores（“physical”）（”）（硬核）硬核）l物理综合后的描述物理综合后的描述l准备流片准备流片l包含工艺相关的布局和时序信息包含工艺相关的布局和时序信息lIPIP很容易保护很容易保护l多数的处理器和存储器多数的处理器和存储器15存储器存储器l嵌入式系统的存储器包括嵌入式系统的存储器包括主存主存和和外存外存。

l大大多多数数嵌嵌入入式式系系统统的的代代码码和和数数据据都都存存储储在在处处理理器可直接访问的存储空间即主存中器可直接访问的存储空间即主存中。

l系系统统上上电电后后在在主主存存中中的的代代码码直直接接运运行行。

主主存存储储器器的的特特点点是是速速度度快快，一一般般采采用用ROM、EPROM、NorFlash、SRAM、DRAM等存储器件。

等存储器件。

16存储器系统存储器系统RAMRAM：

随机存取存储器，：

随机存取存储器，SRAMSRAM：

静态随机存储器，：

静态随机存储器，DRAMDRAM：

动态随机存储器：

动态随机存储器11）SRAMSRAM比比DRAMDRAM快快22）SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多耗电多33）DRAMDRAM存储密度比存储密度比SRAMSRAM高得多高得多44）DRMDRM需要周期性刷新需要周期性刷新ROMROM：

只读存储器：

只读存储器FLASHFLASH：

闪存：

闪存17存储器系统的层次结构存储器系统的层次结构寄存器寄存器高速缓存高速缓存SRAM主存储器主存储器DRAM本地存储器本地存储器Flash、ROM、磁盘、磁盘网络存储器网络存储器Flash、ROM、磁盘、磁盘时时钟钟周周期期0110501002000000018l目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。

目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。

外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量放各种信息，相对主存而言具有价格低、容量大的特点。

大的特点。

l在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有做外存，电子盘的主要种类有DOC（DiskOnChip）、）、NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、MemoryStick、MultiMediaCard、SD（SecureDigital）卡等。

）卡等。

19输入输入/输出接口和设备输出接口和设备l嵌入式系统的大多数输入嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设备输出接口和部分设备已经集成在嵌入式微处理器中。

已经集成在嵌入式微处理器中。

l输入输入/输出接口主要有输出接口主要有中断控制器中断控制器、DMA、串串行行和和并行接口并行接口等，设备主要有定时器等，设备主要有定时器（Timers）、计数器（）、计数器（counters）、看门狗）、看门狗（w