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1、单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版副标题样式2007.9北京大学软件与微电子学院1嵌入式微处理器系统嵌入式微处理器系统n n第一章第一章 概论概论概论概论 主要参考书:主要参考书:n微处理器 (CPU) 的结构与性能 易建勋,清华大学出版社,2003 n嵌入式系统开发圣经(第二版),探硅工作室,中国铁道出版社2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 n n了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况n n处理器工作过程处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -必要性(必要性(1 1)
2、n n必要性必要性n n汽车和发动机汽车和发动机n n选择最合适的发动机选择最合适的发动机n n从份发挥发动机的性能从份发挥发动机的性能n n系统设计的需要系统设计的需要2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -必要性(必要性(2 2)n n必要性(续)必要性(续)n n手机和处理器手机和处理器n n选择最合适的处理器选择最合适的处理器n n从份发挥处理的性能从份发挥处理的性能n n系统设计的需要系统设计的需要2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -必要性(必要性(3 3)n n必要性(续)必要性(续)用好处理器!2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 n n
3、了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况n n处理器工作过程处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1 1)计算机系统的计算机系统的发展历程发展历程 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(2 2)摩尔定律(摩尔定律(Gordon Moore)Gordon Moore)每每1818个月,集成电路的性能将提高一个月,集成电路的性能将提高一倍,而其价格将减低一半。倍,而其价格将减低一半。 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概
4、论 - -处理器概况(处理器概况(3 3)1. CPU (Center Processing Unit)1. CPU (Center Processing Unit)的发展的发展n n第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机n n设计者:设计者:J. Presper Eckert & Jon Mauchly J. Presper Eckert & Jon Mauchly (University of (University of PennsylvaniaPennsylvania)n n名称:名称:ENIACENIAC(Electronic Numerical Integrator and Ca
5、lculatorElectronic Numerical Integrator and Calculator)n n时间:二次大战(时间:二次大战(19461946年公开)年公开)n n性能性能n n1800018000个真空管、个真空管、n n100 feet * 8.5 feet100 feet * 8.5 feetn n2020个个1010位寄存器位寄存器n n“+” “+” , 200us200usn n用途:计算大炮发射表用途:计算大炮发射表 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(4 4)1. CPU (Center Processing Un
6、it)1. CPU (Center Processing Unit)的发展的发展n n第一个微处理器第一个微处理器 n n4004, Intel, 1971.114004, Intel, 1971.11n n性能性能n n主频:主频:108108kHzkHzn n最大寻址:最大寻址:640640K Kn nRAM: 4096 bits for ProgramRAM: 4096 bits for Program 1KX4bits for Data 1KX4bits for Datan n规模:规模:22502250个晶体管个晶体管n n工艺:工艺:1010umumn n价格:价格:200 $20
7、0 $n n发明人发明人: : Ted HoffTed Hoffn n1968, 1968, 加盟加盟IntelInteln n1982, 1982, 离开离开2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(5 5)1. CPU1. CPU的发展(续)的发展(续)n n Pentium 4 Pentium 4n n性能性能n n主频:主频:3 3GHzGHzn n数据总线:数据总线:6464bitsbitsn n地址总线:地址总线:3636bitsbitsn nRAM: 512KB CacheRAM: 512KB Cachen n规模:规模:4004000 0多万
8、个晶体管多万个晶体管n n工艺:工艺:0.130.13umumn n价格:价格:$180$1802008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(6 6)1. CPU1. CPU的发展(续)的发展(续)n n Core CoreTMTM 2 DUO E6700 2 DUO E6700n n性能性能n n双核双核n n主频:主频:2.66GHz2.66GHzn n数据总线:数据总线:6464bitsbitsn n地址总线:地址总线:3636bitsbitsn nRAM: 2MB smart CacheRAM: 2MB smart Cachen n规模:规模:1 1亿个
9、晶体管亿个晶体管n n工艺:工艺:0.0.065um065umn n价格:价格:$200$2002008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(7 7)1. CPU1. CPU的发展(续)的发展(续)n n 不同阶段的处理器(不同阶段的处理器(X86X86)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(8 8)1. CPU1. CPU的发展(续)的发展(续)n n X86 X86 发展之路发展之路- -主频主频()()2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(9 9)1. CPU1. CPU的发展
10、(续)的发展(续)n n X86 X86 发展之路发展之路- -规模规模()()2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1010)1. CPU1. CPU的发展(续)的发展(续)n n X86 X86 发展之路发展之路- -工艺工艺()()2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1111)2. CPU2. CPU的分类的分类n n指令系统指令系统n nCISCCISC(Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer)Intel X86In
11、tel X86AMD K6AMD K6TMS320XXXTMS320XXXn nRISC RISC (Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer)PowerPCPowerPCARMARMAVRAVRMIPSMIPS2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1212)2. CPU2. CPU的分类的分类n n处理器字长处理器字长n n8 8 bits bits 8088, 89C518088, 89C51n n16 bits16 bits8086, Ti 54X8086, T
12、i 54Xn n32 bits32 bits80486, Ti C3X, C6X80486, Ti C3X, C6Xn n64 bits64 bitsItaniumItanium,PowerPC 970PowerPC 9702008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1313)2. CPU2. CPU的分类的分类n n总线(总线(BUSBUS)结构)结构n nVon Neumann Von Neumann (1944-61944-6)n n定义:指令和数据在同一个物理空间定义:指令和数据在同一个物理空间n n例:例:X86X86n nHarvardHarvar
13、d(Howard AikenHoward Aiken,19491949)n n定义:指令和数据在不同的物理空间定义:指令和数据在不同的物理空间n n例:例:DSPDSP 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1414)2. CPU2. CPU的分类(续)的分类(续)n n应用方式应用方式n nMPUMPUn nMCUMCUn nDSPDSPn n应用领域应用领域n n台式机台式机 CPUCPUn n笔记本笔记本CPUCPUn n服务器服务器CPUCPUn n嵌入式嵌入式CPUCPU2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概
14、况(1515)3. CPU3. CPU的性能评测的性能评测n nCPICPI:执行一条指令所需的平均时钟周期:执行一条指令所需的平均时钟周期CPI= CPI= 一个程序的一个程序的CPUCPU时钟周期时钟周期/ /该程序的指令数该程序的指令数CPUCPU时间时间=IC=IC(指令数)(指令数)X CPI /X CPI /时钟频率时钟频率n n时钟频率(周期):由硬件技术决定时钟频率(周期):由硬件技术决定n nCPICPI:由处理器组成和指令系统决定:由处理器组成和指令系统决定n n指令数:由指令系统和编译器决定指令数:由指令系统和编译器决定2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 -
15、-处理器概况(处理器概况(1616)3. CPU3. CPU的性能评测的性能评测n nMIPSMIPS:每秒百万条指令:每秒百万条指令 MIPS=MIPS=指令数指令数/ /(指令的执行时间(指令的执行时间 X 10X 106 6) =时钟频率时钟频率/ /(CPI X 10CPI X 106 6 )执行时间执行时间=指令数指令数/ /(MIPS X 10MIPS X 106 6 )n nMIPSMIPS依赖于指令集依赖于指令集n n同一台机器的同一台机器的MIPSMIPS可能因程序而异可能因程序而异n nMIPSMIPS可能不能反映处理器的性能可能不能反映处理器的性能2008.10北京大学软
16、件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1717)3. CPU3. CPU的性能评测的性能评测n nMFLOPSMFLOPS:每秒百万次浮点运算次数:每秒百万次浮点运算次数 MFLOPS=MFLOPS=浮点运算次数浮点运算次数/ /(浮点运算的时间(浮点运算的时间 X 10X 106 6) n nMFLOPSMFLOPS不能反映处理器的实际性能不能反映处理器的实际性能n n通常用来比较浮点运算器的性能通常用来比较浮点运算器的性能n nInstructionInstruction数数 和和 OperationOperation数可能不一致数可能不一致2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 - -处理器概况(处理器概况(1818)4. CPU4. CPU制造工艺制造工艺n n工艺发展工艺发展n n加工精度提高加工精度提高- -从从1010um um 到到 0.05 0.05umumn n硅片尺寸进一步加大硅片尺寸进一步加大- -从从3 3英寸英寸 到到 18 18英寸英寸n n连接材料改变连接材料改变 AlAl到到Cu Cu n n生产环境生产环境n n每每2020c