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1、第二章 嵌入式处理器,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,第二章 嵌入式处理器,2.1 引言,2.2 嵌入式处理器概述,2.3 ARM处理器基础,2.4 ARM指令系统,2.5 ARM程序设计基础,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.1 引言,嵌入式处理器是嵌入式系统最核心的部件。 RISC结构已经被证明是嵌入式处理器最适合的结构。 ARM处理器是真正意义上的RISC结构的处理器，且具有处理速度快、功耗低、价格便宜等方面的优点，得到了广泛使用。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.1 引言,本章以ARM处理器为例来介绍嵌入式处理器。 在概要介绍处理器
2、背景知识的基础上，主要内容偏重于介绍处理器的指令系统和基于处理器的编程基础。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,第二章 嵌入式处理器,2.1 引言,2.2 嵌入式处理器概述,2.3 ARM处理器基础,2.4 ARM指令系统,2.5 ARM程序设计基础,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.2 嵌入式处理器概述,2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2.2 典型的嵌入式处理器,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.2.1 嵌入式处理器的分类,嵌入式处理器,嵌入式微控制器 （MCU）,嵌入式微处理器 （MPU）,嵌入式DSP （DSP）,嵌入式片上系统 （S
3、oC）,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. 嵌入式微控制器(MicroController),嵌入式微控制器又称单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。 嵌入式微控制器将CPU、存储器（少量的RAM、ROM或两者都有）和其他外设封装在同一片集成电路里，因为其片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,例：Intel 8085 Microprocessor,Introduced in 1974 8-bit architecture Still used in some microcontroller appli
4、cations !,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. 嵌入式微控制器(MicroController),与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本降低、可靠性提高。 由于微控制器低廉的价格、优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，是目前嵌入式系统工业的主流。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. 嵌入式微控制器(MicroController),比较有代表性的通用系列包括8051、C166/167、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、MC 68HC05/11/12/16、68300等。 半通用系列，如
5、支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN、LCD及众多专用MCU和兼容系列。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2. 嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit),嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 与通用计算机处理器不同，在实际应用中，嵌入式系统将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，以满足嵌入式系统体积小、功耗低的特殊要求。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2. 嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit),与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体
6、积小、重量轻、成本低和可靠性高的优点。 目前的嵌入式微处理器主要有Am186/88、386EX、PowerPC、ARM、MIPS、Motorola 68K等。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,3. 嵌入式DSP (Digital Signal Processor ),嵌入式DSP是专门用于信号处理的嵌入式芯片。 DSP处理器在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法 ，使其适合于执行DSP算法，因而能够对离散时间信号进行极快的处理计算，提高了编译效率和执行速度 。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,3. 嵌入式DSP (Digital Sig
7、nal Processor ),在数字滤波、FFT、频谱分析等方面，嵌入式DSP获得了大规模的应用。 嵌入式DSP处理器主要有两方面的应用： 一方面，嵌入式DSP处理器经过单片化设计，通过在片上增加丰富的外设使之成为具有高性能DSP功能的片上系统； 另一方面，在微处理器、微控制器或片上系统中增加DSP协处理器来实现DSP运算。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ),片上系统SoC是20世纪90年代后出现的一种新的嵌入式集成器件。 在嵌入式系统设计从 “集成电路”级设计不断转向“集成系统”级设计过程中，提出了SoC的概念。 So
8、c追求产品系统的最大包容，已成为提高移动通信、网络、信息家电、高速计算、多媒体应用以及军用电子系统性能的核心器件。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ),SoC不是把系统所需要的所有集成电路简单地二次集成到一个芯片上，而是从整个系统的性能要求出发，把各层次电路器件紧密结合起来，并通过系统的软硬件协同设计，在单个芯片上实现整个系统的功能。 SoC最大的特点就是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，满足了单片系统所要求的高密度、高速度、高性能、小体积、低电压和低功耗等指标。,嵌入式系统原理及应用,西华大
9、学电气信息学院王平,4. 嵌入式片上系统 (System on Chip ),目前比较典型的几款SoC产品包括Siemens的TriCore、Philips的Smart XA、Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.2 嵌入式处理器概述,2.2.1 嵌入式处理器的分类 2.2.2 典型的嵌入式处理器,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2.2.2 典型的嵌入式处理器,ARM处理器 Power PC处理器 MIPS处理器 Sparc处理器 龙芯一号处理器,嵌
10、入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. ARM处理器,英国先进RISC机器公司（Advanced RISC Machines，ARM）是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权（Intellectual Property，IP）供应商。 ARM公司本身不直接从事芯片生产，而是依靠转让微处理器、外围和系统芯片的设计技术给合作公司，由合作公司使用这些技术来生产各具特色的芯片。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,ARM公司简介,将技术授权给其它芯片厂商,形成各具特色的ARM芯片,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. ARM处理器,ARM已成为移动通信、
11、手持设备、多媒体数字消费等嵌入式解决方案事实上的标准。 ARM进入中国几年以来，已经与中兴、华为、东南大学、上海集成电路设计中心、中芯国际以及大唐签订了芯片核心技术授权协议。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. ARM处理器,ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集 。 ARM的Jazelle技术提供了Java加速，可得到比基于软件的Java虚拟机高得多的性能。 ARM采用DSP指令集的扩充提供了增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性 。 ARM还提供了两个前沿特性嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核系列，用以辅助带嵌入式核的、高集成的SoC器件的调
12、试。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,1. ARM处理器,基于ARM核嵌入式芯片的典型应用主要有：,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2. PowerPC处理器,PowerPC处理器品种很多，既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核。 PowerPC的特点是可伸缩性好、方便灵活。 PowerPC的应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费电子到大型通信设备等各个方面。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,2. PowerPC处理器,PowerPC处理器的主频从25MHz700MHz不等，它们的能量消耗、大小、整合程度、价格等差别悬
13、殊，主要产品的芯片型号有PowerPC 750、PowerPC 405和PowerPC440。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,3. MIPS处理器,MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的缩写，即“无内部互锁流水级的微处理器”。 MIPS的机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题，最早在80年代初期由斯坦福（Stanford）大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,3. MIPS处理器,在嵌入式应用方面，MIPS系列微处理器是目前仅次于A
14、RM的使用最广泛的处理器之一，其应用领域覆盖机顶盒、游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。 MIPS的系统结构及设计理念比较先进，强调软硬件协同提供性能，同时简化硬件设计。 MIPS IDF(MIPS Integrated Development Framework)集成开发工具，特别适用于嵌入式系统的开发。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,4. Sparc处理器,Sparc处理器是由著名的Sun公司自行研发的微处理器芯片。 Sun在64位UltraSparc处理器方面，主要有3个系列：可扩展的s系列主要用于高性能、易扩展的多处理器系统；集成式i系列将多种系统功能集成
15、在一个处理器上，为单处理器系统提供了更高的效益；嵌入式e系列为用户提供理想的性能价格比，其嵌入式应用包括瘦客户机、电缆调制解调器和网络接口等。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,5. 龙芯一号处理器,龙芯一号处理器是神州龙芯公司推出的兼顾通用及嵌入式处理器特点的新一代32位处理器。 龙芯一号的投片成功，并通过了以SPEC CPU2000为代表的一批性能和功能测试程序的严格测试，标志着我国在现代通用微处理器设计方面实现了“零“的突破， 打破了我国长期依赖国外CPU产品的无“芯“的历史，也标志着国产安全服务器CPU和通用的嵌入式微处理器产业化的开始。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电
16、气信息学院王平,5. 龙芯一号处理器,龙芯一号在通用CPU体系结构设计方面采用了许多先进的设计与实现技术，尤其在动态流水线的具体实现和硬件对系统安全性的支持方面，有独特创新并申请了专利。 龙芯一号在片内提供了一种特别设计的硬件机制，可以抗御缓冲区溢出攻击，在硬件上根本抵制了缓冲区溢出类攻击的危险，从而大大的增加服务器的安全性。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,5. 龙芯一号处理器,使用龙芯一号CPU可以构成更为安全的网络安全服务器、网络安全网关、网际防火墙、服务器网卡等对网络安全有特殊需求的产品及应用。 龙芯系列微处理器可广泛应用于工业控制、信息家电、通讯、网络设备、PDA、网络终端、存储服务器、安全服务器等产品上。,嵌入式系统原理及应用,西华大学电气信息学院王平,龙芯二号,2006年9月13日，中国科学家宣布研制成功通用中央处理器芯片龙芯2E。它是一款采用64位元MIPS指令集的RISC处理器，采用90
