微机原理(单片机)第1章 第2节

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1、第二节 嵌入式系统的硬件介绍 1.2.1嵌入式系统微处理器的发展 一、嵌入式系统微处理器的分类与发展嵌入式系统微处理器在目前的嵌入式系 统硬件设计上占了很大的影响力，嵌入式系 统开发人员必须要从琳琅满目的嵌入式系统 微处理器中选择一个最适当的微处理器产品 作为嵌入式系统控制核心，才能够兼具低成 本、高效率的产品优势。以微处理器在单一指令内所能处理的位 数来衡量，嵌入式微处理器的发展可以分为 以下几个阶段。表1.2.1 以位数来对嵌入式系统微处理器分类 4位 8位 16位 32位 64位 嵌入式微处理器 （单片机型） TMS1000 COPS 8048/49/50 8051/52,Z86801/

2、04/05 8096/ 9768200 ARM RISC core MIPS 32Bits RISC core MIPS 64 Bits RISC core 嵌入式微处理器 （一般用途型） 4004， 4040 8085，Z80 6802 6809 6502 8086 80186 80286Z8000 80386 80486 68000/10/20/30/40 Pentium / 二、CISC和RISC 两种不同结构的微处理器：CISCComplex Instruction Set Computer 复杂指令集计算机RISCReduced Instruction Set Computer 精简

3、指令集计算机RISC与CISC相比具有如下特点：1) 使用相当少的指令类别及寻址方式2)在单一执行的周期内完成指令3) CPU中拥有更多的寄存器4) 使用最优的程序代码编译由于RISC架构的CPU的硬件设计单纯，成 本低廉、省电效益佳等特点，深受嵌入式系 统产品的欢迎。 三、数字信号处理器（DSP） 即Digital Signal Process是专门处理 数字信号数据的微处理器，基本上DSP是 针对特定的任务而发展的一种微处理器。 DSP最重要的是大量的即时运算功能； 最基本的运算功能是乘法与加法运算如： aibi 。DSP的内置硬件构架可以在很短 的时间内处理如离散傅立叶转换之类的复 杂的

4、加法和乘法问题。 1.2.2嵌入式应用的开发设计技术 一、嵌入式应用系统开发的特征 1.嵌入式应用常将性能要求放在第一位 2. 与通用计算机相比，嵌入式系统的软 、硬件更关注时间限制、性能约束和对 外交互等问题。即它不但要求满足功能要求，还要求 满足性能需求，甚至将性能需求放在第 一位。 2.性能要求体现在限定时间的约束或代码 大小的约束上，如： 一个处理算法能否满足严格的时间约束，是否需 要建造特殊的硬件来完成其任务？ OS能否满足高效的中断处理、多任务和通信的要 求？ 编程语言能否支持并发程序的设计，等等 3.结论：嵌入式系统的开发不仅要考虑软件的设 计，同时还要考虑硬件的设计，不但要考虑

5、 功能的设计，还要考虑性能的设计。 事实上，嵌入式系统的最大问题是设 计问题，而不是实现问题。 二. 嵌入式系统设计的3个层次 1.第一层次：以PCB CAD软件和ICE 为主 要工具的设计方法。 PCB CAD印制板计算机辅助设计软件和PROTEL 99ICE在线（联机）仿真器。 这是至今国内单片机应用系统开发人员一 直沿用的方法： 系系 统统 总总 体体 设设 计计选购通用元器件功能检验设计电气原理图设计PCB板图PCB板加工、焊接硬件调试模块划分流程(算法)设计编码软件联调联调联调“ “产品定型产品定型” ”硬件设计软件设计2.第二层次：以EDA工具软件和EOS为开发平 台的设计方法。

6、EDA电子设计自动化 EOS嵌入式实时操作系统 这是一种利用各种通用的可编程半定制逻 辑器件来设计和制作部分专用的大规模集成 电路（ASIC），然后将ASIC、可编程外围器 件、c或p在PCB板上布局、布线以构成 系统的设计方法。 其中关键是ASIC的开发与设计，即硬件设 计人员从过去选择和使用标准通用IC，逐步 转向自己设计和制作部分专用的IC器件。 作为ASIC基础的半定制逻辑器件经历了如 下发展过程： PLA可编程逻辑阵列；PAL可编程阵列逻辑；GAL通用阵列逻辑；CPLD复杂可编程逻辑器件；FPGA现场可编程门阵列。 发展的趋势是：集成度、速度不断提高 ；功能不断增强；结构更合理；使用

7、更方 便、灵活。 3.第三层次：以IP内核库为基础，用软、硬 件协同设计的设计方法。 *. IP（Intellectual Property 知识产权 ）内核模块是一种预先设计好的具有某种 确定功能的集成电路、器件或部件。 *. IP有三种不同的形式： (1)软IP内核（soft IP core）: 主要描述功能行为（behavior）提交 给用户的是经过行为级设计优化和功 能验证的HDL（硬件描述语言）文本。 亦称为虚拟器件。 (2)硬IP内核（firm IP core）： 基于物理（physical）描述并经过工艺验 证，是基于某种半导体工艺的物理设计， 提供给用户的是电路物理结构掩膜版图

8、和 全套工艺文件，即可以拿了就用的全套技 术。 (3)固IP内核（firm IP core）：完成结构（structure）描述，设计的 深度介于软IP内核和硬IP内核之间。提 供给用户的一般是门电路级网表。 软IP内核、固IP内核、硬IP内核相 当于集成电路（器件或部件）的毛坯 、半成品、成品。 常用的IP内核模块有： 各种CPU（如：32/64位CISC/RISC结构的CPU ）； 各种微控制器/单片机（8/16）； 32/64位DSP、DRAM、SRAM、EEPROM、 Flashmemory、A/D、D/A、USB、PCI、网络 单元、编译器、编码/解码器、模拟器件模 块等。 丰富的I

9、P内核模块库为快速地设计专用集 成电路和单片系统SOC（System On Chip）以 尽快占领市场提供了基本保证。 从20世纪90年代开始的，由“集成电路” 级设计不断转向“集成系统”级设计，目前 已进入SOC设计阶段。 SOC的设计方法不是把系统所需要的所有的 集成电路简单地二次集成到1个芯片上，这样 实现的系统是不可能达到SOC所要求的高密度 、高速度、高性能、小体积、低电压、低功 耗等指标的。 一个最有效的途径（高速、高可靠性）便 是通过授权使用成熟优化的IP内核模块来进 行设计集成和二次开发。 4.三个层次的设计方法并行存在，各有应用 范围，不会简单地用后者取代前者。 初级应用设计

10、人员会以第一种方法为主 ，富有经验和一定条件的设计人员会以第二 种方法为主；很专业且具有相当条件的设计 人员会以第三种方法进行简单的SOC的设计 和应用。但所有的设计人员都可以应用大厂 商推出的用第三种方法设计的专用SOC。 复杂的SOC只有那些有相当的能力和实力 的半导体大厂商才能设计和实现。 如：TI、philips、WINBOND和Atmel等厂 商就是通过Intel授权，用其MCS-51的IP内 核模块结合自己的特长，开发出有个性的与 Intel MCS-51兼容的单片机，如：P80CL51 、AT89C51、AT89C2051、 9058515 、 W78E516等。 1.2.3 S

11、OC嵌入式微处理 器 一. 定义 SOC（System On Chip）嵌入式微处 理器，顾名思义，是单个芯片上构成 的系统，它结合了许多功能模块，做 在一个芯片上。例如：DSP微处理器 加通信接口单元（含有：USB、 TCP/IP、GSM通信接口，等）。二. SOC嵌入式系统的优点： *. 高密度高集成度； *. 低电压、低功耗利用改变内部工作 电压，降低芯片功耗； *. 高速度减少了各单元电路及电路板 上的信号传递，整体上提高了p的运行 速度； *. 高抗干扰性能内嵌的线路，大大避 免了外部电路板在信号传递时造成的损耗 和干扰。注1：SOC并不是简单的将所要的集成电 路二次集成到一个芯片上

12、，而是在全 新理念上通过系统硬、软件协同设计 ，在单个芯片上完成整个系统的功能 。 注2：SOC与单片机的区别：(1)SOC使单片机应用技术发生了革命 性的变化：从选择厂家提供的定制 产品时代进入了由用户自行开发设 计器件的时代。 (2)SOC设计中，设计者面对的不再是 电路芯片，而是能实现设计功能的 IP模块库，即SOC设计的观念是：“ 设计自己的专用集成电路”。 三.RISC结合DSP的SOC嵌入式系统微处理器 DSPDigital Signal Process RISCReduced Instruction Set Computer DSP的龙头老大德州仪器公司倚仗 性能优越的DSP处理

13、器称霸世界DSP市场 。 最近推出的一项非常先进的SOC嵌 入式系统微处理器技术，称为OMAP。 OMAPOpen Multimedia Application Platform 开放式多媒体应用平台，其构成 为： DSP + RISC(ARM) + 若干外围电路模块代表芯片为OMAP1510，其结构见图: OMAP1510硬件结构框图 上图中，DSP或ARM微处理器分别完成 各自的操作或运算，两者之间通过 DSP/BIOS Bridge接口交换数据。主要应用于实时的多媒体影音数据处 理、语音识别系统、因特网通信、无线 通信与电子商务等。四. 整合型嵌入式系统微处理器 1.ARM公司ARM R

14、ISC架构微处理器 ARM公司是一家提供RISC架构嵌入式系统 微处理器的公司，位于英国，成立于1990 年11月。 ARM公司既不生产芯片，也不销售芯片， 它只出售芯片技术授权。采用ARM技术IP 核的微处理器遍及汽车、消费电子、成像 、工业控制、海量存储、网络、安保和无 线等各类产品市场。 ARM嵌入式处理器是一种16/32位的高 性能、低功耗的RISC芯片。世界上几乎 所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体 系结构的通用芯片，或在其专用芯片中 嵌入ARM的相关技术。如：TI、Intel、Motorola、Atmel、 Philips、Nec、Sharp、NS、Hynix2001年基于AR

15、M内核的处理器已占据 了32位RISC芯片75的市场份额，可以 说ARM技术几乎无处不在。 ARM RISC架构微处理器系列目前主要分 为几个家族产品，分别为ARM 7 Thumb、ARM 9 Thumb、ARM 10 Thumb以及Strong ARM等 家族。其中Strong ARM已有Intel公司取得 专用授权，只能由Intel公司从事Strong ARM架构微处理器的改进与生产。 (1)ARM 7 Thumb系列 含ARM 710T、ARM 720T、ARM740T是一种以ARM 7 TDMI微处理器为运算核心的RISC架构的32位嵌 入式系统微处理器。它面向中初级市场应用，强调价格

16、与传统的8位 或16位的嵌入式系统微处理器相差不大，却拥有 32位CPU的执行效率，很受市场的欢迎。 ARM7 Thumb家族的特性： *. 拥有32位的ALU、寄存器、移位寄存器； *. 拥有32位的寻址模式； *. 拥有328DSP乘法器，可以做数字信号处理； *. 拥有16位的Thumb指令集。 Thumb是将ARM指令集的一个子集重新编码 而形成的一个指令集，即将部分32位的ARM指 令压缩成16位而得到密度更高的代码。使用Thumb指令集可以以16位的系统开销得 到32位的系统性能。 (2)ARM 9 Thumb系列 使用ARM 9 TDMI处理器内核，包括ARM920T、 ARM922T和ARM940T，3种类型。 ARM920T与ARM940T微处理器核心架构如下图所示ARM 940T微处理器核心架构图 4K字节指令 快取内存4K字节数据 快取内存ARM9TDMI 微处理器核心总线接口单元写入缓冲器AMBA总线处ARM920T微处理器核心架构图 4K字节指令 快取内