最新嵌入式硬件基础PPT课件.ppt

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1、嵌入式硬件基础嵌入式硬件基础目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口CISC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，如整有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容拷贝；或将多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个寄存器的内容拷贝到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4 4个字节个字节寻址方式寻址方式寻址方式多样

2、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算可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑操作，只能对寄存器对行算术和逻辑操作，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的难以用优化编译器生成高效的目标代码程序目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效的目采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序标代码程序 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构输入输出中央处理器存储器程序指令1指令2指令3指令4数据数据0数据2指令0指令寄存器控制器数据通道数据1哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存

3、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n流水线流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执技术：几个指令可以并行执行行 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AddSubCmp指令流水线指令流水线以以ARM为例为例n为增加处理器指令流的速度，为增加处理器指令流的速度，ARM7系列使用系列使用3级流级流水线水线.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指向正被取指的指令，而非正在执行的指令从存储

4、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）FetchDecodeExecutePCPCPC-4PC-2PC-8PC-4ARMThumb最佳流水线最佳流水线该例中用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操作操作周期周期 123456ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchExecuteDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFet

5、chExecuteDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteFetchDecode ExecuteDecode ExecuteFetchDecodeFetchFetchDecodeFetchFetchExecuteDecodefetchLDR流水线举例流水线举例该例中，用6周期执行了4条指令指令周期数(CPI)=1.5 周期周期 操作操作123456ADDSUBLDRMOVANDORRfetchDecodefetchfetchExecuteDecodefetchExecuteExecutedatawritebackDecodeDec

6、odefetchDecode分支流水线举例分支流水线举例流水线被阻断注意:内核运行在ARM状态DecodefetchDecodeExecuteLinkret Adjustfetchfetch周期周期 12345 0 x8000BL0 x8004X0 x8008XX0 x8FECADD0 x8FF0SUB0 x8FF4MOV地址地址操作操作fetchfetchDecodeDecodeExecuteExecuteDecodefetchfetch超标量执行n超标量超标量(Superscalar)执行执行超标量CPU采用多条流水线结构执行1取指指令译码2译码1执行2执行1取指译码2译码1执行2流水线1

7、流水线2数据回写嵌入式处理器体系结构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按体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER PCX86SH系列 嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元嵌入式处理器单元ARM RISCMIPS RISCPOWER PCX86SH/HP RISCARMXXARMXXScalestrongarm（ARM11,ARM10E）64bit32bit（20kc,5kx）(24k,pro,4kx,M4k)64bit32bit（ARM9E,ARM9,ARM7）MotorolaIBM（603e,e300,e500）（ppc405,ppc440）IntelA

8、MDVIATransmeta（186/386/486）（Geode）（Nehemiah）（Efficeon）（SH5）（SH1/SH2/SH3/SH4）armnARM公司的公司的ARMRISC处理器处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族ARM 11 Thumb 家族nIntelStrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111ARMnINTEL的的Xscale架构处理器架构处理器基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处

9、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从从1986年推出年推出R2000处理器以来，处理器以来，MIPS陆续陆续推出推出R3000、R4000、R8000等。等。n之后之后,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。嵌入式系统。n1999年，年，MIPS公司发布了公司发布了MIPS32和和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令指令集，并且增加了许多更强大的功能。集，并且

10、增加了许多更强大的功能。n此后此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗公司又陆续开发了高性能、低功耗的的32位和位和64位处理器内核。位处理器内核。MIPSMIPSn在在MIPS的的32位内核中位内核中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、智能卡等；n5K和和20Kc系列属于系列属于MIPS的的64位内核位内核5K能提供1.4DMIPS/M

11、Hz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。MIPSn嵌入式处理器市场中，基于嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理内核的处理器占据了相当大的数量器占据了相当大的数量n2002年，一共付运了年，一共付运了8700万片采用万片采用MIPS内核内核的嵌入式处理器，份额仅次于的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球位居全球第二。第二。n在目前快速增长的比如在目前快速增长的比如CableModem、DSLModem、DVD录像机等领域内，录像机等领域内，MIP

12、S的市场的市场份额位居第一。份额位居第一。nMIPS的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商等众多厂商PowerPCnMotorola半导体（现半导体（现Freescale半导体）联合半导体）联合IBM以及苹果电脑以及苹果电脑nIBMPowerPC750 PowerPCG3 nMotorolaMPC MCx86nIntelX86体系结构体系结构nAMD最新的最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为体系结构嵌入式处理器产品为Geode系列处理器系列处理器nCISC指令集指令集SHnSH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现系列是由前日立半导体公司（现R

13、enesas公司）推出的嵌入式处理器公司）推出的嵌入式处理器nSH系列的系列的CPU指令格式是固定的，只有一个指令格式是固定的，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复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期个时钟周期n为了克服内存访问的瓶颈，为了克服内存访问的瓶颈，SH的的CPU简化寻简化寻址方式，采用址方式，采用Load/Store(装载装载/存储存储)结构，并结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间间SHn1999年底，年底，SH系列累计生产达系列累计生产达1.18亿片。亿片。n

14、SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的系列投入市场后，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，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。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，也是此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小系列不小的一个市场。的一个市场。n在美国，在美国，SH系列占有较大的市场份额系列占有较大的市场份额n型号型号SH1-4（32位）SH5(64位)MIPSMIPS是最早的，最成功的RISC(Reduced Instruction Set Computer)处理 器之一，起源于

15、Stanford Univ的电机系.其创始人 John L.Hennessy在1984年在硅谷创立 了MIPS INC.公司()。MIPS的名字为“Microcomputer without interlocked pipeline stages的缩写。另外一个通常的非正式的说法是”Millions of instructions per second.目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口总线总线n总线的主要参数有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总线机制n微处理器（微处理器（CPU）是嵌入式系统硬件平台的核）是嵌入式系统硬件平台的核心构件，但不是全部

16、。按照冯心构件，但不是全部。按照冯诺依曼体系结诺依曼体系结构思想，计算机的硬件是由构思想，计算机的硬件是由CPU、存储器和、存储器和I/O设备三部分组成的。总线是把设备三部分组成的。总线是把CPU与存储与存储器、器、I/O设备相连接的信息通道，但总线并不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，总线分成芯片级协议。按照使用场合的不同，总线分成芯片级总线（总线（CPU总线）、板卡级总线（内总线）和总线）、板卡级总线（内总线）和系统级总线（外总线）。系统级总线（外总线）。ISAnIBM公司于公司于198

17、1年推出的基于年推出的基于8位机位机PC/XT的总线，称为的总线，称为PC总线。总线。nIBM公司于公司于1984年推出了年推出了16位位PC机机PC/AT，其总线称为，其总线称为AT总线。然而总线。然而IBM公司从未公公司从未公布过他们的布过他们的AT总线规格。总线规格。n由由Intel公司，公司，IEEE和和EISA集团联合开发了集团联合开发了与与IBM/AT原装机总线意义相近的原装机总线意义相近的ISA总线，总线，即即8/16位的位的“工业标准结构工业标准结构”(ISA-IndustryStandardArchitecture)总线。总线。n6.66MHZ至至26.66MHZ，典型，典型

18、8MHznEISA总线，总线，32位位PCIn优点优点即插即用中断共享地址总线与数据总线是分时复用的 分类32bit 33mhz64bit or 66mhzPCIn1991年下半年，年下半年，Intel公司首先提出了公司首先提出了PCI的的概念。概念。nIntel联合联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC等等100多家公司成立了多家公司成立了PCI集团，其英文全称集团，其英文全称为：为：PeripheralComponentInterconnectSpecialInterestGroup(外围部件互连专业组外围部件互连专业组)，简称，简称PCISIG。n93年发布年发布PCI2.0，3

19、2位，位，33MHz。5个以上个以上PCI插槽插槽nAGP（图形加速处理）（图形加速处理）n90年代后期，年代后期，PCI-X，64位位/66MHzPCI-力不从心力不从心n南桥南桥/北桥北桥Intel 440系列以后PCI地位大大降低I2CPHILIPS 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个设备目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口存储器系统存储器系统寄存器寄存器高速缓存高速缓存SRAMSRAM主存储器DRAM本地存储器 Flash、ROM、磁盘网络存储器 F

20、lash、ROM、磁盘时钟周期01105010020000000分层结构存储器种类存储器种类nRAM：随机存取存储器，：随机存取存储器，SRAM：静态随机：静态随机存储器，存储器，DRAM：动态随机存储器：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nROM：只读存储器：只读存储器EPROMEEPROMFLASH：闪存闪存存储器闪存存储器(FLASH)n相对传统的相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写气的方法快速地擦写n由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集由

21、于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于成度更高，制造成本低于DRAMn它使用方便，既具有它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较读写的灵活性和较快的访问速度，又具有快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢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失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速分迅速电子盘电子盘电子盘采用半导体芯片来存储数据电子盘采用半导体芯片来存储数据,具有体积小具有体积小,功耗低和级强的抗震性等特点功耗低和级强的抗震性等特点.nNandFlashnDOCnDOMnCFnSMnMSnMMCnSD常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置nCF扩

22、充装Compact Flash所有Windows CE 支持常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置nSD扩充装置（Secure Digital）Panasonic Scandisk Toshiba常见的存储器扩充装置常见的存储器扩充装置nMemory Stick Sony目录目录 CPU 总线总线 存储器存储器 接口接口接口接口n介绍红外介绍红外蓝牙蓝牙USB以太网以太网1394LCD显示显示触摸屏触摸屏高速输入与输出接口高速输入与输出接口nIrDA/FastIrDA（InfraredDataAssociation）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

23、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）红外传输特点红外传输特点n距离小于一米n低速9.6115K bpsn高速14M bpsn工业高速16M bpsEthernet/FastEthernetn802.3n10M/100MEthernetn100m，RJ45接口接口nMAC层协议层协议 CSMA/CDBluetoothn功耗低功耗低100M，100mW10M，2.5mW1M，1mWn2.4-2.4835GHz(使用使用ISM频段频段)优势:世界范围内可用劣势:与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输，总带宽为声音和数据传输，总带宽为1

24、Mbpsn成本低成本低低于US$5/蓝牙芯片红外和蓝牙接口的比较红外和蓝牙接口的比较篮牙接口篮牙接口红外接口红外接口传输距离传输距离10米米1米米传输特性传输特性可以以任何角度传输可以以任何角度传输只能在一定角度只能在一定角度(15度度)内进行传输内进行传输安全机制安全机制具有完整安全机制具有完整安全机制安全性底安全性底移动性移动性可以在嵌入式系统移动时进行可以在嵌入式系统移动时进行传输传输需要在静止状态下进行需要在静止状态下进行传输传输传输速率传输速率1Mbps4Mbps价格价格5美元美元12美元美元USB（UniversalSerialBus）nIBM、Compaq、Nortel、NEC、

25、Intel以以及及Microsoft联合联合n距离距离5米，米，Hub30米米n树拓扑结构，树拓扑结构，127个点，个点，4线（线（2根电源线，根电源线，2根数据线）根数据线）n低速低速USB1.1，1.5MbpsnUSB2.0速率高达速率高达480Mbpsn支持热插拔和即插即用支持热插拔和即插即用IEEE1394n起源于起源于APPLE公司公司1986年提出的年提出的FireWirenMPU与多媒体设备连接接口与多媒体设备连接接口n20400Mbps，高速串行总线，高速串行总线nP1394b1.6Gbps,100米米n支持支持63个器件，长度个器件，长度4.5米米n热插拔，即插即用热插拔，即插即用nSony：iLink；TI：LynxnApple：FireWire2007 ZTE Corporation结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！58