硬件技术基础

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1、第二章第二章硬件基础硬件基础嵌入式软件开发导论软件与服务外包学院软件与服务外包学院201020101第二章第二章硬件基础硬件基础第二章硬件技术基础2第二章第二章硬件基础硬件基础 主要内容1.计算机体系结构及嵌入式硬件系统基本组成2.嵌入式微处理器4.嵌入式系统总线3.嵌入式存储系统5.输入输出模块3第二章第二章硬件基础硬件基础1.1计算机体系结构4第二章第二章硬件基础硬件基础一个最基本的计算机系统应该由微处理器 、存储器和输入/输出模块构成。 它们之间由系统总线进行互连。以实现计 算机执行程序的功能。 5第二章第二章硬件基础硬件基础6第二章第二章硬件基础硬件基础 微处理器（Micro Proc

2、essor） ：控制计 算机的操作，执行指令和数据处理。 在嵌入式系统中，微处理器的作用和功能 通常和通用计算机的中央处理器 CPU 是等 价的。 典型的处理器的主要任务包括： 从内存中获取机器语言指令，译码，执行 根据指令代码管理它自己的寄存器 根据指令或自己的的需要修改内存的内容 响应其他硬件的中断请求 7第二章第二章硬件基础硬件基础存储器（Memory） ：主要用来存储指令和数 据。 存储器分为易失的和非易失的。 易失的存储器当断电时，存储在其中的数据会消 失； 而非易失的存储器系统断电后可以继续保存写在 它上面的数据。 当处理器需要访问指令和数据时，需要从存 储器中获取。 存储器一般是

3、层次化的，不同层次的存储器 价格、速度和体积都不尽相同。 8第二章第二章硬件基础硬件基础输入/输出模块 （I/O Module） ： 负责在 处理器、存储器和外部设备之间交换数据 的模块。外部设备包括二级存储设备（如 硬盘、Flash） 、通信设备和终端设备等 。 系统总线（System Bus） ：为处理器、存储 器和输入/输出模块提供数据、控制等信号 通信和传输的设施。 9第二章第二章硬件基础硬件基础冯诺依曼和哈佛体系结构 在体系结构发展的历史上，有两个比较大的 体系结构流派：哈佛体系结构和冯诺依曼 体系结构。 目前能见到的计算机系统，基本都是这两者 之一。 10第二章第二章硬件基础硬件基

4、础冯诺依曼体系结构（Von Neumann Architecture） 1945 年，冯诺依曼首先 提出了“存储程序”的概念和二进制原理 ，后来，人们把利用这种概念和原理设计 的电子计算机系统统称为“冯诺依曼体系 结构”计算机，冯诺依曼体系结构也被称 作普林斯顿体系结构。 冯诺依曼结构的处理器的最大特点是程序和 数据使用同一个存储器，也就是通常所说 的“程序就是数据，数据就是程序” 。11第二章第二章硬件基础硬件基础12第二章第二章硬件基础硬件基础 冯诺依曼的主要贡献是提出并实现了“存 储程序”的概念。由于在计算机系统中指 令和数据都是二进制码，指令和操作数的 地址又密切相关，因此，当初选择这

5、种结 构是自然的。 但是，这种指令和数据共享同一总线的结 构，使得信息流的传输成为限制计算机性 能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高， 通常这一瓶颈被称为“冯诺依曼瓶颈” 。 在实现中，Cache和分支预测技术可以很好 的缓解这一问题。 13第二章第二章硬件基础硬件基础 哈佛体系结构（Harvard Architecture） ： 哈佛体系结构这一术语最早是由于Harvard Mark I计算机而得名。14第二章第二章硬件基础硬件基础15第二章第二章硬件基础硬件基础与冯诺依曼体系结构的处理器比较，经典的 哈佛结构处理器有两个明显的特点： （1）使用两个独立的存储器模块，分别存储 指令和数据，每个

6、存储模块都不允许指令 和数据并存。 （2）使用独立的两条总线，分别作为CPU 与 每个存储器之间的专用通信路径，而这两 条总线之间毫无关联。16第二章第二章硬件基础硬件基础 由于哈佛体系结构程序存储器与数据存储 器分开，因此可以提供较大的数据存储器 带宽，这一点使得它非常适合于数字信号 处理。 所以目前绝大多数DSP 都是哈佛体系结构 。17第二章第二章硬件基础硬件基础 在计算机体系结构的实现中，为了提高处 理器对内存读写的效率，处理器并不是直 接与主内存相连接，而是与 Cache相连接 。 所以，通常我们见到的计算机系统中，哈 佛体系结构和冯诺依曼体系结构的区别， 只是L1 Cache 是一

7、片还是两片。18第二章第二章硬件基础硬件基础 哈佛体系结构的处理器通常L1 Cache会分 为指令缓存（I Cache， Instruction Cache）和数据缓存（D Cache， Data Cache） 。 而冯诺依曼体系结构的处理器通常则不区 分I Cache和 D Cache。19第二章第二章硬件基础硬件基础1.2嵌入式硬件系统基本组成20第二章第二章硬件基础硬件基础嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器 为核心，主要由嵌入式微处理器、总线 、存储器、输入/输出接口和设备组成。 嵌入式微处理器 总线 存储器 输入/输出接口和设备 21第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.1嵌入式微处理

8、器 每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式微处 理器 嵌入式微处理器体系结构可采用冯诺依曼 （Von Neumann）结构或哈佛（Harvard） 结构 地址数据主存储器MOV r8,#8CPUPC指令程序存储器CPUPC地址数据存储器MOV r8,#8地址数据冯诺依曼结构哈佛结构22第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.1嵌入式微处理器 传统的微处理器采用的冯诺依曼结构将指令和 数据存放在同一存储空间中，统一编址，指令 和数据通过同一总线访问。 哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行 体系结构，其主要特点是程序和数据存储在不 同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器 是两个相互独立的存储器，每个

9、存储器独立编 制、独立访问。与之相对应的是系统中设置的 两条总线（程序总线和数据总线），从而使数 据的吞吐率提高了一倍。23第二章第二章硬件基础硬件基础CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变8/2原则：80%的程序只使用20%的指令大多数程序只使用少量的指令就能够运行。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24第二章第二章硬件基础硬件基础CISCR

10、ISC价格由硬件完成部分软件功能，硬件复 杂性增加，芯片成本高由软件完成部分硬件功能，软件复 杂性增加，芯片成本低性能减少代码尺寸，增加指令的执行周 期数使用流水线降低指令的执行周期数 ，增加代码尺寸指令集大量的混杂型指令集，有简单快速 的指令，也有复杂的多周期指令， 符合HLL（high level language）简单的单周期指令，在汇编指令方 面有相应的CISC微代码指令高级语言支 持硬件完成软件完成寻址模式复杂的寻址模式，支持内存到内存 寻址简单的寻址模式，仅允许LOAD和 STORE指令存取内存，其它所有的 操作都基于寄存器到寄存器控制单元微码直接执行寄存器数目寄存器较少寄存器较多

11、CISC与RISC的对比25第二章第二章硬件基础硬件基础 CISC与RISC的对比类别CISCRISC指令系统指令数量很多较少，通常少于100执行时间有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器没有较长执行时间的指令编码长度编码长度可变，1-15字节编码长度固定，通常为4个字节寻址方式寻址方式多样简单寻址操作可以对存储器和寄存器进行 算术和逻辑操作只能对寄存器对行算术和逻辑 操作，Load/Store体系结构编译难以用优化编译器生成高效 的目标代码程序 采用优化编译技术，生成高效 的目标代码程序 26第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.1嵌入式微处理器

12、 嵌入式微处理器有许多不同的体系，即使 在同一体系中也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，目前全世界嵌入式微处理 器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌 入式微处理器体系，主流的体系有ARM、 MIPS、PowerPC、SH、 X86等。 27第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.2总线 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。 从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线(如：PCI、ISA等)和片内总线（ 如：AMBA、 AVALON、OCP、WISHBONE等 ）。 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结

13、构而不同。28第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.3存储器 嵌入式系统的存储器包括主存和外存。 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处 理器可直接访问的存储空间即主存中。 系统上电后在主存中的代码直接运行。主存 储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM 、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。29第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.3存储器 目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外 存。外存是处理器不能直接访问的存储器 ，用来存放各种信息，相对主存而言具有 价格低、容量大的特点。 在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电 子盘做外存，电子盘的主要种类有 NandFlash、 SD

14、 （Secure Digital）卡 、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、 DOC（Disk On Chip）等。 30第二章第二章硬件基础硬件基础 1.2.4输入/输出接口和设备 嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分 设备已经集成在嵌入式微处理器中。 输入/输出接口主要有中断控制器、DMA、 串行和并行接口等，设备主要有定时器（ Timers）、计数器（counters）、看门狗 （watchdog timers）、RTC、UARTs、PWM （Pulse width modulator）、AD/DA、显 示器、键盘和网

15、络等。 31第二章第二章硬件基础硬件基础2.嵌入式微处理器嵌入式微处理器的发展 嵌入式微处理器的分类 嵌入式微处理器的特点 主流的嵌入式微处理器 (ARM, MIPS, SH, PowerPC, x86)32第二章第二章硬件基础硬件基础20世纪80年代 中后期20世纪90年代 初期20世纪90年代 中后期21世纪 初期制作工艺1 - 0.8 m0.8 - 0.5 m0.5 0.35 m0.25 - 0.13 m主频 500K2M5M22M位数8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit.嵌入式微处理器的发展33第二章第二章硬件基础硬件基础 .嵌入式微处理器的

16、分类 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位 、8位、16位、32位和64位。 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式 DSP和通用的嵌入式微处理器两种： 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈 佛结构，程序和数据分开存储，采用一系列 措施保证数字信号的处理速度，如对FFT（ 快速傅立叶变换）的专门优化。 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的 SOC芯片，有些还将DSP作为协处理器集成 。 34第二章第二章硬件基础硬件基础 .嵌入式微处理器的特点基础是通用微处理器与通用微处理器相比的区别：体积小、重量轻、成本低、可靠性高功耗低工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方 面增强35第二章第二章硬件基础硬件基础 .嵌入式微处理器的特点体系结构指令集性能功耗和管理成本集成度36第二章第二章硬件基础硬件基础嵌