02二、嵌入式处理器及最小系统

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1、第二章 嵌入式处理器及最小系统 第二章 嵌入式处理器及最小系统 电路中心：周波 讲师 Tel：87556304 (O) 2、嵌入式处理器及最小系统 2.1 嵌入式处理器 2.2 嵌入式处理器的特点和分类 2.3 常用嵌入式处理器介绍 2.4 嵌入式最小系统 2.5 嵌入式系统调试技术 2 2.1 嵌入式处理器嵌入式处理器 3 嵌入式硬件平台 嵌入式系统组成示意图 嵌入式处理器 嵌入式外围电路 是嵌入式系统的核心， 用于运行嵌入式系统的 系统软件和应用软件。 包括电源部分、存储设 备(RAM/ROM)、通信控 制设备(串口、以太网、 I/O)、人机交互设备(显 示、键盘)等。 嵌入式软件系统 2

2、.1.1嵌入式处理器基本知识 典型的嵌入式处理器结构 处理器体系结构 处理器指令集 指令流水线 大端方式和小端方式 4 5 典型的嵌入式处理器结构 嵌入式处理器的基本组成部分包括运算器、控制 器、寄存器组及连接各个部分的内部总线。 算术逻辑单元 累加器 暂存器 标志寄存器 指令寄存器 指令译码器 控制逻辑电路 临时存储单元 ，存放操作数 和中间结果 6 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 数据1 数据2 地址 指令、数据 特点： 程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个 存储器的不同物理位置。

3、 使用同一套存储器总线，程序指令和数据的位 宽相同。 7 指令寄存器 控制器 数据通道 输入输出 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 中央处理器 哈佛体系结构 特点： 程序指令存储器和数据存储器分开。 使用两套独立的存储器总线。 适合数字信号处理。 8 复杂指令集和精简指令集 指令是CPU能理解并执行的命令单元，规定了计 算机能完成的某一操作。不同CPU支持的指令不同 ，CPU支持的所有指令的集合就是该CPU的指令系 统 。 当前CPU的两种架构：复杂指令集(Complex Instruction Set Computer, CISC

4、)和精简指令集 (Reduced Instruction Set Computer, RISC)。 9 CISC: MUL ADDRA, ADDRB 实现将ADDRA和 ADDRB中的数相乘， 并将结果存储在 ADDRA中。操作依赖 于CPU中设计的逻辑来 实现，增加CPU复杂性 ，但对编译器的开发有 利。目前仅Intel及其兼 容CPU采用。 RISC: MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A; 操作全部由软件来实 现，降低CPU的复杂 性，但对编译器有更 高要求。嵌入式处理 器大多采用RISC指令 集。 10 指令流水线 流水线

5、(Pipeline)技术是指：在程序执行时多条指令重叠 进行操作的一种准并行处理实现技术。 一条指令的执行周期一般包括：取指令(Instruction Fetch) 、指令译码(Instruction Decode)、执行指令(Instruction Execute)以及存储(Storage)。 每条指令执行周期T可表示为：T = tIF+ tID+ tIE+ tS 采用流水线技术可以使几条指令并行执行，提高CPU运行 效率。 11 大端方式(Big Endian)和小端方式(Little Endian) 在计算机系统中，可寻址的最小存储单位是字节。 多字节数存放在内存时存在字节顺序(Byte

6、 Endian) 的问题，即高位字节在前，还是低位字节在前？ 低地址存放高位字节，即Big Endian方式 。 低地址存放低位字节，即Little Endian方式。 Intel的x86系列处理器一般采用小端方式。 Motorola的PowerPC系列处理器一般采用大端方式。 有些处理器既可以采用大端方式也可以采用小端 方式，这类处理器具体的工作方式由软件来决定。 字节地址字节地址00010203 字节字节0x120x340x560x78 字节地址字节地址00010203 字节字节0x780x560x340x12 以16进制四字节数为例：0x12345678 存放的起始地址为0 Big En

7、dian字节序的字节存储方式 Little Endian字节序的字节存储方式 12 功能 嵌入式处理器的功能主要取决于所集成的存储器数量和外 部设备接口的种类和数量。 13 2.1.2嵌入式处理器主要技术指标 字长 字长是指参与运算的数的基本位数，决定了寄存器、运算 器和数据总线的位数，因此直接影响硬件的复杂度。字长越 长，包含的信息量越多，能表示的数值有效位数也越多，计 算精度也越高。通常处理器字长为4/8/16/32/64位等。处理 器字长还和指令长度相关，字长长的处理器可以有长的指令 格式和较强的指令系统功能。 14 处理速度 目前普遍采用的是根据各种指令的使用频度和执行时间来 计算指令

8、的平均执行时间。取其倒数即得到该处理器的速度 指标，单位为每秒百万条指令(MIPS)。 主频(嵌入式处理器工作时钟频率)也通常用来表示处理器 的速度。单位为兆赫兹(MHz)。 但是，并非主频越高的处理器速度就越快，通常采用流水 线技术的处理器可以达到1MIPS/MHz甚至更高。但是有的处 理器只能达到0.1MIPS/MHz，比如大部分的MCU。 处理器执行不同的操作所需要的时间是不同的，对运算速 度存在不同的计算方法。 15 功耗 嵌入式处理器通常给出几个功耗指标，如工作功耗、待机 功耗等。功耗和主频之间的关系可表示为mW/MHz或W/MHz 。一般来说，嵌入式处理器采用静态设计，其功耗与主频

9、之 间的关系近似为一条直线。 寻址能力 嵌入式处理器的寻址能力取决于处理器地址线的数目，处 理器的处理能力与寻址能力有一定的关系。8位机寻址能力 通常是64KB，16位机寻址能力通常是1MB，32位机寻址能 力通常是16MB4GB。 但对于MCU而言，寻址能力意义不大，因为其通常内部 集成了程序存储器和数据存储器，一般不需要进行扩展。 16 性能价格比 主要用来衡量产品的综合性能。对于嵌入式处理器来说综 合性能主要体现在处理速度、存储器容量、I/O设备配置以及 可靠性等。 平均故障间隔时间 平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures, MTBF) 是指在长时间运行中

10、，工作时间除以运行期间发生故障的次 数。是一个统计值，MTBF值越大表示工作越可靠。 工作温度 和普通芯片一样，嵌入式处理器通常分为民用级、工业级 、军用级和宇航级等几个温度等级。通常民用级温度范围是 0+70，工业级温度范围为-40+85，军用级温度范围 为-55+125，宇航级温度更宽。 2、嵌入式处理器及最小系统 2.1 嵌入式处理器 2.2 嵌入式处理器的特点和分类 2.3 常用嵌入式处理器介绍 2.4 嵌入式最小系统 2.5 嵌入式系统调试技术 17 18 通用处理器针对通用计算机的需要进行设计，追 求更快计算速度、更大数据吞吐率 ，以x86体系 为代表(PC104)。 嵌入式系统有

11、应用针对性的特点，不同的系统对 处理器要求千差万别，全世界嵌入式处理器的种 类已经超过1000种 。 2.2嵌入式处理器的特点和分类嵌入式处理器的特点和分类 目前嵌入式系统主要有两种类型： 嵌入通用计算机型 专用嵌入式系统 2.2.1 嵌入式处理器特点 19 嵌入式处理器功耗低嵌入式处理器功耗低 嵌入式系统往往作为一个部件“嵌入”在一个设备/系统 中或者是便携式应用，因受供电限制或散热的限制，功耗 必须得到有效控制 。 嵌入式处理器种类繁多、功能多样、性能跨度大嵌入式处理器种类繁多、功能多样、性能跨度大 不同的系统对处理器的功能、性能、功耗、工作环境和 封装等要求不同，适应各类应用需要，嵌入式

12、处理器发展 出极其丰富的产品类型 。 支持灵活的功耗控制支持灵活的功耗控制 嵌入式处理器一般有严格的功耗计，除了降低正常工 作的功耗外，还有很多降低功耗的措施，如可变工作频率、 降低工作电压，还可以设置多种工作模式 。 20 功能集成度高，提供丰富的外部接口功能集成度高，提供丰富的外部接口 嵌入式处理器中功能模块的集成度越来越高，除了处 理器核心外，很多的传统的外部控制器被集成到微处理器 中。 提供灵活的地址空间寻址能力提供灵活的地址空间寻址能力 嵌入式系统地址空间的分配有很大的自由度，为了适应 嵌入式系统的这个特点，嵌入式处理器一般有灵活的地址 空间寻址能力 。 2.2.2 嵌入式处理器分类

13、 21 嵌入式微控制器(MCU) 嵌入式 处理器 嵌入式微处理器(MPU) 嵌入式数字信号处理器( DSP) 嵌入式片上系统(SOC) 嵌入式多核处理器 (1).嵌入式微控制器(MCU) 又称单片机，其将整个计算机系统集成到一片芯 片中。已经经历了近30年的发展历史，目前在嵌 入式系统中仍然有着极其广泛的应用 。 MCU一般以某种微处理器的内核为核心，内部集 成RAM、ROM、总线控制器、Timer、Watch- dog、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能 电路和外设 。 MCU字长一般为8位和16位。 特点是单片化。适合各种控制应用：洗衣机、交 通灯、电视机、微波炉。 22 (2

14、).嵌入式微处理器(MPU) MPU在通用性上类似通用处理器，但MPU在功能、 价格、功耗、芯片封装、温度适应性、电磁兼容 方面更适合嵌入式系统应用要求 。 MPU通用性好、处理能力强、可扩展性好、寻址 范围大、支持各种灵活的设计，不限于某个具体 的应用领域 。 使用MPU时一般要扩展较多的外围电路，主要是 存储器电路。 MPU字长一般为16位或32位。 23 (3).嵌入式DSP DSP是特别为处理数字信号设计的处理器，主要 用来处理数据量较大和实时性要求较高的音频和 视频信号。 系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，能实 现高性能的数字信号处理计算。 DSP可分为定点DSP和浮点DSP两类

15、。 DSP和通用嵌入式处理器设计出发点不同，实际 应用中通常可采用DSP和通用嵌入式处理器协同 工作的方式 24 DSP的协处理器应用的协处理器应用 主处理器主处理器 主处理器 RAM、flash 主处理器 RAM、flash RAM、flash DSP RAM、flash DSP DSP RAM、flash DSP RAM、flash RAM、flash 模拟/数字 转换 RAM、flash 模拟/数字 转换 模拟/数字 转换 其它外部控 制器 模拟/数字 转换 其它外部控 制器 其它外部控 制器 其它外部控 制器 模拟信号模拟信号 25 DSP的主处理器应用的主处理器应用 DSPDSP D

16、SP RAM、flash DSP RAM、flash RAM、flash 模拟/数字 转换 RAM、flash 模拟/数字 转换 模拟/数字 转换 其它外部控 制器 模拟/数字 转换 其它外部控 制器 其它外部控 制器 其它外部控 制器 模拟信号模拟信号 26 (4).嵌入式片上系统(SOC) 把微处理器和某一大类应用中常用的模块集成在 一个芯片上SOC。 根据适用的范围，分为通用SOC和专用SOC 。 MCU：内部集成了RAM和ROM存储器、主要用 于控制。 SOC：则一般没有内置的存储器，以MPU为核心、 具有较强的计算性能 。 27 SOC优点 充分利用IP(Intellectual Property，知识产权)技术， 减少产品设计复杂性和开发成本，缩短产品开发 的时间。 单芯片集成电路可以有效地降低系统功耗。 减少芯片对外引脚数，简化系统加工的复杂性。 减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递， 加快了数据传输