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1、1,祝崇今电子科技大学电子工程学院,EMAIL: Office:(清水河)科B526,2,计算机是什么,3,后PC时代：通用计算机、嵌入式计算机,计算机的分类,4,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。 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。,嵌入式(计算机)系统,5,无所不在的计算(普适计算),6,7,8,9,1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师Ecke
2、rt领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机ENIAC 。 著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现了冯诺依曼模式。 直至今天冯诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。,计算机的体系结构,10,计算机的组成(1),11,同步数字系统,计算机的组成(2),12,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,计算机专业课程,13,考核方式,考核方式：有限开卷 成绩构成
3、 平时成绩：10 实验成绩：15 期中考试：15 期末考试：60,14,教材,微处理器系统结构及嵌入式系统设计，李广军等，电子工业出版社，2009.8,微处理器系统结构及嵌入式系统设计，李广军等，电子工业出版社（第2版），20011.8,15,参考书目,郭新房等译. Stephen D. Burd著. 系统体系结构（第5版），清华大学出版社，2007年 张晨曦、王志英等编著. 计算机系统结构，高等教育出版社，2008年 潘松，潘明编著. 现代计算机组成原理，科学出版社，2007年 张昆藏等译. William Stallings著. 计算机组织与体系结构-性能设计（第七版），清华大学出版社，2
4、006年 杜春雷编著. ARM体系结构与编程，清华大学出版社，2007年 任哲等编著. ARM体系结构及其嵌入式处理器，北京航空航天大学出版社，2007,16,学时分配,课堂教学：64学时 概述（2学时） 计算机系统组成与工作原理（10学时） 微处理器体系结构及关键技术（6学时） 总线技术与总线标准（6学时） 存储器系统（8学时） 输入/输出接口（8学时） ARM微处理器编程模型（4学时） ARM汇编指令（4学时） ARM程序设计（4学时） 基于ARM微处理器的硬件系统设计（5学时） 基于ARM微处理器的软件系统设计（5学时） 基于ARM微处理器核的SoC设计（2学时）,17,学时分配,实验：
5、16学时 基于ARM的嵌入式Linux开发环境建立 ARM平台下多线程应用程序设计实验 基于ARM的SCI/SPI串行通讯实验 基于ARM的触摸屏驱动程序设计实验 基于ARM的AC97音频驱动及应用实验 多平台兼容的ARM9硬件开发环境搭建 基于ARM的模块方式驱动程序设计实验 基于ARM的SD卡读写及文件系统设计实验 基于ARM的USB OTG接口实验 基于ARM的GPRS通讯实验 基于ARM的以太网通讯实验 基于ARM的无线传感器网络实验,18,实验设备,19,课程简介,是电子类专业最重要的专业基础课程之一，研究微处理器系统结构及嵌入式系统原理及设计方法 前修课程：数字逻辑电路设计，计算机
6、技术基础 后修课程：嵌入式系统，工业控制 课程目标：理解微处理器系统结构、工作原理，具备初步设计微处理器硬件系统、编写较简单程序的能力，熟悉使用微处理器系统的设计开发工具 课程主要内容 微处理器芯片结构、模块功能及作用 微处理器系统结构及工作原理 微处理器系统接口 ARM指令系统及编程 嵌入式系统设计,20,第一章 概述,第一章概述,1.1 计算机发展概述（了解） 电子计算机发展概述 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(Stream Processor) PIM
7、(Processor In Memory) 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,21,22,现代信息科学的六大组成部分,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， 计算机在信息的后五部分都起到关键作用 计算机的发展一直和数字电路设计的发展相辅相成，互相促进 从计算机学科的角度分析，嵌入式系统在一定程度上代表了未来计算机发展的方向,23,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
8、果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半； 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,24,1.1计算机发展概述机械式计算机的启蒙时代,公元前3000年，中国古代使用珠子计数 后来发明算盘,25,中世纪（1822）,Charles Babbage (1791-1871）出生于英国，父亲是银行家 提出分析引擎的设计，用于差分运算,difference engine,26,分析引擎照片,Difference Engine Number 2 4,000个部件 7英尺高, 11英尺长, 18英
9、寸厚 500,000磅重,analytical engine, 1834,27,1.1.1 电子计算机发展概述,美国发明家佛斯特（Lee de Forest）于1906年发明了电子管 1909年起，BELL实验室相继发明电子管收音机、电子管录放机、电子管电视机、唱片机、无线电发报机 1920年在美国宾夕法尼亚大学摩尔电子工程学院开始研究大规模数字计算机 1943年Mauchly and Eckert 等给美国军方建议研制数字积分器，每秒能计算一个轨道参数 1943年5月， ENIAC开始设计， 1944年初，提出程序存储的概念 1944年7月，2个累加器正常工作 1945年春，ENIAC研制成
10、功,累加器：28个真空管,1电子管时代,28,ENIAC,18,000电子管 1500个继电器 70,000电阻 5M个焊点 占地1,800平方英尺 功率180,000瓦 重量30吨 运算速度5000次/秒,29,ENIAC,30,英国 Manchester Mark I (1948),开发成功固体电子存储器 程序存储 存储器：32字32位 1949年10月全部完成,31,EDSAC,英国剑桥，1945年,32,2晶体管(transistor)时代,1947年12月，肖克莱、巴丁和布拉顿 锗点接触型晶体管 1950年面结型硅晶体管 1953年半导体材料区域提纯 1958年第一块集成电路 德克萨
11、斯仪器公司(TI) - Ge IC 仙童公司(Fairchild) - Si IC 1960年MOS场效应管,33,第一个点接触型锗晶体管,巴丁(左)肖克莱(中)布拉顿,1947年12月，3人研制出点接触型晶体管,1948年1月肖构思了面结型晶体管，直到1950年4月研制成功,34,第一台集成电路的计算机IBM360(第三代),1964年4月，IBM研制第一台采用集成电路的计算机，兼顾科学计算和事务处理,35,中、小规模集成电路计算机,第三代计算机是中、小规模集成电路计算机时代，它是以集成电路作为基础元件，这是微电子与计算机技术相结合的一大突破，并且有了操作系统。,36,INTEL4004,1
12、971.11.15 集成2250个元件 第1个微处理器,37,INTEL8008,1972.4 集成了3500 第1个8位微处理器,38,集成度的迅猛发展,半导体技术发展的事实像Moore定律所预言的一样，科学家和工程师解决了一个又一个的技术障碍，使MOS工艺每隔几年现款就缩小二分之一 计算机进入是大规模集成电路(Large Scale Integration)和超大规模集成电路(VLSI)时代，软件方面发展了数据库系统，分布式操作系统，网络软件等,39,集成度的迅猛发展,40,INTEL处理器,处理器时间 宽度 存储器 速度MIPS 4004197141K 80081972816K 8080
13、1974864K 8088198081M.33 802861982161M3 803861985324G11 804861989324G41 Pentium 1993 64 4G 111 ,41,奔腾系列处理器,奔腾处理器1994,100 MHz, 3.3V,集成3M 元件 奔腾II:1997.5.7, 266 MHz, 3.3V,集成7.5M个元件,42,Intel Pentium (IV) Microprocessor:1999,1.2 GHz, 1.8V,42M Components,43,Intel core i7 四核处理器,44,新型的计算机,生物计算机 模糊计算机 光计算机 量子
14、计算机 超导计算机 ,思考：还有哪些公司的什么处理器和计算机？请举例说明,计算机发展 过程示意图,1.1.2 普适计算与泛在通信,普适计算（Ubiquitous computing）：,45,小型、便宜、网络化的处理设备广泛分布在日常生活的各个场所，计算设备将不只依赖命令行、图形界面进行人机交互，而更依赖“自然”的交互方式,泛在通信(无所不在的计算机),46,无线传感器网络,47,物联网技术,48,物联网技术,49,50,1.2 集成电路与SoC设计,美国德州仪器 杰克，基尔比（Jack,Kilby）,1958年9月，集成了5个元件，锗材料，相移振荡器,第一块集成电路,1.2.1集成电路技术的
15、发展,51,第一块集成电路,1959年7月，美国仙童公司诺伊斯(Robert Royce) 二氧化硅屏蔽的扩散技术和PN结的隔离技术，硅平面上的集成电路，更具商业化 都申请了专利，且诺伊斯的先批准，都认为是集成电路的发明者,Robert Royce,集成电路工艺,52,1.2.2 基于IP的SOC设计,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,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,54,1.3 先进的处理器技术,多核处理器,55,56,多核处理器并行结构,提高计算
16、机性能的方法 提高时钟频率，以加快CPU的执行速度 流水线技术 并行处理技术 计算机系统模型 单指令单数据SISD 单指令多数据SIMD 多指令单数据MISD 多指令多数据MIMD 多处理器组织方式 对称多处理机(Symmetric MultiProcessor，SMP) 机群系统(cluster),57,用单总线连接的多处理器,58,通过网络连接的多处理器,59,片内多处理器和多线程技术,多个微处理器通过互连网络连接共享的一种替代方式是片内处理器 在这种设计中，处理器通常共享一些高速缓存和外部内存接口。很明显，当所有的部件都在同一芯片上时，芯片间通信的延迟就会小得多,60,1.4 嵌入式系统,嵌入式系统或嵌入式计算机系统，是专用的计算机系统，随着技术的发展，嵌入式系统无处不在 .,61,按应用来分类,信息家电类,移动终端类,通信类,汽车电子类,工业控制类,62,一、嵌入式系统的概念,IEEE定义:嵌入式系统(embeded system)是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”(devices
