最新北航《嵌入式系统》课件_第二章精品课件.ppt
《最新北航《嵌入式系统》课件_第二章精品课件.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《最新北航《嵌入式系统》课件_第二章精品课件.ppt(130页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、北航嵌入式系统课件北航嵌入式系统课件_第第二章二章本节提要本节提要嵌入式系统硬件基础嵌入式系统硬件基础嵌入式系统开发环境嵌入式系统开发环境嵌入式系统硬件开发流程嵌入式系统硬件开发流程芯片封装知识简介芯片封装知识简介RISC基本设计思想n减小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cyclen精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令n采用Load/Store结构,有助于减少指令格式,统一存储器访问方式n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nCPUtime= Instr_Count *CPI * Clock_cyclenI
2、CRISC IC CISC, 30%-40%nCCRISC CCCISCnCPIRISC CPICISC , 20%n超标量、超流水线、VLIW等系统结构, 目标在于减小CPI, 可使CPI1RISC的提出与发展nLoad/Store结构提出: CDC6600(1963)-CRAY1(1976)nRISC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。n1980年,Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词,并研制了RISC-,实验样机。n1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。n85年后推出商品化RISC:
3、 MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)典型的高性能RISC处理器nSUN公司的SPARC(1987)nMIPS公司的SGI:MIPS(1986)nHP公司的PA-RISC,nIBM, Motorola公司的PowerPCnDEC、Compac公司的Alpha AXPnIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少,通常少于100执行时间有些指令执行时间很长,如整块的存储器内容拷贝;或将多个寄存器的内容拷贝到存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变,1-15字节编码长度固定,通
4、常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作,Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效的目标代码程序 采用优化编译技术,生成高效的目标代码程序 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水线技术流水线技术流水线流水线(Pipeline)(Pipeline)技术:几个指令可以并行执行技术:几个指令可
5、以并行执行 提高了提高了CPUCPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动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AddSubCmp指令流水线以ARM为例n为增加处理器指令流的速度,ARM7 系列使用3级流水线.n允许多个操作同时处理,比逐条指令执行要快。n PC指向正被取指的指令,而非正在执行的指令FetchDecodeExecute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 )PCPCPC - 4PC-2PC - 8PC - 4ARMThumb 最佳流水线n该例中用6个时钟周期执行了6条指令
6、n所有的操作都在寄存器中(单周期执行)n指令周期数 (CPI) = 1 操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch LDR 流水线举例n该例中,用6周期执行了4条指令n指令周期数 (CPI) = 1.5 周期周期 操作操作123456 ADD SUB LDR MOV AND ORRFetch
7、DecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDataWritebackFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetch分支流水线举例n流水线被阻断n注意:内核运行在ARM状态周期周期 1 2 3 4 5 0 x8000 BL 0 x8004 X0 x8008 XX0 x8FEC ADD0 x8FF0 SUB0 x8FF4 MOV地址地址 操作操作FetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeExecuteLinkretAdjustFetchD
8、ecodeFetch超标量执行超标量超标量(Superscalar)执行:超标量执行:超标量CPU采用多条流水线结构采用多条流水线结构 执行1取指指令译码2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 1、为什么采用高速缓存、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。提高内存的平均性能。2 2、高速缓存的工作原理、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。容的拷贝
9、。 CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备键盘低速总线ARM公司提出的AMBA总线标准嵌入式处理器体系结构n按体系结构的不同可分为五大类nARMnMIPSnPOWER PCnX86nSH系列 nARM 公司的ARM RISC处理器nARM 7 Thumb 家族nARM 9 Thumb 家族nARM 10 Thumb 家族nARM 11 Thumb 家族Intel StrongARMnStrongARM 110nStrongARM 1100nStrongARM 1110nStrongARM 1111INTEL的Xscale架构处理器
10、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MIPSn从1986年推出R2000处理器以来,MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。n之后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统。n1999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。n此后MIPS公司又陆续开发
11、了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。 MIPS RISCMIPSn在MIPS的32位内核中n4K系列对应于SOC应用设计;nM4K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;n4KE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;n4KS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、智能卡等;n5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核n5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。n20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz,具
12、有7段流水线的20Kc内核,能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。MIPSn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n2002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。n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。nMIPS的合作伙伴包括了AMD,IDT,NEC,TI,SONY等众多厂商PowerPC体系结构 nMotorola半导体(现Freescale半导体)联合IBM以及苹果电脑 nIBMnPowerPC750 nPowerPCG3 nMoto
13、rolanMPC nMCX86体系结构 nIntel X86体系结构nAMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 nCISC指令集SH体系结构nSH(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 nSH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 n为了克服内存访问的瓶颈,SH的CPU简化寻址方式,采用Load/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 n1999年底,SH系列累计生产达1.18亿片。nSH系列投入市场后,用量最多的是工
14、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。n此外,汽车导航、定位、控制系统,也是SH系列不小的一个市场。n在美国,SH系列占有较大的市场份额 n型号nSH1-4(32位) nSH5(64位)总线n总线的主要参数有总线的主要参数有n总线的带宽总线的带宽n总线的位宽总线的位宽n总线的工作时钟频率总线的工作时钟频率总线机制n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,
15、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)。ISAnIBM IBM 公司于公司于1981 1981 年推出的基于年推出的基于8 8 位机位机PC/XT PC/XT 的总的总线,称为线,称为PCPC 总线总线。nIBM IBM 公司于公司于1984 1984 年推出了年推出了16 16 位位PC PC 机机PC/ATPC/AT,其总,其总线称为线称为AT AT 总线总线。然而。然而IBM IBM 公司从未公布过他们的公司从未公布过他们的ATAT总线规格。总线规格。n由由Intel Intel 公司,公司,IEEE IE
16、EE 和和EISA EISA 集团联合开发了与集团联合开发了与IBM/AT IBM/AT 原装机总线意义相近的原装机总线意义相近的ISA ISA 总线总线,即,即8/16 8/16 位的位的“工业标准结构工业标准结构”(ISA-Industry Standard (ISA-Industry Standard Architecture)Architecture)总线。总线。n6.66MHZ6.66MHZ至至26.66MHZ26.66MHZ ,典型8MHznEISAEISA总线,总线,3232位位PCIn1991 年下半年,Intel 公司首先提出了PCI 的概念。nIntel联合IBM、Comp
17、aq、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。n93年发布PCI2.0,32位,33MHz。5个以上PCI插槽nAGP(图形加速处理)n90年代后期,PCI-X,64位/66MHzPCI力不从心n南桥/北桥nIntel 440系列以后nPCI地位大大降低3GIO-PCI ExpressnPCI VS. PCI ExpressPCIPCI ExpressCPCInCPCI(Compact PCI)nPICMG协
18、会于1994提出来的一种总线接口标准,面向嵌入式设备n解决了VME与PCI总线不兼容问题,与PCI完全兼容n高可靠性(99.999%)、低价位n热插拔(hot swap)PC104nPC104PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工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业控制总线,实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996IEEE-P996(ISAISA)。)。nPC104 PC104 有两个版本,有两个版本,8 8 位和位和16 16 位,分别与位,分别与PC PC 和和PC/AT PC/AT 相对应。相对应。PC104PLUS PC104PLUS 则与则与PCI
19、PCI总总线相对应。线相对应。I2CnPHILIPS 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 )n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)n80年代末,由德国Bosch公司最先提出n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。n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。n使用CSMA/CD协议n40米以内,1Mbps;10Km,5Kbps;理论上可以支持
20、无限多个设备n可靠性高,误码率为10-11n抗电磁干扰性强高速输入与输出接口nIrDA/FastIrDA(Infrared Data Association )n红外线发光二极管n发射n硅晶PIN光检二极管n接受n控制电路nIrDA 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n距离n小于一米n低速n9.6115K bpsn高速n14M bpsn工业高速n16M bps红外芯片接口 Bluetooth 接口n功耗低n100M,100mWn10M,2.5mWn1M,1mWn2.4-2.4835 GHz (使用ISM频段)n优势
21、: 世界范围内可用n劣势: 与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输,总带宽为1Mbpsn成本低n低于US$5/蓝牙芯片蓝牙和红外线的比较:篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元USB(Universal Serial Bus )nIBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合n距离5 米,Hub30米n树拓扑结构,127个点,4线(2根电源线,2根数据线
22、)n低速 USB1.1,1.5 M bpsnUSB 2.0 速率高达480Mbpsn支持热插拔和即插即用Ethernet/Fast Ethernetn802.3n10M/100M Ethernetn100m,RJ45接口nMAC层协议n CSMA/CDIEEE1394n起源于APPLE公司1986年提出的FireWirenMPU与多媒体设备连接接口n20400M bps,高速串行总线nP1394b 1.6Gbps, 100米n支持63个器件,长度4.5米n热插拔,即插即用nSony:iLink;TI:Lynx Apple:FireWireLCD显示器nLiquid Crystal Displa
23、y,液晶显示器n液晶介于固态和液态n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。n适用于低压、微功耗电路n段式液晶n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。n字符型液晶n字符型液晶是用于显示字符和数字的n图形点阵式液晶n又将其分为TN、STN(DSTN)、TFT 等几类LCD显示器类型触摸屏 n嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电感式三种 n其中电阻式触摸屏最为常用 n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 n
24、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。n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n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 。n当用户触摸电容屏时,由于人体电场,用户手指和工作面形成一个耦合电容,n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,n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
25、 n电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装LC 谐振线圈n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01105010020000000分层结构存储器种类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 1 1)SRAMSRAM比比DRAMDRAM快快 2 2)SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多耗电多 3 3
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 嵌入式系统 最新 北航 嵌入式 系统 课件 第二 精品
限制150内