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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
