浙江大学嵌入式嵌入式系统2共151页.pptx
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1、1嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的灵魂,掌控着所有硬件的操作模式。通过优异的操作系统以及应用程序,把硬件功能发挥到及至。如人的手、脚、头脑及感觉神经等部位,掌控了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和扩展功能等。第1页/共151页21 嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的发展初期的划分:一般用途型(仅包含单纯的CPU)单片机控制器型(将CPU、ROM、RAM、I/O做在一芯片上)第2页/共151页3以处理器的位数来划分4 4位位位位8 8位位位位1616位位位位3232位位位位6464位位位位单片机型单片机型单片机型单片机型TMS1000TMS1000COPSCOPS8048/49/50
2、8048/49/508051/528051/526801/04/05 6801/04/05 Z8Z88096/978096/976820068200ARM ARM RISC RISC CORECOREMIPS 32 MIPS 32 CORECOREMIPS 64 MIPS 64 CORECORE一般用途一般用途一般用途一般用途型型型型40044004404040408085 68098085 6809Z80 6502 Z80 6502 680268028086 8086 802868028680186 80186 Z8000Z800080386 80386 80486 80486 68000/
3、10/68000/10/20/30/4020/30/40Pentium Pentium II/IIIII/III第3页/共151页4不同等级的处理器应用:嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器应用产品应用产品应用产品应用产品4 4位位位位遥控器遥控器遥控器遥控器 相机相机相机相机 防盗器防盗器防盗器防盗器 玩具玩具玩具玩具 简易计量表等简易计量表等简易计量表等简易计量表等8 8位位位位电视游戏机电视游戏机电视游戏机电视游戏机 空调空调空调空调 传真机传真机传真机传真机 电话录音电话录音电话录音电话录音1616位位位位手机手机手机手机 摄象机摄象机摄象机摄象机 录象机录象机录象机录象机
4、 各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用3232位位位位MODEM MODEM 掌上电脑掌上电脑掌上电脑掌上电脑 路由器路由器路由器路由器 数码相机数码相机数码相机数码相机 GPRS GPRS 网络家庭网络家庭网络家庭网络家庭6464位位位位高级工作站高级工作站高级工作站高级工作站 新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机 各种多媒体各种多媒体各种多媒体各种多媒体应用应用应用应用第4页/共151页51.1 四位及八位嵌入式系统微处理器四位及八位嵌入式系统微处理器第5页/共151页61.2 16位以上嵌入式系统微处理器位以上嵌入式系统微处理器第6页/共151页7
5、1.3 协处理器(协处理器(Co-processor)Intel推出的协处理器及其搭配的X86架构微处理器名微处理器名微处理器名微处理器名协处理器名协处理器名协处理器名协处理器名Intel 8080Intel 8080Intel 8087Intel 8087Intel 80286Intel 80286Intel 80287Intel 80287Intel 80386SXIntel 80386SXIntel 80387Intel 80387Intel 80486SXIntel 80486SXIntel 80487Intel 80487第7页/共151页81.4 RISC和和CISC 计算机自40
6、年代中叶问世以来,其体系结构的发展经历了:简单复杂极其复杂简单复杂极其复杂第8页/共151页9CISC计算机计算机复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer背景:存储资源紧缺,强调编译优化增强指令功能,设置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指令系统来实现。第9页/共151页10CISC的特点的特点 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。第10页/共
7、151页11CISCCISC的主要缺点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第11页/共151页12RISC基本设计思想基本设计思想减小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_
8、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第12页/共151页13RISCRISC精华精华:减少指令平均执行周期数减少指令平均执行周期数CPUtime=IC*CPI*CCICRISC IC CISC,30%-40%CCRISC CCCISC,CPIR IS C C P ICI S C 差距在缩小超标量、超流水线、VLIW等系统结构,目标在于减小CPI,可使CPI1第13页/共151页14RISC的提出与发展的提出与发展Load/Store结构提出:CDC6600(1963)-C
9、RAY1(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)第14页/共151页15高性能高性能RISC处理器典型处理器典型SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公
10、司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机 第15页/共151页161.5 数字信号处理器数字信号处理器(DSP)乘法与加法运算离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换(DCT)Finite Impluse ResponesFilter第16页/共151页17 Process ability Process ability New Applications New Applications19751975198019801985198519901990201920192000200010,00010,0001,0001,0001010100100
11、1 10.10.1MIPSMIPS808680868086PentiumPentium IV IV IV 802868028680286i386i386i386i486i486i486PentiumPentiumPentium PentiumPentium II IIIIPentiumPentium IIIIIIIII第17页/共151页182 嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SoC)SoC-System on ChipCPU+DSP+USB+TCP/IP+GPRS+GSM+IEEE1394+BLUETOOCH+SOC的优点:改变内部工作电压,减少功耗减少芯片对外管脚数,简化制造过程减少外围驱动
12、与电路板之间的信号传递,提高速度内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰第18页/共151页192.1 SOC的设计开发的设计开发第19页/共151页20SOC System on Chip简介简介从狭义角度讲,它是信息系统的芯片集成,是将系统集成在一块芯片上从广义角度讲,SoC就是一个微小型系统 SoC不是各个芯片功能的简单叠加,而是从整个系统的功能和性能出发,用软硬结合的设计和验证方法,利用IP复用及深亚微米技术,在一个芯片上实现复杂的功能 SoC是ASIC(Application Specific Integrated Circuits)设计方法学中的新技术 第20页/共151
13、页21SoC 是市场和技术共同推动的结果是市场和技术共同推动的结果 从市场层面上看,人们对集成系统的需求也在提高 据预测,SoC 销售额将从2019 年的136亿美元,增长到2019 年的347 亿美元,年增长率超过20%。从技术层面上看,以下几个方面推动了SoC 技术的发展微电子技术的不断创新和发展 计算机性能的大幅度提高 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高硬件描述语言的发展 第21页/共151页22SoC 芯片设计中芯片设计中 的的IP 模块模块 SoC 的设计基础是IP(Intellectual Property)复用技术。已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中调用这些可
14、以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模块 IP 模块是一种预先设计好,已经过验证,具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有3 种不同形式:软IP 核(soft IP core)、固IP 核(firm IP core)和硬IP 核(hard IP core)第22页/共151页23SoC的发展重点的发展重点 总线结构及互连技术 软、硬件的协同设计技术 IP可重用技术 低功耗设计技术 可测性设计方法学 超深亚微米实现技术 第23页/共151页24SoC具有的优势具有的优势 降低耗电量:随电子产品向小型化、便携化发展,对其省电需求将大幅提升,由于SoC 产品多采用内部讯号的传输,可以大幅降低功耗
15、。减少体积:数颗IC 整合为一颗SoC 后,可有效缩小电路板上占用的面积,达到重量轻、体积小的特色。丰富系统功能:随微电子技术的发展,在相同的内部空间内,SoC 可整合更多的功能元件和组件,丰富系统功能。提高速度:随着芯片内部信号传递距离的缩短,信号的传输效率将提升,而使产品性能有所提高。节省成本:理论上,IP 模块的出现可以减少研发成本,降低研发时间,可适度节省成本。不过,在实际应用中,由于芯片结构的复杂性增强,也有可能导致测试成本增加,及生产成品率下降。第24页/共151页253 整和型嵌入式处理器整和型嵌入式处理器目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大类ARMMIPSPOWER P
16、CX86SH系列 第25页/共151页26第26页/共151页273.1 ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族第27页/共151页28第28页/共151页293.2 Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111第29页/共151页30第30页/共151页313.3 德州仪器德州仪器TMS320 DSP处理器处理器TMS320C5X DSP家族TMS320C6X DSP家族第31页/共151页323.4 Philip
17、s公司的公司的Trimedia第32页/共151页333.5德州仪器德州仪器OMAP处理器处理器第33页/共151页343.6 INTEL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第34页/共151页35第35页/共151页36Thin ClientsThin ClientsNetwork DevicesNetwork DevicesOffice
18、 Office AutomationAutomationKiosk/ATMKiosk/ATMGame PlatformsGame PlatformsIndustrialIndustrialAutomationAutomationEmbedded DevicesRetail POSRetail POSSet-Top-BoxSet-Top-BoxGateway/Media StoreGateway/Media StoreIntel ArchitectureIntel XScale第36页/共151页373.7 MIPS RISC第37页/共151页38第38页/共151页39从1986年推出R20
19、00处理器以来,陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的战略发生变化,把重点放在嵌入式系统。2019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。第39页/共151页40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SmartM
20、IPS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;Pro Series系列则通过特有的CorExtend技术,使得SOC设计获得了空前的灵活性;24K系列除了支持CorExtend技术以外,还为Java和图形应用做了特别的优化。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。第40页/共151页41第41页/共151页42在嵌入式处理器市场中,基于MIPS内核的处理器占
21、据了相当大的数量2019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,SONY等众多厂商第42页/共151页433.8 Motorola的的DragonBall VZ 第43页/共151页443.9 Alchemy处理器处理器 AMD公司在收购了Alchemy Semiconductor Inc.之后,推出了一系列的基于MIPS体系结构的Alchemy处理器用途:便携式设备、VoIP设备
22、、NAS单元 AMD Alchemy处理器家族包括Au1000、Au1100、Au1500和Au1550等四款 第44页/共151页45第45页/共151页463.10 Power PC体系结构体系结构 Motorola半导体(现Freescale半导体)联合IBM以及苹果电脑 第46页/共151页47第47页/共151页483.11 X86体系结构体系结构 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 Geode GX DB533,采用Geode 533的嵌入式硬件系统 第48页/共151页493.12 SH体系结构体系结构SH(SuperH)
23、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 第49页/共151页502019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
24、有较大的市场份额 第50页/共151页51第51页/共151页524 总线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第52页/共151页534.1 ISAIBM 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 Standard Architecture)总线。第53
25、页/共151页544.2 PCI1991 年下半年,Intel 公司首先提出了PCI 的概念。并联合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第54页/共151页554.3 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 IC 总线)第55页/共151页564.4 PC104PC104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
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