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1、自动化工程学院杨峰Email fyang Mobile 13308176262 2020 5 14 1 53 微处理器系统结构与嵌入式系统设计 第一章概述 计算机的应用形式通用计算机与嵌入计算机普适计算与泛在通信半导体技术与计算机的发展机械式计算机 电子式计算机SoC NoC嵌入式 计算机 系统概念 特点 组成 发展趋势课程体系介绍 2020 5 14 2 53 计算机是什么 2020 5 14 3 53 计算机的分类 后PC时代 通用计算机 嵌入式计算机 2020 5 14 4 53 嵌入式 计算机 系统 嵌入式系统是一门交叉学科 涉及计算机 微电子 网络 通信 信号处理 传感器等诸多领域
2、随着现代微电子技术 微机电系统MEMS 片上系统SoC 纳米材料 无线通信技术 信号处理技术 计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展 嵌入式系统向集成化 微型化 智能化 网络化方向发展 2020 5 14 5 53 普适计算 无所不在的计算机 2020 5 14 6 53 泛在通信 无所不在的通信 2020 5 14 7 53 物联网技术 2020 5 14 8 53 物联网技术 2020 5 14 9 53 IT行业的四大定律 Moore定律微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番Bell定律如果保持计算能力不变 微处理器的价格每18个月减少一半 每10年会有一类新的计算设备诞生 巨型机
3、小型机 工作站 PC到PDA的演变 新一代计算设备 Gilder定律未来25年 1996年预言 里 主干网的带宽将每6个月增加一倍 Metcalfe定律网络价值同网络用户数的平方成正比 2020 5 14 10 53 计算机技术的发展 微电子技术计算机技术通信技术 2020 5 14 11 53 节能Powersavings数字生活Digitallife泛在传感器网络UbiquitousSensorNetworks USN 高性能视频会议High PerformanceVideoConferencing数字安全Sybersecurity下一代网络及功效Next GenerationNetwor
4、ksandEnergyEfficiency远距离协作工具RemoteCollaborationTools智能传送网IntelligentTransportSystems ITS ITU T近年关注的热门话题 信息的生成 获取 存储 传输 处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分 2020 5 14 12 53 机械式计算机的发展 2020 5 14 13 53 机械式计算机的发展 2020 5 14 14 53 电子技术和半导体技术的诞生 电子管 vacuumtube 时代 晶体管 transistor 时代第一个晶体管的诞生 2020 5 14 15 53 第一代电子管计算机ENIAC 20
5、20 5 14 16 53 第一台存储程序计算机EDSAC 2020 5 14 17 53 从分立到集成 第一块IC诞生之后 基尔比在IRE 美国无线电工程师学会 的一次会议上宣布了 固体电路 Solidcircuit 的出现 这就是以后的 集成电路 的代名词 2020 5 14 18 53 集成度迅猛发展 2020 5 14 19 53 GordonMoore Intel的创始人之一 IC技术 SSI MSI LSI VLSI ULSI GLSI 晶圆尺寸 100mm 125mm 150mm 200mm 300mm 400mm 特征尺寸 3 m 2 m 1 2 m 0 8 m 0 5 m 0
6、 35 m 0 25 m 0 18 m 0 13 m 90nm 65nm 45nm IntelCorei7四核处理器 2020 5 14 21 53 系统级芯片 SOC 技术 软硬件协同设计设计及验证技术IP核生成和复用技术超深亚微米工艺及纳米IC设计技术 2020 5 14 22 53 片上网络 NOC 技术 P处理器M存储器C缓存rni网络接口S交换开关Dsp核re可重构逻辑L专用逻辑 2020 5 14 23 53 计算机发展的主要阶段 第零代 1642 1945年 机械计算器和继电器计算器第一代 1946 1955年 电子管计算机以电子管为逻辑部件 以阴极射线管 磁芯和磁鼓等为存储手段
7、 软件采用机器语言 后期采用汇编语言 第二代 1955 1965年 晶体管计算机以晶体管为逻辑部件 内存用磁芯 外存用磁盘 软件广泛采用高级语言 并出现了早期的操作系统 第三代 1965 1980年 集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件 内存用磁芯 半导体 外存用磁盘 软件广泛使用操作系统 产生了分时 实时等操作系统和计算机网络第四代 1980年至今 个人计算机以LSI VLSI为主要部件 以半导体存储器和磁盘为内 外存储器 在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想 网络操作系统 数据库管理系统得到广泛应用 微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展 第五代无所不
8、在的计算机生物计算机 模糊计算机 光计算机 量子计算机 超导计算机 2020 5 14 24 53 2020 5 14 25 53 嵌入式 计算机 系统 2020 5 14 26 53 嵌入式系统的定义 IEEE定义devicesusedtocontrol monitor orassisttheoperationequipment machineryorplants国内普遍认同的定义以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统 芯片级 MCU SoC 板级 单板 模块 设备级 工控机 EmbeddedSystemEmbeddedComputerSystemEmbeddedReal timeSys
9、temEmbeddedDevice 2020 5 14 27 53 以应用为中心软 硬件可裁剪对体积 功耗 实时性 可靠性 功能 成本等有严格约束 嵌入式系统的特点 2020 5 14 28 53 硬件 软件 开发系统 嵌入式处理器 存储器系统 外部接口 EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC 程序ROM数据RAM参数EEPROMNVRAM 并行接口串行接口音视频接口网络接口 嵌入式操作系统 应用软件 VxWorks c OSWindowsCE嵌入式Linux 编译器链接器调试器 集成软件环境 硬件工具 仿真器编程器在线调试工具 外围设备 键盘LCD存储设备音频设备专用设备 嵌入式系统的组
10、成 2020 5 14 29 53 嵌入式 计算机 系统 2020 5 14 30 53 2020 5 14 31 53 2020 5 14 32 53 2020 5 14 33 53 嵌入式系统的发展趋势 网络化 支持分布式计算可编程 可在线更新集成度提高 SoC NoC开发平台的完备化友好的人机界面 34 32 34 30 2020 5 14 34 53 计算机专业系列课程 核心 系统架构 软件基础 本课程涉及主要内容 计算机体系结构与组成原理 微处理器系统结构 嵌入式系统设计技术 硬件基础 2020 5 14 35 53 相关知识及课程 数字逻辑设计 先修 EDA设计技术数模混合IC设计
11、技术汇编语言程序设计C语言程序设计计算机组成原理与系统结构嵌入式系统设计嵌入式操作系统 2020 5 14 36 53 教材及推荐参考书 微处理器系统结构及嵌入式系统设计 第二版 李广军等 电子工业出版社 2010嵌入式系统原理及技术杨峰等 科学出版社 2014系统体系结构 第5版 郭新房等译 StephenD B 著 清华大学出版社 2007计算机系统结构张晨曦等 高等教育出版社 2008现代计算机组成原理潘松等 科学出版社 2007ARM体系结构与编程杜春雷 清华大学出版社 2007 2020 5 14 37 53 2020 5 14 38 53 2020 5 14 39 53 教学进度及
12、考核安排 第一章 概述3 4课时第二章 计算机系统的结构组成与工作原理6 7课时第三章 微处理器体系结构及关键技术6 7课时第四章 总线技术与总线标准7 8课时第五章 存储器系统8 9课时第六章 输入 输出接口6 7课时第七章 ARM微处理器编程模型4课时第八章 ARM汇编指令4 5课时第九章 ARM程序设计4 5课时第十章 基于ARM微处理器的硬件系统设计3课时第十一章 基于ARM微处理器的软件系统设计3课时第十二章 基于ARM微处理器核的SOC设计2课时上课64学时 包括习题课 实验16学时考核方式 平时10 实验15 期中15 期末60 第一章概述 1 1计算机发展概述 了解 电子计算机
13、发展概述普适计算与泛在通信1 2集成电路与SoC设计 理解 集成电路技术的发展基于IP的SoC设计1 3先进的处理器技术 了解 片上多核处理器 CMP 流处理器 StreamProcessor PIM ProcessorInMemory 可重构计算处理器1 4嵌入式系统 了解 嵌入式系统的概念嵌入式系统的特点嵌入式系统中的处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统的发展现状与趋势学习嵌入式系统的意义 第二章计算机系统的结构组成与工作原理 2 1计算机系统的基本结构与组成 掌握 计算机系统的层次模型计算机系统的结构 组织与实现2 2计算机系统的工作原理 掌握 冯 诺依曼计算机架构模型机系统结构模型机指令集
14、模型机工作流程2 3微处理器体系结构的改进 理解 冯 诺依曼结构的改进并行技术的发展流水线结构超标量与超长指令字结构多机与多核结构2 4计算机体系结构分类 理解 2 5计算机性能评测 掌握 字长 存储容量 运算速度 第三章微处理器体系结构及关键技术 3 1微处理器体系结构及功能模块简介处理器的主要功能及部件 掌握 处理器的基本功能结构 掌握 一个简化的处理器模型结构示例 理解 3 2处理器设计 理解 处理器的设计步骤控制器的操作与功能随机逻辑控制器设计微程序 微码 控制器结构及设计寄存器组 registerfile 设计3 3指令系统设计 掌握 机器指令的组成指令格式指令类型寻址方式指令系统设
15、计要点3 4指令流水线技术流水线技术的特点 掌握 流水线操作的详细说明 掌握 流水线的局限性 理解 指令流水线设计 理解 3 5典型微处理体系结构简介 理解 ARM体系结构简介Intelx86体系结构简介 第四章总线技术与总线标准 4 1总线技术 掌握 总线技术概述总线仲裁总线操作与时序4 2总线标准 理解 片内AMBA总线PCI系统总线异步串行通信总线 第五章存储器系统 5 1存储器件的分类 掌握 按存储介质分类按读写策略分类5 2半导体存储芯片的基本结构与性能指标 掌握 随机存取存储器只读存储器存储器芯片的性能指标5 3存储系统的层次结构 掌握 存储系统的分层管理虚拟存储器与地址映射现代计
16、算机的多层次存储体系5 4主存储器设计技术 掌握 存储芯片选型存储芯片的组织形式地址译码技术存储器接口设计设计 第六章输入输出接口 6 1输入 输出接口基础 掌握 输入 输出接口功能与结构输入 输出端口编址6 2接口地址译码 掌握 6 3接口信息传输方式 掌握 程序查询传输方式程序中断传输方式直接存储器访问 DMA 方式通道方式6 4并行接口 掌握 无握手信号并行接口带握手信号的并行接口可编程并行接口6 5串行接口 理解 同步串行接口异步串行接口 第七章ARM微处理器编程模型 7 1ARM内核体系结构 了解 ARM体系结构版本ARM内核简介7 2ARM编程模型 理解 处理器工作状态处理器运行模式寄存器组织数据类型和储存格式异常 第八章ARM汇编指令 8 1ARM指令格式 掌握 ARM指令的一般编码格式ARM指令的条件域指令的第二源操作数8 2ARM寻址方式 掌握 立即寻址寄存器直接寻址寄存器移位寻址寄存器间接寻址基址变址寻址多寄存器直接寻址相对寻址堆栈寻址8 3ARM指令集 掌握 数据处理指令转移指令程序状态寄存器访问指令加载 存储指令异常产生指令伪指令 第九章ARM程序设计 9 1A
