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1、1第二讲 基本概念及设计方法嵌入式系统实训课程阜阳师范学院信息工程学院阜阳师范学院信息工程学院 余世干余世干2本节提要1 13 32 24 4嵌入式系统硬件基础嵌入式BSP的基本概念嵌入式系统软件基础嵌入式系统设计方法3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。l嵌入式微处理器 l总线 l存储器 l输入/输出接口和设备 一、嵌入式系统硬件基础456l冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构lCISC与RISCl影响CPU性能的因素l存储器系统lI/O接口一、嵌入式系统硬件基础7l每个嵌入式系统至少包含一个嵌入式 微处理器 l嵌入式微处理器
2、体系结构可采用冯 诺依曼（Von Neumann）结构或哈佛（ Harvard）结构一、嵌入式系统硬件基础81.1 冯诺依曼体系结构模型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 数据1 数据29典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器电源 模块时钟复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路Other外设101）数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用3）ARM9冯诺依曼体系冯诺依曼体系的特点111.2 哈佛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程序存储器指令0 指令1 指令2数据存储器数据
3、0 数据1 数据2地址指令地址数据12哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字信号处理4）大多数DSP都是哈佛结构131.3 CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式8/2原则：80%的程序只使用20%的指令，即大多数程序只使 用少量的指令就能够运行。RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)在通道中只包含最有用的指令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14CISCRISC价格由硬件
4、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嵌入式微处理器的指令系
5、统可采用精简指令集系统RISC （Reduced Instruction Set Computer）或复杂指令集系统 CISC（Complex Instruction Set Computer）1.3 CISC和RISC151.4 影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存流水线技术：几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp16超标量执行超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构执行1预取指令CACHE译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流 水 线 1流 水 线 2数据在超标量处理机中
6、，配置了多个 功能部件和指令译码电路，采取了多 条流水线，多个寄存器端口和总线， 因此可以同时执行多个操作，以并行 处理来提高机器速度。17高速缓存（CACHE）1、为什么采用高速缓存微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以 提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容 的拷贝。 CPU高 速 缓 存 控 制 器CACHE主存数据数据地址18总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备高速设备低速总线19l嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式 微处理器中。l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
7、内总线 （如：AMBA、 AVALON、OCP、 WISHBONE等）。l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 结构而不同。总线和总线桥201.5 存储器系统l嵌入式系统的存储器包括主存和外存。l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。l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。211.5 存储器系统l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
8、特点。l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 （Secure Digital）卡 、CompactFlash、SmartMedia、 Memory Stick、MultiMediaCard、 DOC（Disk On Chip）等。 221.5 存储器系统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ROM：只读存储器FLASH：闪存23SRAM和DRAM1）SRAM 2）DRAMOEWE
9、AddrDataCSR/WCASDataRASAddrCSRow Address SelectedColumn Address Selected24l嵌入式系统的存储结构嵌入式 微处理器Cache片内 RAM和 ROM主存： Nor Flash、SRAM、 DRAM等外存： NandFlash、DOC、 CF、SD、MMC等25l高速缓存Cachel高速缓冲存储器中存放的是当前使用得最 多的程序代码和数据，即主存中部分内容的 副本。l在嵌入式系统中Cache全部都集成在嵌入 式微处理器内。l可分为数据Cache、指令Cache或混合 Cache。l不同的处理器其Cache的大小不一样。l一般3
10、2位的嵌入式微处理器都内置Cache 。26lCache命中：CPU每次读取主存时， Cache控制器都要检查CPU送出的地址，判 断CPU要读取的数据是否在Cache中，如果 在就称为命中。lCache未命中：读取的数据不在Cache中 ，则对主存储器进行操作，并将有关内容置 入Cache。l写入方法：通写（Write Through）：写Cache 时，Cache与对应内存内容同步更新。回写（Write Back）：写Cache时 ，只有写入Cache内容移出时才更新对应 内存内容。27CPU地址 索引 机构置换控制器高速缓冲 存储器主存段（页） 地址高位地址 低位地址地址总线数据总线Ca
11、che结构框图28l主存 l主存是处理器能直接访问的存储器，用来 存放系统和用户的程序和数据。l嵌入式系统的主存可位于SoC内和SoC外 ，片内存储器存储容量小、速度快，片外存 储器容量大。l可以做主存的存储器有：lROM类：Nor Flash、EPROM、 E2PROM、PROM等lRAM类：SRAM、DRAM、 SDRAM等29l静态随机存取存储器（SRAM）存储信息：六管基本存储电路典型芯片规格：2114（1KX4） 6116（2KX8 ） 6264（8KX8）62128（16KX8）62256（32KX8 ）A5A0A2A1CS-1921141810VCCA9 I/O1A6A4 A3A
12、7 A8I/O2 I/O3 WE-符 号引脚名A0A9地址输入I/01I/04数据输入/输出CS-片选WE-写允许VCC、GND电源、地30l动态随机存取存储器（DRAM）存储信息的基本单元（1位）电路可采用4 管、3管和单管电路需要不断刷新（为维持动态存储单元所存 储的信息，必须设法使信息再生，这即所谓的刷 新）与SRAM不同的是：为节省外部引脚，同 样容量的DRAM外部地址线引脚是SRAM一半DRAM采用行/列地址选通，将地址通过 内部分成两路DRAM控制器：解决刷新和多路31CPU刷 新 定 时 器仲裁电路定 时发生器刷新地址 计数器地址多路开关DRAM读/写地址总线地址RASCASWR
13、DRAM Controller的逻辑框图32lSDRAM（Synchronous RAM)lCPU和RAM共享相同的时钟周期，以相 同的速度同步工作基于双存储器结构，内含两个交错的存储 阵列，读取效率得到成倍提高是DRAM中速度最快的一种33l外存 l外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放 用户的各种信息，容量大。l在嵌入式系统中常用的外存有：lNandFlashlDOC（Disk On Chip）lCF（Compact Flash）lSD（Secure Digital）lMMC（Multi MediaCard）等 34电子盘l电子盘采用半导体芯片来存贮数据，具有体 积小、功耗低和极强的抗
14、震性等特点。l在嵌入式系统中普遍采用各种电子盘作为外 存。l常用的电子盘有：NandFlash、MMC、SD、 Memeory Stick、CF、SM、DOC等。 35电子盘36电子盘lFlash card market for Mobile phone has 70% CAGR, and 50% market share in 08.37NandFlash NORFlashlNandFlash是Flash Memory的一种。lFlash Memory的中文称为快闪存储器或快 速擦写存储器。lFlash Memory由Toshiba于1980年申请专利 ，并在1984年的国际半导体学术会议上
15、首先发 表。l目前在Flash Memory技术上主要发展了两 种非易失性内存l一种叫NOR（逻辑或），是Intel 于1988 年发明的l另一种叫NAND（逻辑与）是Toshiba于 1999年创造的。38NandFlash NORFlashlNandFlash可独立成为外存，也可组成其 他各种类型的电子盘如USB盘、CF、SD和 MMC存储卡等。lNandFlash强调降低每比特的成本，更高 的性能，并且像磁盘一样可以通过接口轻松升 级。lNandFlash具有容量大、回写速度快、芯 片面积小等特点，主要用于外存。lNOR Flash具有随机存储速度快、电压低 、功耗低、稳定性高等特点，主
16、要用于主存。39Samsung Nandflash40NORNAND写入/擦除一个块的操 作时间15s24ms读性能12001500KB600800KB写性能80KB200400KB接口/总线SRAM接口/独立的地 址数据总线8位地址/数据/控制总线， I/O接口复杂读取模式随机读取串行地存取数据成本较高较低，单元尺寸约为NOR的一半 ，生产过程简单，同样大小的芯 片可以做更大的容量容量及应用场合164MB，主要用于 存储代码8MB4GB，主要用于存 储数据擦写次数(耐用性)约10万次约100万次位交换(bit位反转)少较多，关键性数据需要错误探 测/错误更正(EDC/ECC)算法坏块处理无，因为坏块故障率少随机分布，无法修正41输入输出接口和设备l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。l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
