硬件基础(第二次课)

《硬件基础(第二次课)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《硬件基础(第二次课)（98页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、2C H A P T E R嵌入式硬件基础本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核 心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线 、通信接口和输入/输出设备组成。嵌入式处理器存储器总线通信接口输入输出设备电源及辅助设备本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例n按指令集分：CISC：复杂指令集 （Complex Instruction Set Computer）RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)EPIC：并行指令集 VLIW：超长指

2、令集n按体系结构分：冯诺依曼体系结构 哈佛体系结构嵌入式处理器分类CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令种类多，指令长度可变RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单CISC的背景和特点 背景: n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n存储资源紧缺, 为节省存储空间，强调 高代码密度，指令格式不固

3、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CISC的主要缺点n指令使用频度不均衡。n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。n大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺nVLSI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)。n软硬功能分配n复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长 。n不利于先进指令级并行技术的采用n流水线技术RISC基本设计思想n减小指令执行周期n减少指令种类n采用硬接线控制代

4、替微程序控制n针对流水线化的处理器优化RISC的提出与发展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: MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)CISC与RISC的对比(1)（1）指令系统：RISC 设计者把主要精力放在常用指令上 ，使它们有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组 合指令来完成。因此，在RISC机器上实现

5、特殊功能时，效 率较低。而CISC 指令系统比较丰富，有专用指来完成特定 的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2）存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简 单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大内存空间， 实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程 序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对 容易，效率较高。CISC与RISC的对比(2)（4）中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中 断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。（5）CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路

6、，因而面积小、功 耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积 大、功耗大。（6）设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周 期短；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。（7）用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容 易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现 特殊功能容易。（8）应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域 有关，故RISC更适合于专用机；而CISC则更适合于通用机。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

7、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地址指令地址数据哈佛结构是不同于冯。诺依曼结构的一种并行体系结构，特点是程 序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址、独立访问 。与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线）， 使数据吞吐量大大提高。 嵌入式处理器有许多不同的体系，在 同一体系中又可能具有不同的时钟速 度和总线数据宽度、集成不同的外部 接口和设备。 据不完全统计，目前嵌入式处理器的 品种总量已超过千种，流行体系结构 有30多个系列、主流的体系有ARM、 MIPS、PowerPC、X

8、86、SH等。n调查市场上已有的CPU 供应商；n处理器的处理速度； n技术指标； n处理器的低功耗； n处理器的软件支持工具； n处理器是否内置调试工具； n处理器供应商是否提供评估板； 嵌入式处理器的选择本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统外围电路 存储器 总线 通信接口 输入/输出设备 电源及辅助设备存储器 按存储介质分 半导体存储器、磁存储器、光存储器； 按存取方式分 n随机存储器（RAM）：静态存储器（SRAM）、 动态存 储器（DRAM）。n只读存储器（ROM）： ROM、PROM、EPROM和 EEPROMn串行访问存储器（

9、SAM）：磁带、光盘 按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器、永久记忆性存储器； 按在计算机系统中的作用分 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、闪烁存储器等。存储器分类RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM ：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）DRAM需要周期性刷新闪速存储器(FLASH) n相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电 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 集成度更高，制造成本低于DRAM n它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较 快的访问速度，又具有R

10、OM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 十分迅速 RAM总线总线n总线是把处理器与存储器、I/O设备相连接的 信息通道；n总线是数据、地址和控制信息的公共通路；n总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含 相应的通信协议。总线总线总线总线典型PC总线总线PC总线分类(1) 片内总线 局部总线 内部总线 系统总线 外部总线 现场总线PC总线分类总线系统总线(1) PC总线 ISA总线、EISA总线 PCI总线 PCIExpress(PCI-E)、HyperTransport 工业：STD总线、 VME总线、PC/104 总线、Compact PCI（CPCI）总线。总线系统总线(

11、2)ISA总线nIBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。n1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机PC/AT， 其总线称为AT 总线。n为了能够合理地开发外插接口卡，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。总线系统总线(2)ISA 总线的主要性能指标如下：n（1） I/O 地址空间0100H-03FFHn（2） 24 位地址线可直接寻址的内存容量为16MBn（3） 8/1

12、6 位数据线n（4） 62+36 引脚n（5） 最大位宽16 位(bit)n（6） 最高时钟频率8MHzn（7） 最大稳态传输率16MB/sn（8） 中断功能n（9） DMA 通道功能n（10） 开放式总线结构，允许多个CPU 共享系统资源总线系统总线(3)PCI总线n1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。nIntel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。

13、nPCI 有32 位和64 位两种，32位PCI 有124 引 脚，64 位有188 引脚，目前常用的是32 位 PCI。32 位PCI 的数据传输率为133MBs，大 大高于ISA。总线系统总线(3)PCI 总线的主要性能指标如下：n（1) 支持10 台外设n（2） 总线时钟频率33.3MHz/66MHzn（3） 最大数据传输速率133MB/sn（4） 时钟同步方式n（5） 与CPU 及时钟频率无关n（6） 总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V）n（7） 能自动识别外设总线系统总线(3)PC104总线nPC104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I

14、EEE-P996。nPC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对 应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应。n8 位PC104 共有64 个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1 ：64 针，P2：40 针，合计104 个总线信号，PC104 因此得 名。当8 位模块和16 位模块连接时，16 位模块必须在8 位 模块得下面。P2 总线连结在8-位元模块中是可选的。nPC104PLUS 与PC104 相比有以下3 个特点：n（1） 相对PC/104 连接，增加了第三个连结接口支持PCI 总线n（2） 改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性n（3） 加入了控制逻辑单元

15、，以满足高速总线的需求总线I2C总线nPHILIPS公司开发，一种用于内部IC控制的简单的 双向两线串行总线，负责IC相互之间以及与外界的 通信。n早期模式n100Kbits/s，7位寻址n快速模式n400Kbits/s，10位寻址n高速模式n3.4Mbits/s，10位寻址总线外部总线(1)I2S总线nPHILIPS公司开发，一种为数字音频设备之 间的音频数据传输而制定的一种总线标准。SPI总线n串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术 是Motorola 公司推出的一种同步串行接口。nSPI 总线是一种三线(时钟、数据输出、数据输入）同步总

16、线，硬件功能很强，软件简单；nSPI 是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送 的速率由主机编程决定；n系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：n（1） 一台主机MCU 和若干台从机MCU。n（2） 多台MCU 互相连接成一个多主机系统。n（3） 一台主机MCU 和若干台从机外围设备。总线外部总线(2)总线现场总线CAN总线n全称为“Controller Area Network”，即控制器 局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国 际上应用最广泛的现场总线之一。nCAN 是一种多主方式的串行通讯总线n40米以内，1Mbps；10Km，50Kbps；理论上可 以支持无限多个设备n可靠性高，误码率为10-11n抗电磁干扰性强总线嵌入式系统总线(1)总线嵌入式系统总线(2)总线嵌入式系统总线(3)通信接口 并行口（Parallel Port) RS-232/RS485接口（串口UART） USB接口（通用串行