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1、嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统浙江大学计算机学院浙江大学计算机学院陈天洲陈天洲20052005年年3 3月月嵌入式系统硬件部分嵌入式系统软件部分如人的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式。通过优异的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到及至。如人的手、脚、头脑及感觉神经等部位，掌控了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和扩展功能等。2 21 嵌入式微处理器的发展嵌入式微处理器的发展初期的划分初期的划分：一般用途型一般用途型一般用途型一般用途型（仅包含单纯的（仅包含单纯的（仅包含单纯的（仅包含单纯的CPUCPU）单片机控制器型单片机控制器型单片机控制器型单片机控制器型（将（将（将（将CPUCPU、ROMRO
2、M、RAMRAM、I/OI/O做在一芯片上）做在一芯片上）做在一芯片上）做在一芯片上）3 3以处理器的位数来划分以处理器的位数来划分以处理器的位数来划分以处理器的位数来划分4 4位位位位8 8位位位位1616位位位位3232位位位位6464位位位位单片机型单片机型单片机型单片机型TMS1000TMS1000COPSCOPS8048/49/508048/49/508051/528051/526801/04/05 6801/04/05 Z8Z88096/978096/976820068200ARM ARM RISC RISC CORECOREMIPS 32 MIPS 32 CORECOREMIPS
3、 64 MIPS 64 CORECORE一般用途一般用途一般用途一般用途型型型型40044004404040408085 68098085 6809Z80 6502 Z80 6502 680268028086 8086 802868028680186 80186 Z8000Z800080386 80386 80486 80486 68000/10/68000/10/20/30/4020/30/40Pentium Pentium II/IIIII/III4 4不同等级的处理器应用：不同等级的处理器应用：不同等级的处理器应用：不同等级的处理器应用：嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器嵌入式处理器应
4、用产品应用产品应用产品应用产品4 4位位位位遥控器遥控器遥控器遥控器 相机相机相机相机 防盗器防盗器防盗器防盗器 玩具玩具玩具玩具 简易计量表等简易计量表等简易计量表等简易计量表等8 8位位位位电视游戏机电视游戏机电视游戏机电视游戏机 空调空调空调空调 传真机传真机传真机传真机 电话录音电话录音电话录音电话录音1616位位位位手机手机手机手机 摄象机摄象机摄象机摄象机 录象机录象机录象机录象机 各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用各种多媒体应用3232位位位位MODEM MODEM 掌上电脑掌上电脑掌上电脑掌上电脑 路由器路由器路由器路由器 数码相机数码相机数码相机数码相机 GPRS G
5、PRS 网络家庭网络家庭网络家庭网络家庭6464位位位位高级工作站高级工作站高级工作站高级工作站 新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机新型电脑游戏机 各种多媒体各种多媒体各种多媒体各种多媒体应用应用应用应用5 51.1 四位及八位嵌入式系统微处理器四位及八位嵌入式系统微处理器6 61.2 16位以上嵌入式系统微处理器位以上嵌入式系统微处理器7 71.3 协处理器（协处理器（Co-processor）Intel推出的协处理器及其搭配的推出的协处理器及其搭配的X86架构架构微处理器名微处理器名微处理器名微处理器名协处理器名协处理器名协处理器名协处理器名Intel 8080Intel 8080
6、Intel 8087Intel 8087Intel 80286Intel 80286Intel 80287Intel 80287Intel 80386SXIntel 80386SXIntel 80387Intel 80387Intel 80486SXIntel 80486SXIntel 80487Intel 804878 81.4 RISC和和CISC 计算机自计算机自4040年代中叶问世以来，其体系结构的年代中叶问世以来，其体系结构的发展经历了：发展经历了：简单简单简单简单复杂复杂复杂复杂极其复杂极其复杂极其复杂极其复杂简单简单简单简单复杂复杂复杂复杂极其复杂极其复杂极其复杂极其复杂9 9C
7、ISC计算机计算机复杂指令集计算机复杂指令集计算机(Complex Instruction Set (Complex Instruction Set ComputerComputer 背景背景背景背景: : 存储资源紧缺存储资源紧缺存储资源紧缺存储资源紧缺, , 强调编译优化强调编译优化强调编译优化强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指些原来由软件实现的、常用的功能改用
8、硬件的指些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现。令系统来实现。令系统来实现。令系统来实现。1010CISC的特点的特点 为节省存储空间，强调高代码密度，为节省存储空间，强调高代码密度，为节省存储空间，强调高代码密度，为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数指令格式不固定，指令可长可短，操作数指令格式不固定，指令可长可短，操作数指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少；可多可少；可多可少；可多可少；寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，
9、也可来自存储器；也可来自存储器；也可来自存储器；也可来自存储器；采用微程序控制，执行每条指令均需完成采用微程序控制，执行每条指令均需完成采用微程序控制，执行每条指令均需完成采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列；一个微指令序列；一个微指令序列；一个微指令序列；CPI CPI ，指令越复杂，指令越复杂，指令越复杂，指令越复杂，CPICPI越大。越大。越大。越大。1111CISCCISC的主要缺点的主要缺点指令使用频度不均衡。指令使用频度不均衡。 高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。杂指令往往是低频
10、度指令。大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSIVLSI工艺工艺 VLSIVLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。度提高。( (微码的存控速度比微码的存控速度比CPUCPU慢慢5-105-10倍倍) )。软硬功能分配软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。直接访存次数增多，数据重复
11、利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用不利于先进指令级并行技术的采用1212RISC基本设计思想基本设计思想减小减小CPI: CPI: CPUtimeCPUtime= =Instr_CountInstr_Count * CPI * * CPI * Clock_cycleClock_cycle精简指令集精简指令集: :保留最基本的保留最基本的, ,去掉复杂、使用去掉复杂、使用频度不高的指令频度不高的指令采用采用Load/StoreLoad/Store结构，有助于减少指令格式，结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制采用硬接线控制代替微程序控制1
12、313RISCRISC精华精华:减少指令平均执行周期数减少指令平均执行周期数CPUtimeCPUtime= IC *= IC *CPICPI *CC *CCICICRISCRISC IC IC CISCCISC, 30%-40%, 30%-40%CCCCRISCRISC CC CCCISCCISC，C P IC P IRISCRISC CPI CPIC ISCC ISC 差差 距距 在在 缩缩 小小差差 距距 在在 缩缩 小小超标量、超流水线、超标量、超流水线、超标量、超流水线、超标量、超流水线、VLIWVLIW等系统结构，等系统结构，等系统结构，等系统结构， 目标在于减小目标在于减小目标在于
13、减小目标在于减小CPICPI， 可使可使可使可使CPI1CPI11414RISC的提出与发展的提出与发展Load/StoreLoad/Store结构提出：结构提出：结构提出：结构提出： CDC6600(1963)-CDC6600(1963)-CRAY1(1976)CRAY1(1976)RISCRISC思想最早在思想最早在思想最早在思想最早在IBMIBM公司提出，但不叫公司提出，但不叫公司提出，但不叫公司提出，但不叫RISCRISC，IBM801IBM801处理器是公认体现处理器是公认体现处理器是公认体现处理器是公认体现RISCRISC思想的机器。思想的机器。思想的机器。思想的机器。198019
14、80年，年，年，年，BerkeleyBerkeley的的的的PattersonPatterson和和和和DizelDizel提出提出提出提出RISCRISC名词，并研制了名词，并研制了名词，并研制了名词，并研制了RISC-RISC- , , 实验样机。实验样机。实验样机。实验样机。19811981年年年年StenfordStenford的的的的HennessyHennessy研制研制研制研制MIPSMIPS芯片。芯片。芯片。芯片。8585年后推出商品化年后推出商品化年后推出商品化年后推出商品化RISC: MIPS1(1986)RISC: MIPS1(1986)和和和和SPARC V1(1987
15、)SPARC V1(1987)1515高性能高性能RISC处理器典型处理器典型SUNSUN公司的公司的公司的公司的SPARC(1987)SPARC(1987)MIPSMIPS公司的公司的公司的公司的SGI:MIPS(1986)SGI:MIPS(1986)HPHP公司的公司的公司的公司的PA-RISC,PA-RISC,IBM, MotorolaIBM, Motorola公司的公司的公司的公司的PowerPCPowerPCDECDEC、CompacCompac公司的公司的公司的公司的Alpha AXPAlpha AXPIBMIBM的的的的RS6000(1990)RS6000(1990)第一台第一台
16、第一台第一台Superscalar RISCSuperscalar RISC机机机机 16161.5 数字信号处理器数字信号处理器(DSP) 乘法与加法运算乘法与加法运算离散傅立叶变换离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换离散余弦变换(DCT)Finite Impluse ResponesFilter1717 Process ability Process ability New Applications New Applications19751975198019801985198519901990199519952000200010,00010,0001,0001,0001010100100
17、1 10.10.1MIPSMIPS808680868086PentiumPentium IVIVIV 802868028680286i386i386i386i486i486i486PentiumPentiumPentium PentiumPentium II IIIIPentiumPentium IIIIIIIII18182 嵌入式片上系统嵌入式片上系统( SoC )SoCSoC - System on Chip - System on ChipCPU + DSP + USB + TCP/IP + GPRS + GSM + CPU + DSP + USB + TCP/IP + GPRS + G
18、SM + IEEE1394 + BLUETOOCH + IEEE1394 + BLUETOOCH + SOCSOC的优点的优点的优点的优点: : 改变内部工作电压，减少功耗改变内部工作电压，减少功耗改变内部工作电压，减少功耗改变内部工作电压，减少功耗 减少芯片对外管脚数，简化制造过程减少芯片对外管脚数，简化制造过程减少芯片对外管脚数，简化制造过程减少芯片对外管脚数，简化制造过程 减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时
19、引起的内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰干扰干扰干扰19192.1 SOC的设计开发的设计开发2020SOC System on Chip简介简介从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上是将系统集成在一块芯片上从广义角度讲，从广义角度讲，SoC就是一个微小型系统就是一个微小型系统 SoC不是各个芯片功能的简单叠加，而是不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计
20、和验证方法，利用合的设计和验证方法，利用IP复用及深亚复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能 SoC是是ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 设计方法学中的新技设计方法学中的新技术术 2121SoC 是市场和技术共同推动的结果是市场和技术共同推动的结果 从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提从市场层面上看，人们对集成系统的需求也在提高高高高 据预测，据预测，据预测，据预测，SoCSoC 销售额将从销售额将从销
21、售额将从销售额将从2002 2002 年的年的年的年的136136亿美元，增亿美元，增亿美元，增亿美元，增长到长到长到长到2007 2007 年的年的年的年的347 347 亿美元，年增长率超过亿美元，年增长率超过亿美元，年增长率超过亿美元，年增长率超过20%20%。 从技术层面上看，以下几个方面推动了从技术层面上看，以下几个方面推动了从技术层面上看，以下几个方面推动了从技术层面上看，以下几个方面推动了SoCSoC 技技技技术的发展术的发展术的发展术的发展 微电子技术的不断创新和发展微电子技术的不断创新和发展微电子技术的不断创新和发展微电子技术的不断创新和发展 计算机性能的大幅度提高计算机性能
22、的大幅度提高计算机性能的大幅度提高计算机性能的大幅度提高 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高 硬件描述语言的发展硬件描述语言的发展硬件描述语言的发展硬件描述语言的发展 2222SoC 芯片设计中芯片设计中 的的IP 模块模块 SoC 的设计基础是的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。）复用技术。 已有的已有的IC 电路以模块的形式在电路以模块的形式在SoC 芯片设芯片设计中调用这些可以被重复使用的计中调用这些可以被重复使用的IC 模块就
23、模块就叫做叫做IP 模块模块 IP 模块是一种预先设计好，已经过验证，模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器件或部具有某种确定功能的集成电路、器件或部件。它有件。它有3 种不同形式：软种不同形式：软IP 核核(soft IP core)、固、固IP 核核(firm IP core)和硬和硬IP 核核(hard IP core) 2323SoC的发展重点的发展重点 总线结构及互连技术总线结构及互连技术 软、硬件的协同设计技术软、硬件的协同设计技术 IP可重用技术可重用技术 低功耗设计技术低功耗设计技术 可测性设计方法学可测性设计方法学 超深亚微米实现技术超深亚微米实现技
24、术 2424SoC具有的优势具有的优势 降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其降低耗电量：随电子产品向小型化、便携化发展，对其省电需求将大幅提升，由于省电需求将大幅提升，由于省电需求将大幅提升，由于省电需求将大幅提升，由于SoCSoC 产品多采用内部讯号的产品多采用内部讯号的产品多采用内部讯号的产品多采用内部讯号的传输，可以大幅降低功耗。传输，可以大幅降低功耗。传输，可以大幅降低功耗。传输，可以大幅降低功耗。 减少体积：数颗减少体积：数颗减少体积：数颗减少体积：数颗IC IC 整合为一颗整
25、合为一颗整合为一颗整合为一颗SoCSoC 后，可有效缩小电后，可有效缩小电后，可有效缩小电后，可有效缩小电路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。路板上占用的面积，达到重量轻、体积小的特色。 丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，间内，间内，间内，SoCSoC 可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功可整合更多
26、的功能元件和组件，丰富系统功可整合更多的功能元件和组件，丰富系统功能。能。能。能。 提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升，而使产品性能有所提高。传输效率将提升，而使产品性能有所提高。传输效率将提升，而使产品性能有所提高。传输效率将提升，而使产品性能有所提高。 节省成本：理论上，节省成本：理论上，节省成本：理论上，节省成本：理论上，IP IP 模块的出现可以减少研发成本，模块的出现可以减少研发成本，模块的出现可以减少研发成本，模
27、块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，降低研发时间，可适度节省成本。不过，在实际应用中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增加，及生产成品率下降。加，及生产成品率下降。加，及生产成品率下降。加，及生产成品率下降。25253 整和型嵌入式处理器整和型嵌入式处理器目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可目前嵌入式
28、处理器按其体系结构的不同可分为五大类分为五大类ARMARMMIPSMIPSPOWER PCPOWER PCX86X86SHSH系列系列系列系列 262627273.1 ARM 公司的公司的ARM RISC处理器处理器ARM 7 Thumb 家族家族ARM 9 Thumb 家族家族ARM 10 Thumb 家族家族282829293.2 Intel StrongARMStrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111303031313.3 德州仪器德州仪器TMS320 DSP处理器处理器TMS320C5X DSP家族家族TMS320C6
29、X DSP家族家族32323.4 Philips公司的公司的Trimedia33333.5德州仪器德州仪器OMAP处理器处理器34343.6 INTEL的的Xscale架构处理器架构处理器基于ARM V5TE体系结构兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线35353636Thin ClientsThin ClientsNetwork DevicesNetwork DevicesOffice Office A
30、utomationAutomationKiosk/ATMKiosk/ATMGame PlatformsGame PlatformsIndustrialIndustrialAutomationAutomationEmbedded DevicesRetail POSRetail POSSet-Top-BoxSet-Top-BoxGateway/Media StoreGateway/Media StoreIntel ArchitectureIntel XScale37373.7 MIPS RISC38383939从从从从19861986年推出年推出年推出年推出R2000R2000处理器以来，陆续推出
31、处理器以来，陆续推出处理器以来，陆续推出处理器以来，陆续推出R3000R3000、R4000R4000、R8000R8000等。等。等。等。之后之后之后之后,MIPS,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌公司的战略发生变化，把重点放在嵌公司的战略发生变化，把重点放在嵌公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。入式系统。入式系统。入式系统。19991999年，年，年，年，MIPSMIPS公司发布了公司发布了公司发布了公司发布了MIPS32MIPS32和和和和MIPS64MIPS64体体体体系结构标准，集成了原来所有的系结构标准，集成了原来所有的系结构标准，集成了原来所有的系结构标准，集成了原
32、来所有的MIPSMIPS指令集，指令集，指令集，指令集，并且增加了许多更强大的功能。并且增加了许多更强大的功能。并且增加了许多更强大的功能。并且增加了许多更强大的功能。此后此后此后此后MIPSMIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的公司又陆续开发了高性能、低功耗的公司又陆续开发了高性能、低功耗的公司又陆续开发了高性能、低功耗的3232位和位和位和位和6464位处理器内核。位处理器内核。位处理器内核。位处理器内核。 4040 在在在在MIPSMIPS的的的的3232位内核中位内核中位内核中位内核中 4K4K系列对应于系列对应于系列对应于系列对应于SOCSOC应用设计；应用设计；应用设计；应用设计
33、； M4KM4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多的多的多的多CPU SOCCPU SOC所设计；所设计；所设计；所设计； 4KE4KE系列具有目前系列具有目前系列具有目前系列具有目前3232位通用嵌入式处理器中最高的位通用嵌入式处理器中最高的位通用嵌入式处理器中最高的位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHzDMIPS/MHz性能指性能指性能指性能指标；标；标；标； 4KS4KS系列由于采用
34、了特殊的系列由于采用了特殊的系列由于采用了特殊的系列由于采用了特殊的SmartMIPSSmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全体系结构，特别适用于需要安全体系结构，特别适用于需要安全体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等；数据传输的领域，比如网络、智能卡等；数据传输的领域，比如网络、智能卡等；数据传输的领域，比如网络、智能卡等； Pro SeriesPro Series系列则通过特有的系列则通过特有的系列则通过特有的系列则通过特有的CorExtendCorExtend技术，使得技术，使得技术，使得技术，使得SOCSOC设计获得了空设计获得了空设计获得了空设计获得了
35、空前的灵活性；前的灵活性；前的灵活性；前的灵活性； 24K24K系列除了支持系列除了支持系列除了支持系列除了支持CorExtendCorExtend技术以外，还为技术以外，还为技术以外，还为技术以外，还为JavaJava和图形应用做了特别和图形应用做了特别和图形应用做了特别和图形应用做了特别的优化。的优化。的优化。的优化。 5K5K和和和和20Kc20Kc系列属于系列属于系列属于系列属于MIPSMIPS的的的的6464位内核位内核位内核位内核 5K5K能提供能提供能提供能提供1.4DMIPS/MHz1.4DMIPS/MHz的性能以及最低的性能以及最低的性能以及最低的性能以及最低350MHz35
36、0MHz的运行速率。的运行速率。的运行速率。的运行速率。 20Kc20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在是当今最快的可授权嵌入式处理器内核。一般运行在600MHz600MHz，具，具，具，具有有有有7 7段流水线的段流水线的段流水线的段流水线的20Kc20Kc内核，能提供内核，能提供内核，能提供内核，能提供1.2GFLOPS1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。的峰值浮点运算能力。的峰值浮点运算能力。的峰值浮点运算能力。41414242在嵌入式处理器市场中，基于在嵌入式处理器市场中，基于
37、在嵌入式处理器市场中，基于在嵌入式处理器市场中，基于MIPSMIPS内核的处理内核的处理内核的处理内核的处理器占据了相当大的数量器占据了相当大的数量器占据了相当大的数量器占据了相当大的数量20022002年，一共付运了年，一共付运了年，一共付运了年，一共付运了87008700万片采用万片采用万片采用万片采用MIPSMIPS内核的内核的内核的内核的嵌入式处理器。嵌入式处理器。嵌入式处理器。嵌入式处理器。份额仅次于份额仅次于份额仅次于份额仅次于ARMARM位居全球第二。位居全球第二。位居全球第二。位居全球第二。在目前快速增长的比如在目前快速增长的比如在目前快速增长的比如在目前快速增长的比如Cabl
38、e ModemCable Modem、DSL DSL ModemModem、DVDDVD录像机等领域内，录像机等领域内，录像机等领域内，录像机等领域内，MIPSMIPS的市场份的市场份的市场份的市场份额位居第一。额位居第一。额位居第一。额位居第一。MIPSMIPS的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了AMDAMD，IDTIDT，NECNEC，TITI，SONYSONY等众多厂商等众多厂商等众多厂商等众多厂商43433.8 Motorola的的DragonBall VZ 44443.9 Alchemy处理器处理器 AMD公司在收购了公司在收购了Alchemy Semic
39、onductor Inc.之后，推出了一系列之后，推出了一系列的基于的基于MIPS体系结构的体系结构的Alchemy处理器处理器用途：用途：便携式设备、便携式设备、便携式设备、便携式设备、VoIPVoIP设备、设备、设备、设备、NASNAS单元单元单元单元 AMD Alchemy处理器家族包括处理器家族包括Au1000、Au1100、Au1500和和Au1550等四款等四款 454546463.10 Power PC体系结构体系结构 Motorola半导体（现半导体（现Freescale半导体）半导体）联合联合IBM以及苹果电脑以及苹果电脑 474748483.11 X86体系结构体系结构 I
40、ntel X86体系结构体系结构AMD最新的最新的X86体系结构嵌入式处理器产体系结构嵌入式处理器产品为品为Geode 系列处理器系列处理器 Geode GX DB533,采用采用Geode 533的嵌入的嵌入式硬件系统式硬件系统 49493.12 SH体系结构体系结构SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司系列是由前日立半导体公司（现（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的系列的CPU指令格式是固定的，只有一指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需即使是复杂的乘加指令也
41、仅需2个时钟周期个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，为了克服内存访问的瓶颈，SH的的CPU简化简化寻址方式，采用寻址方式，采用Load/Store(装载装载/存储存储)结结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间问内存的时间 50501999年底，年底，SH系列累计生产达系列累计生产达1.18亿片。亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的占总量的36%，第二位是办公自动化，占，第二位是办公自动化，占总量的总量的26%；第三位是消费领域；再其次；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。的是通信领域。此外，汽车
42、导航、定位、控制系统，也是此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。系列不小的一个市场。在美国，在美国，SH系列占有较大的市场份额系列占有较大的市场份额 515152524 总线总线总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率53534.1 ISAIBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16
43、 位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。54544.2 PCI1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG55554.3 I2CPHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串行总线I2C(inter IC 总线)56564.4 PC104PC104是一
44、种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应57574.5 CAN“Controller Area Network”即控制器局域网被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。5858CPCIATCAPCI EXPRESS59595 高速输入与输出接口高速输入与输出接口5.1 IrDA/FastIrDA红外线发光
45、二极管红外线发光二极管发射发射发射发射硅晶硅晶PIN光检二极管光检二极管接受接受接受接受控制电路控制电路6060距离距离小于一尺小于一尺小于一尺小于一尺低速低速9.6115K bps9.6115K bps高速高速14M bps14M bps更高速更高速16M bps16M bps6161红外线接口红外线接口 62625.2 USBIBM、Compaq、Nortel、NEC、 Intel以以及及Microsoft联合联合12M bps距离距离5 米米树拓扑结构，树拓扑结构，127个点个点低速低速 1.5 M bpsUSB 2.0 速率高达速率高达480Mbps63635.3 Ethernet/F
46、ast Ethernet802.3 / 802.3n10M Ethernet100M Ethernet采用什么协议采用什么协议? CSMA/CD64645.4 IEEE139420400M bps起源于起源于APPLE的的FireWire支持支持63个器件个器件长度几米长度几米6565使用使用1394的数字机顶盒架构图的数字机顶盒架构图66665.5 蓝牙模块蓝牙模块 （bluetooth)无线传输收发单元无线传输收发单元基频处理单元基频处理单元数据传输接口数据传输接口通信频率在通信频率在1.2GHZ以内。以内。67676868蓝牙和红外线的比较：蓝牙和红外线的比较：69696 输入输出装置输
47、入输出装置6.1 触控面板触控面板电容式电容式音波式音波式红外线式红外线式近场感应式近场感应式电阻式电阻式XGT式式防水、防火、防刮、抗菌防水、防火、防刮、抗菌7070电阻式触控面板结构电阻式触控面板结构7171语音输入输出技术语音输入输出技术 语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器语音识别输入的实现可以在嵌入式处理器功能足够强大时用相应的软件实现功能足够强大时用相应的软件实现也可以使用专用芯片增加一个硬件功能模也可以使用专用芯片增加一个硬件功能模块块 语音识别技术以识别方法来分，有模板匹语音识别技术以识别方法来分，有模板匹配法、随机模型法和概率语法分析法。这配法、随机模型法和概率语法分析法。这
48、三种方法都属于统计模式识别方法。三种方法都属于统计模式识别方法。 以识别范围来分，分为语音从属以识别范围来分，分为语音从属（speaker-dependent） 模式和语音独立模式和语音独立（speaker-independent）模式）模式 72726 6 个个个个I/O I/O 口实现的口实现的口实现的口实现的55 55 按键矩阵的示意图按键矩阵的示意图按键矩阵的示意图按键矩阵的示意图 73736.2 LCD显示器显示器Liquid Crystal Display液晶介于固态和液态液晶介于固态和液态用于显示GUI（图象用户界面）环境下的文字和图象数据适用于低压、微功耗电路。7474段式液晶
49、常见段式液晶的每字为8 段组成，即8 字和一点，只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异图形点阵式液晶又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT 等几类7575彩色LCD 分：主动式主动式LCD(有源有源, active)高端产品使用高端产品使用高端产品使用高端产品使用, ,如如如如TFTTFT被动式被动式LCD(无源无源,passive)中低端产品，如中低端产品，如中低端产品，如中低端产品，如STNSTN手机等手机等手机等手机等7676LCD结构图结构图7777触摸屏触摸屏 嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电嵌入式系统
50、中的触摸屏分为电阻式、电容式和电嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电嵌入式系统中的触摸屏分为电阻式、电容式和电感式三种感式三种感式三种感式三种 其中电阻式触摸屏最为常用其中电阻式触摸屏最为常用其中电阻式触摸屏最为常用其中电阻式触摸屏最为常用 电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明电阻触摸屏的工作部分一般由三部分组成，两层透明的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极的阻性导体层、两层导体之间的隔离层、电极 触摸屏
51、工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度。 如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加如有外力使得上下两层在某一点接触，则在电极未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接电压的另一层可
52、以测得接触点处的电压，从而知道接电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接电压的另一层可以测得接触点处的电压，从而知道接触点处的坐标。触点处的坐标。触点处的坐标。触点处的坐标。7878电容式触摸屏电容式触摸屏电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的电容式触摸屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂一层内表面和夹层各涂一层内表面和夹层各涂一层内表面和夹层各涂一层ITO ITO ，四个角引出四个电，四个角引出四个电，四个角引出四个电，四个角引出四个电极极极极 。当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手
53、指当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指当用户触摸电容屏时，由于人体电场，用户手指和工作面形成一个耦合电容，和工作面形成一个耦合电容，和工作面形成一个耦合电容，和工作面形成一个耦合电容，因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一因为工作面上接有高频信号，于是手指会吸收一个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的个很小的电流，这个电流分别从屏的四个角上的电极中流出，电极中流出，电极中流
54、出，电极中流出，理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距理论上流经四个电极的电流与手指头到四角的距离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计离成比例，控制器通过对四个电流比例的精密计算，得出位置算，得出位置算，得出位置算，得出位置 7979电感式触摸屏电感式触摸屏 电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安电感式触摸屏的工作原理是在触摸笔中安装装LC 谐振线圈谐振线圈通过改变与安装有激励线圈及感应线圈的通过改变与安装有激励线圈及感应
55、线圈的触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变触摸屏之间的空间距离，使电磁场发生变化从而计算出触点的位置化从而计算出触点的位置 80807 存储器存储器RAM( SRAM DRAM )ROMEPROMEEPROMFLASH ROM81818 扩充装置扩充装置8.1 CF8.1 CF扩充装扩充装扩充装扩充装Compact FlashCompact Flash所有所有所有所有Windows CE Windows CE 支持支持支持支持82828 8.2 SD.2 SD扩充装置（扩充装置（扩充装置（扩充装置（Secure DigitalSecure Digital）Panasonic Scandisk
56、ToshibaPanasonic Scandisk Toshiba83838.3 Memory Stick (Sony)8.3 Memory Stick (Sony)84848.4 Springboard (Palm 8.4 Springboard (Palm osos 的的的的VisorVisor专用）专用）专用）专用）8585闪速存储器闪速存储器(FLASH) 相对传统的相对传统的EEPROM芯片，这种芯片可以芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器，故由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于其集成度更高，制造成
57、本低于DRAM 它使用方便，既具有它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性读写的灵活性和较快的访问速度，又具有和较快的访问速度，又具有ROM在断电后在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展最迅速技术发展最迅速 8686NOR技术技术 NORNOR技术（亦称为技术（亦称为技术（亦称为技术（亦称为LinearLinear技术）闪速存储器是最早出现的技术）闪速存储器是最早出现的技术）闪速存储器是最早出现的技术）闪速存储器是最早出现的Flash Flash MemoryMemory，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的，目前仍是多数供应商支持的技
58、术架构。它源于传统的，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的，目前仍是多数供应商支持的技术架构。它源于传统的EPROMEPROM器件，器件，器件，器件， 与其它与其它与其它与其它Flash MemoryFlash Memory技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快技术相比，具有可靠性高、随机读取速度快的优势，的优势，的优势，的优势， 在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存在擦除和编程
59、操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码存储的应用中广泛使用，如储的应用中广泛使用，如储的应用中广泛使用，如储的应用中广泛使用，如PCPC的的的的BIOSBIOS固件、移动电话、硬盘驱动固件、移动电话、硬盘驱动固件、移动电话、硬盘驱动固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。器的控制存储器等。器的控制存储器等。器的控制存储器等。 NORNOR技术技术技术技术Flash MemoryFlash Memory具有以下特点：具有以下特点：具有以下特点：具有以下特点： （程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地（程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地（程序和数据可存放在同一
60、芯片上，拥有独立的数据总线和地（程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机读取，允许系统直接从址总线，能快速随机读取，允许系统直接从址总线，能快速随机读取，允许系统直接从址总线，能快速随机读取，允许系统直接从FlashFlash中读取代码中读取代码中读取代码中读取代码执行，而无需先将代码下载至执行，而无需先将代码下载至执行，而无需先将代码下载至执行，而无需先将代码下载至RAMRAM中再执行；中再执行；中再执行；中再执行； 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除
61、，必须以块为单位可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对或对整片执行擦除操作，在对存储器进行重新编程之前需要对块或整片进行预编程和擦除操作。块或整片进行预编程和擦除操作。块或整片进行预编程和擦除操作。块或整片进行预编程和擦除操作。 由于由于由于由于NORNOR技术技术技术技术Flash MemoryFlash Memory的擦除和编程速度较慢，而块尺寸的擦除和编程速度较慢，而块尺寸的擦除和编程速度较慢，而块尺寸的擦除和编
62、程速度较慢，而块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储又较大，因此擦除和编程操作所花费的时间很长，在纯数据存储和文件存储的应用中，和文件存储的应用中，和文件存储的应用中，和文件存储的应用中，NORNOR技术显得力不从心。技术显得力不从心。技术显得力不从心。技术显得力不从心。8787NAND技术技术 NANDNAND技术技术技术技术 Flash MemoryFlash Memory具有以下特点：具有以下特点：具有以下特点：具有以下特点： 以页为单位进行读和编程操作
63、，以页为单位进行读和编程操作，以页为单位进行读和编程操作，以页为单位进行读和编程操作，1 1页为页为页为页为256256或或或或512B512B（字节）（字节）（字节）（字节）；以块为单位进行擦除操作，；以块为单位进行擦除操作，；以块为单位进行擦除操作，；以块为单位进行擦除操作，1 1块为块为块为块为4K4K、8K8K或或或或16KB16KB。具。具。具。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2ms2ms；而；而；而；而NORNOR技术的块擦除时间达到几百技术的块擦除时间达到几百
64、技术的块擦除时间达到几百技术的块擦除时间达到几百msms。 数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度数据、地址采用同一总线，实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。慢且不能按字节随机编程。慢且不能按字节随机编程。慢且不能按字节随机编程。 芯片尺寸小，引脚少，是位成本芯片尺寸小，引脚少，是位成本芯片尺寸小，引脚少，是位成本芯片尺寸小，引脚少，是位成本(bit cost)(bit cost)最低的固态存最低的固态存最低的固态存最低的固态存储器，将很快突破每兆字节储器，将很快突破每
65、兆字节储器，将很快突破每兆字节储器，将很快突破每兆字节1 1美元的价格限制。美元的价格限制。美元的价格限制。美元的价格限制。 芯片包含有失效块，其数目最大可达到芯片包含有失效块，其数目最大可达到芯片包含有失效块，其数目最大可达到芯片包含有失效块，其数目最大可达到335335块（取决于存块（取决于存块（取决于存块（取决于存储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需储器密度）。失效块不会影响有效块的性能，但设计者需要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。要将失效块
66、在地址映射表中屏蔽起来。要将失效块在地址映射表中屏蔽起来。 SamsungSamsung公司在公司在公司在公司在19991999年底开发出世界上第一颗年底开发出世界上第一颗年底开发出世界上第一颗年底开发出世界上第一颗1Gb 1Gb NANDNAND技术闪速存储器。技术闪速存储器。技术闪速存储器。技术闪速存储器。 基于基于基于基于NANDNAND的存储器可以取代硬盘或其他块设备。的存储器可以取代硬盘或其他块设备。的存储器可以取代硬盘或其他块设备。的存储器可以取代硬盘或其他块设备。8888AND技术技术 ANDAND技术是技术是技术是技术是HitachiHitachi公司的专利技术。公司的专利技术
67、。公司的专利技术。公司的专利技术。 ANDAND技术与技术与技术与技术与NANDNAND一样采用一样采用一样采用一样采用“ “大多数完好的存储器大多数完好的存储器大多数完好的存储器大多数完好的存储器” ”概念概念概念概念 HitachiHitachi和和和和MitsubishiMitsubishi公司采用公司采用公司采用公司采用0.18m0.18m的制造工艺，并的制造工艺，并的制造工艺，并的制造工艺，并结合结合结合结合MLCMLC技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、技术，生产出芯片尺寸更小、存储容量更大、功耗更
68、低的功耗更低的功耗更低的功耗更低的512Mb-AND Flash Memory512Mb-AND Flash Memory，再利用双密，再利用双密，再利用双密，再利用双密度封装技术度封装技术度封装技术度封装技术DDPDDP（Double Density Package Double Density Package TechnologyTechnology），将），将），将），将2 2片片片片512Mb512Mb芯片叠加在芯片叠加在芯片叠加在芯片叠加在1 1片片片片TSOP48TSOP48的封装内，形成一片的封装内，形成一片的封装内，形成一片的封装内，形成一片1Gb1Gb芯片。芯片。芯片。芯片。
69、 HN29V51211THN29V51211T具有突出的低功耗特性，读电流为具有突出的低功耗特性，读电流为具有突出的低功耗特性，读电流为具有突出的低功耗特性，读电流为2mA2mA，待机电流仅为，待机电流仅为，待机电流仅为，待机电流仅为1A1A 由于其内部存在与块大小一致的内部由于其内部存在与块大小一致的内部由于其内部存在与块大小一致的内部由于其内部存在与块大小一致的内部RAM RAM 缓冲区，使缓冲区，使缓冲区，使缓冲区，使得得得得ANDAND技术不像其他采用技术不像其他采用技术不像其他采用技术不像其他采用MLCMLC的闪速存储器技术那样的闪速存储器技术那样的闪速存储器技术那样的闪速存储器技术
70、那样写入性能严重下降。写入性能严重下降。写入性能严重下降。写入性能严重下降。8989由由EEPROM派生的闪速存储器派生的闪速存储器EEPROMEEPROM具有很高的灵活性，可以单字节读写具有很高的灵活性，可以单字节读写具有很高的灵活性，可以单字节读写具有很高的灵活性，可以单字节读写（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度（不需要擦除，可直接改写数据），但存储密度小，单位成本高。小，单位成本高。小，单位成本高。小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以部分制造商生产出另一类以部分制造商生产出另一类以部分制造商生
71、产出另一类以EEPROMEEPROM做闪速存做闪速存做闪速存做闪速存储阵列的储阵列的储阵列的储阵列的Flash MemoryFlash Memory，如，如，如，如ATMELATMEL、SSTSST的小的小的小的小扇区结构闪速存储器（扇区结构闪速存储器（扇区结构闪速存储器（扇区结构闪速存储器（Small Sector Flash Small Sector Flash MemoryMemory）和）和）和）和ATMELATMEL的海量存储器（的海量存储器（的海量存储器（的海量存储器（Data-Data-Flash MemoryFlash Memory）。）。）。）。这类器件具有这类器件具有这类器
72、件具有这类器件具有EEPROMEEPROM与与与与NORNOR技术技术技术技术Flash Flash MemoryMemory二者折衷的性能特点：二者折衷的性能特点：二者折衷的性能特点：二者折衷的性能特点： 读写的灵活性逊于读写的灵活性逊于读写的灵活性逊于读写的灵活性逊于EEPROMEEPROM，不能直接改写数据。，不能直接改写数据。，不能直接改写数据。，不能直接改写数据。 与与与与EEPROMEEPROM比较，具有明显的成本优势。比较，具有明显的成本优势。比较，具有明显的成本优势。比较，具有明显的成本优势。 存储密度比存储密度比存储密度比存储密度比EEPROMEEPROM大，但比大，但比大，
73、但比大，但比NORNOR技术技术技术技术Flash Flash MemoryMemory小小小小9090CF卡卡91919. 嵌入式系统硬件方案分析与设计嵌入式系统硬件方案分析与设计三个阶段：三个阶段：系统方案分析与设计系统方案分析与设计系统方案分析与设计系统方案分析与设计PCBPCB的仿真设计的仿真设计的仿真设计的仿真设计PCBPCB的调试与测试的调试与测试的调试与测试的调试与测试 9292系统方案分析与设计阶段系统方案分析与设计阶段 根据系统所要完成的功能，选择合适的处根据系统所要完成的功能，选择合适的处理器和外围器件，完成系统的功能框图设理器和外围器件，完成系统的功能框图设计和原理图设计
74、计和原理图设计 9393PCB仿真设计阶段仿真设计阶段需要在需要在EDA仿真设计平台下，对仿真设计平台下，对PCB板上板上的信号完整性、的信号完整性、EMI等进行仿真，根据仿等进行仿真，根据仿真结果来对真结果来对PCB进行合理的布局布线，完进行合理的布局布线，完成成PCB的设计的设计 9494PCB的加工的加工对加工完成的对加工完成的PCB进行调试和测试，完成进行调试和测试，完成整个系统硬件的设计整个系统硬件的设计 9595以一个便携式以一个便携式GPS导航系统的开发实例来导航系统的开发实例来说明整个系统设计的流程说明整个系统设计的流程 9696需求需求便携式GPS导航系统是一个手持的电池供电
75、系统，需要完成以下功能 能够存储电子地图信息并在能够存储电子地图信息并在LCDLCD显示屏上显示显示屏上显示能够接收能够接收GPSGPS信号，根据信号，根据GPSGPS收到的信息可收到的信息可以确定当前在地图中所处的位置以确定当前在地图中所处的位置给定起点和终点可以计算出合理的行进路线给定起点和终点可以计算出合理的行进路线可以通过以太网下载更新电子地图或系统软件可以通过以太网下载更新电子地图或系统软件有有USBUSB主端接口，满足主端接口，满足USB1.1USB1.1规范，可以挂规范，可以挂接键盘、鼠标和存储设备等接键盘、鼠标和存储设备等9797分析分析根据系统功能，可以确定该系统需要有以下的
76、内根据系统功能，可以确定该系统需要有以下的内存和功能接口存和功能接口 32MB Flash32MB Flash存储器，用于存储电子地图信息存储器，用于存储电子地图信息 4MB Flash4MB Flash存储器，用于存储系统软件存储器，用于存储系统软件 64MB SDRAM64MB SDRAM，用作系统运行内存，用作系统运行内存 TFT-LCDTFT-LCD接口，支持接口，支持1616位颜色，位颜色，6.46.4英寸英寸TFT-LCDTFT-LCD显显示屏示屏 RS232RS232接口，用于与接口，用于与GPSGPS模块通讯模块通讯 10M10M以太网接口以太网接口 USBUSB主端接口主端接
77、口 支持支持6.46.4英寸四线电阻式触摸屏英寸四线电阻式触摸屏9898处理器的选择处理器的选择 嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的嵌入式系统设计的差异性极大，因此选择是多样化的 选择：选择：选择：选择： PXA255PXA255是是是是Intel Intel 公司采用公司采用公司采用公司采用XScaleXScale微体系结构开发的一款嵌入式微体系结构开发的一款嵌入式微体系结构开发的一款嵌入式微体系结构开发的一款嵌入式处理器，主要面向手持多媒体应用处理器，主要面向手持多媒体应用处理器，主要面
78、向手持多媒体应用处理器，主要面向手持多媒体应用 特性特性特性特性 高性能、低功耗的高性能、低功耗的高性能、低功耗的高性能、低功耗的XScaleXScale处理器核，时钟频率按不同型号分为处理器核，时钟频率按不同型号分为处理器核，时钟频率按不同型号分为处理器核，时钟频率按不同型号分为200MHz200MHz、300MHz300MHz和和和和400MHz400MHz 系统总线速度比系统总线速度比系统总线速度比系统总线速度比PXA250PXA250提高一倍，当内核工作在提高一倍，当内核工作在提高一倍，当内核工作在提高一倍，当内核工作在400MHz400MHz时系时系时系时系统总线频率为统总线频率为统
79、总线频率为统总线频率为200MHz200MHz 采用采用采用采用0.180.18微米工艺制造，微米工艺制造，微米工艺制造，微米工艺制造，17 mm x 17 mm x 1.75mm17 mm x 17 mm x 1.75mm，256256脚脚脚脚PBGAPBGA封装封装封装封装 采用采用采用采用IntelIntel多媒体处理技术多媒体处理技术多媒体处理技术多媒体处理技术 增强型存储器控制器，支持增强型存储器控制器，支持增强型存储器控制器，支持增强型存储器控制器，支持2.5V2.5V3.3V3.3V、16163232位的存储器位的存储器位的存储器位的存储器 支持支持支持支持MMCMMCSDSD卡
80、和卡和卡和卡和PCMCIAPCMCIACFCF卡卡卡卡 提供提供提供提供920Kbps920Kbps蓝牙接口蓝牙接口蓝牙接口蓝牙接口9999 外围部件外围部件外围部件外围部件 存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支存储器控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支持持持持4 4个个个个SDRAMSDRAM分区，分区，分区，分区，6 6个个个个SRAMSRAM、SSRAMSSRAM、FLASHFLASH、ROMROM、SROMSROM静态片选和静态片选和静态片选
81、和静态片选和2 2个个个个PCMCIAPCMCIA或或或或COMPACT FLASHCOMPACT FLASH槽槽槽槽 时钟和电源控制器。时钟可由时钟和电源控制器。时钟可由时钟和电源控制器。时钟可由时钟和电源控制器。时钟可由3.6864MHz3.6864MHz和一个可选的和一个可选的和一个可选的和一个可选的32.768KHz32.768KHz两种晶体驱动。两种晶体驱动。两种晶体驱动。两种晶体驱动。3.6864MHz3.6864MHz晶体驱动一个核心锁相环晶体驱动一个核心锁相环晶体驱动一个核心锁相环晶体驱动一个核心锁相环和一个外围锁相环。和一个外围锁相环。和一个外围锁相环。和一个外围锁相环。32
82、.768KHz32.768KHz晶体产生一个硬件复位后选定的晶体产生一个硬件复位后选定的晶体产生一个硬件复位后选定的晶体产生一个硬件复位后选定的可选时钟源，用于驱动实时时钟可选时钟源，用于驱动实时时钟可选时钟源，用于驱动实时时钟可选时钟源，用于驱动实时时钟 (RTC)(RTC)、电源管理控制器和中断、电源管理控制器和中断、电源管理控制器和中断、电源管理控制器和中断控制器控制器控制器控制器 USBUSB从端设备控制器。支持多达从端设备控制器。支持多达从端设备控制器。支持多达从端设备控制器。支持多达1616个终结点，提供一个内部产个终结点，提供一个内部产个终结点，提供一个内部产个终结点，提供一个内
83、部产生的生的生的生的48MHz48MHz时钟时钟时钟时钟 DMADMA控制器。提供控制器。提供控制器。提供控制器。提供1616个优先级不同的通道，用于响应来自片内个优先级不同的通道，用于响应来自片内个优先级不同的通道，用于响应来自片内个优先级不同的通道，用于响应来自片内外围部件和片外设备的数据传输请求外围部件和片外设备的数据传输请求外围部件和片外设备的数据传输请求外围部件和片外设备的数据传输请求 液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显（DSTNDSTN，俗称伪彩），俗称伪彩）
84、，俗称伪彩），俗称伪彩）或有源阵列彩显（或有源阵列彩显（或有源阵列彩显（或有源阵列彩显（TFTTFT，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分，俗称真彩）屏的接口。最大支持显示分辨率为辨率为辨率为辨率为1024102410241024像素像素像素像素100100 AC97AC97控制器。支持控制器。支持控制器。支持控制器。支持AC97 2.0AC97 2.0修订版本的多媒体数字信号编解码修订版本的多媒体数字信号编解码修订版本的多媒体数字信号编解码修订版本的多媒体数字信号编解码器，为立体器，为立体器，为立体器，为立体PCMPCM输
85、入输出、输入输出、输入输出、输入输出、ModemModem输入输出和单一的麦克风输输入输出和单一的麦克风输输入输出和单一的麦克风输输入输出和单一的麦克风输入都提供了单独的入都提供了单独的入都提供了单独的入都提供了单独的1616位通道位通道位通道位通道 I2SI2S控制器。为标准控制器。为标准控制器。为标准控制器。为标准I2SI2S多媒体数字信号编解码器提供了串行连接。多媒体数字信号编解码器提供了串行连接。多媒体数字信号编解码器提供了串行连接。多媒体数字信号编解码器提供了串行连接。I2SI2S控制器引脚与控制器引脚与控制器引脚与控制器引脚与AC97AC97控制器引脚复用控制器引脚复用控制器引脚复
86、用控制器引脚复用 MMCMMC控制器。提供到标准存储卡的串行接口控制器。提供到标准存储卡的串行接口控制器。提供到标准存储卡的串行接口控制器。提供到标准存储卡的串行接口, ,数据传输速率最高数据传输速率最高数据传输速率最高数据传输速率最高可达可达可达可达20Mbps20Mbps 高速红外高速红外高速红外高速红外 (FIR) (FIR) 通讯端口。基于通讯端口。基于通讯端口。基于通讯端口。基于4Mbps4Mbps的红外数据协会的红外数据协会的红外数据协会的红外数据协会 (IrDA) (IrDA) 规格，工作于半双工模式下规格，工作于半双工模式下规格，工作于半双工模式下规格，工作于半双工模式下 同步
87、串行协议端口同步串行协议端口同步串行协议端口同步串行协议端口 (SSP) (SSP) 控制器。提供控制器。提供控制器。提供控制器。提供7.2Kbps7.2Kbps到到到到1.84Mbps1.84Mbps的的的的全双工同步串行接口。全双工同步串行接口。全双工同步串行接口。全双工同步串行接口。SSPSSP接口支持接口支持接口支持接口支持National Semiconductor National Semiconductor 的的的的MicrowireMicrowire协议、协议、协议、协议、Texas InstrumentsTexas Instruments的同步串行协议的同步串行协议的同步串行
88、协议的同步串行协议（SSPSSP）和）和）和）和Motorola Motorola 的的的的SPISPI协议协议协议协议 I2CI2C总线接口单元。提供总线接口单元。提供总线接口单元。提供总线接口单元。提供2 2个引脚的通用串行通讯端口，其中一个个引脚的通用串行通讯端口，其中一个个引脚的通用串行通讯端口，其中一个个引脚的通用串行通讯端口，其中一个引脚用于数据和地址，另一个用于时钟引脚用于数据和地址，另一个用于时钟引脚用于数据和地址，另一个用于时钟引脚用于数据和地址，另一个用于时钟101101 通用通用通用通用I/OI/O引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出引脚。每个引脚都可以独立地编
89、程定义为输入或输出引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出 4 4个个个个UARTUART。每一个。每一个。每一个。每一个UARTUART都能用作低速红外收发都能用作低速红外收发都能用作低速红外收发都能用作低速红外收发 全功能全功能全功能全功能UART (FFUART)UART (FFUART)：可编程波特率最大为：可编程波特率最大为：可编程波特率最大为：可编程波特率最大为230Kbps230Kbps，提供完整的，提供完整的，提供完整的，提供完整的modemmodem控制引脚控制引脚控制引脚控制引脚 蓝牙蓝牙蓝牙蓝牙UART (BTUART)
90、UART (BTUART)：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达921Kbps921Kbps，提供部分，提供部分，提供部分，提供部分modemmodem控制引脚控制引脚控制引脚控制引脚 标准标准标准标准UART (STUART)UART (STUART)：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达：可编程波特率最高可达230Kbps230Kbps，不提供任何，不提供任何，不提供任何，不提供任何modemmodem控制引脚，但可通过控制引脚，但可通过控制引脚，但可通过控制引脚，但可通过GPIOGPIO引脚提供引脚提供引脚提供
91、引脚提供 硬件硬件硬件硬件UART (HWUART)UART (HWUART)：它带有硬件流控制，提供部分：它带有硬件流控制，提供部分：它带有硬件流控制，提供部分：它带有硬件流控制，提供部分modemmodem控制引脚，控制引脚，控制引脚，控制引脚，其编程可调的波特率可高达其编程可调的波特率可高达其编程可调的波特率可高达其编程可调的波特率可高达921.6Kbps921.6Kbps。硬件。硬件。硬件。硬件UARTUART的引脚与的引脚与的引脚与的引脚与PCMCIAPCMCIA的控的控的控的控制引脚复用制引脚复用制引脚复用制引脚复用 实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，
92、实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器，可用于从休眠模式中唤醒处理器可用于从休眠模式中唤醒处理器可用于从休眠模式中唤醒处理器可用于从休眠模式中唤醒处理器 OSOS定时器。可用于提供一个带有定时器。可用于提供一个带有定时器。可用于提供一个带有定时器。可用于提供一个带有4 4个寄存器的个寄存器的个寄存器的个寄存器的3.6864MHz3.6864MHz参考计数器。参考计数器。参考计数器。参考计数器。这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗
93、中断这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断 脉冲宽度调制脉冲宽度调制脉冲宽度调制脉冲宽度调制 (PWM)(PWM)。其频率和占空比可以独立编程。其频率和占空比可以独立编程。其频率和占空比可以独立编程。其频率和占空比可以独立编程 中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源 网络同步
94、串行协议端口网络同步串行协议端口网络同步串行协议端口网络同步串行协议端口 (NSSP)(NSSP)。该端口可用于连接其他的网络。该端口可用于连接其他的网络。该端口可用于连接其他的网络。该端口可用于连接其他的网络ASICASIC102102为什么选择为什么选择PXA255？ 处理器性能处理器性能 不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选不是在于挑选速度最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和取能够完成作业的处理器和取能够完成作业的处理器和取能够完成作业的处理器和I/OI/O子系统子系统子系统子系统 可能会升级
95、的系统，可以考虑在完成目前作业可能会升级的系统，可以考虑在完成目前作业可能会升级的系统，可以考虑在完成目前作业可能会升级的系统，可以考虑在完成目前作业的情况下还能够有一定的性能余量处理器的情况下还能够有一定的性能余量处理器的情况下还能够有一定的性能余量处理器的情况下还能够有一定的性能余量处理器 便携式便携式便携式便携式GPSGPS导航系统在显示和路线计算方面对导航系统在显示和路线计算方面对导航系统在显示和路线计算方面对导航系统在显示和路线计算方面对处理器的性能要求都比较高，而处理器的性能要求都比较高，而处理器的性能要求都比较高，而处理器的性能要求都比较高，而PXA255PXA255则具则具则具
96、则具有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到有较高的处理性能，系统时钟频率可以达到400MHz400MHz，外围总线频率可以达到，外围总线频率可以达到，外围总线频率可以达到，外围总线频率可以达到100MHz100MHz，能够较好的完成该系统所要求的功能能够较好的完成该系统所要求的功能能够较好的完成该系统所要求的功能能够较好的完成该系统所要求的功能 103103 集成外围接口集成外围接口集成外围接口集成外围接口 内部有集成的内部有集成的内部有集成的内部有集成的LCDLCD控制器，可以直接支持控制器，可以直接支持控制器，可以
97、直接支持控制器，可以直接支持1616位颜色的位颜色的位颜色的位颜色的TFT-LCDTFT-LCD显示屏显示屏显示屏显示屏 有多个有多个有多个有多个UARTUART通讯口，可以方便的扩出与通讯口，可以方便的扩出与通讯口，可以方便的扩出与通讯口，可以方便的扩出与GPSGPS模块通讯的模块通讯的模块通讯的模块通讯的RS232RS232通讯口通讯口通讯口通讯口 使系统的设计变得相对简单使系统的设计变得相对简单使系统的设计变得相对简单使系统的设计变得相对简单 功耗功耗功耗功耗 当工作在当工作在当工作在当工作在400MHz400MHz时钟频率运行模式下，时钟频率运行模式下，时钟频率运行模式下，时钟频率运行
98、模式下，PXA255PXA255的功耗的典型的功耗的典型的功耗的典型的功耗的典型值仅为值仅为值仅为值仅为411mW411mW 如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低如果降低工作频率，处理器的功耗会变得更低 PXA255PXA255还提供了加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这还提供了加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这还提供了加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这还提供了加速模式、运行模式、待机模式和睡眠模式这四种工作模式，可以方便的进行电源管理四种工作模式，可以方便的进行电源管理四种工作模式，可以方便的
99、进行电源管理四种工作模式，可以方便的进行电源管理 在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方在相应的开发板上做前期的试验评估，确保在软硬件方面都能够满足设计的要求面都能够满足设计的要求面都能够满足设计的要求面都能够满足设计的要求 104104外围器件的选择外围器件的选择Micron公司的公司的MT48LC16M16A2是位宽为是位宽为16位，容量为位，容量为32MB的的SDRAM。系统中采。系统中采用两片用两片MT48LC16M16A2来组成所需要的来组成所需要的32位宽、位宽、32MB的运行
100、内存。的运行内存。Intel公司的公司的TE28F160C3T和和28F128J3C是两款是两款NOR型闪存。系统中分别采用两片型闪存。系统中分别采用两片TE28F160C3T和两片和两片28F128J3C来用作来用作系统程序的存储器和电子地图的存储器。系统程序的存储器和电子地图的存储器。 10510510M以太网接口可以通过以太网接口可以通过CirrusLogic公司公司的的CS8900A来提供来提供 CS8900A是用于嵌入式设备的低成本以太是用于嵌入式设备的低成本以太局域网控制器。它的高度集成设计使其不局域网控制器。它的高度集成设计使其不再需要其它以太网控制器所必需的昂贵外再需要其它以太
101、网控制器所必需的昂贵外部器件。部器件。CS8900A包括片上包括片上RAM，10Base-T传输和接收滤波器，以及带传输和接收滤波器，以及带24毫毫安驱动的直接安驱动的直接ISA-总线接口总线接口 106106Cypress公司的公司的SL811HS可用来提供系统可用来提供系统中所需的满足中所需的满足USB1.1规范的规范的USB主端接主端接口。口。SL811HS是一个既可以作为是一个既可以作为USB主端也可主端也可以作为以作为USB从端，既可以工作在全速模式从端，既可以工作在全速模式（12Mbps）也可以工作在低速模式）也可以工作在低速模式（1.5Mbps）的嵌入式）的嵌入式USB主端主端/
102、从端控从端控制器制器它可以直接与多种总线挂接，如嵌入式处它可以直接与多种总线挂接，如嵌入式处理器的数据总线、理器的数据总线、ISA总线和总线和PCMCIA总总线等线等 107107TI公司的公司的ADS7843E是一款高性能低功耗是一款高性能低功耗的四线电阻式触摸屏控制器的四线电阻式触摸屏控制器通过它系统可以方便的挂接四线电阻式触通过它系统可以方便的挂接四线电阻式触摸屏摸屏内部集成一个内部集成一个12位分辨率的模数转换器位分辨率的模数转换器（ADC），最高转换速度可以达到），最高转换速度可以达到125KHz，并通过串行口与处理器进行通，并通过串行口与处理器进行通讯讯 108108电源方案的设计
103、电源方案的设计 两种基本的直流两种基本的直流两种基本的直流两种基本的直流/ /直流变换的电源供电方式直流变换的电源供电方式直流变换的电源供电方式直流变换的电源供电方式 线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源 开关稳压电源开关稳压电源开关稳压电源开关稳压电源 线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源线性稳压电源 优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源优点就是电路结构简单，可靠性高，所需电路元件数量少，电源纹波小纹波小纹波小纹波小 一个致命的弱点就是效率低，功耗大
104、一个致命的弱点就是效率低，功耗大一个致命的弱点就是效率低，功耗大一个致命的弱点就是效率低，功耗大 开关稳压电源开关稳压电源开关稳压电源开关稳压电源 优点就是转换效率高，一般可以达到优点就是转换效率高，一般可以达到优点就是转换效率高，一般可以达到优点就是转换效率高，一般可以达到8080以上以上以上以上 升降压比较灵活升降压比较灵活升降压比较灵活升降压比较灵活 便携式便携式便携式便携式GPSGPS导航系统是一个电池供电的手持系统导航系统是一个电池供电的手持系统导航系统是一个电池供电的手持系统导航系统是一个电池供电的手持系统 尽量使用高转换效率的开关稳压电源来实现系统的供电尽量使用高转换效率的开关稳
105、压电源来实现系统的供电尽量使用高转换效率的开关稳压电源来实现系统的供电尽量使用高转换效率的开关稳压电源来实现系统的供电 109109110110整体框架图整体框架图111111嵌入式系统硬件仿真设计嵌入式系统硬件仿真设计 Cadence PSD PCB仿真设计平台仿真设计平台 为例为例112112113113使用使用Part Developer工具创建工具创建PXA255原理原理图库图库 114114Concept-HDL原理图输入界面原理图输入界面 115115Allegro PCB布局布线工具界面布局布线工具界面 116116PCB板层设定界面板层设定界面 117117SPECCTRAQu
106、est仿真设计工具界面仿真设计工具界面 118118数据线数据线D7的拓扑结构的拓扑结构 119119数据线数据线D7的仿真波形的仿真波形 120120常用的终端匹配方法常用的终端匹配方法 121121加入串连电阻终端后数据线加入串连电阻终端后数据线D7的拓扑结构的拓扑结构 122122加入串连电阻终端后数据线加入串连电阻终端后数据线D7的仿真波形的仿真波形 123123时钟线时钟线SDCLK的拓扑结构的拓扑结构 124124时钟线时钟线SDCLK的仿真波形的仿真波形 125125加入串连电阻终端匹配后时钟线加入串连电阻终端匹配后时钟线SDCLK的的拓扑结构拓扑结构 126126系统实际工作时
107、的照片系统实际工作时的照片 1271279、软硬件协同设计、软硬件协同设计 硬件设计工具（硬件设计工具（硬件设计工具（硬件设计工具（EDAEDA工具）工具）工具）工具）系统级设计工具Cadence的SPWSystem View模拟电路系统仿真工具PspiceEWBPCB设计工具ProtelPADs 的Power PCB & Tool KitMentor的Expedition & Tool Kit可编程逻辑器件设计工具Mentor FPGA Advantage & ModelSimXilinx Foundation ISE & Tool Kit各种综合和仿真第三方工具128128软硬件协同设计定
108、义与主要概念软硬件协同设计定义与主要概念软硬件协同设计定义软硬件协同设计定义软硬件协同设计定义软硬件协同设计定义 The meeting of system-level objectives by The meeting of system-level objectives by exploiting the trade-offs between hardware and exploiting the trade-offs between hardware and software in a system through their concurrent software in a syste
109、m through their concurrent designdesign主要概念主要概念主要概念主要概念 ConcurrentConcurrent（并发）并发）并发）并发）: hardware and software : hardware and software developed at the same time on parallel pathsdeveloped at the same time on parallel paths IntegratedIntegrated（交互）交互）交互）交互）: interaction between hardware : interact
110、ion between hardware and software developments to produce designs and software developments to produce designs that meet performance criteriathat meet performance criteria and functional and functional specificationsspecifications129129嵌入式系统快速原型设计过程嵌入式系统快速原型设计过程SYSTEMDEF.SWDESIGNVIRTUAL PROTOTYPEREU
111、SE DESIGN LIBRARIES AND DATABASEPrimarilysoftwarePrimarilyhardwareSWCODEFUNCTIONDESIGNHW & SWPART.HWDESIGNHWFABINTEG.& TESTHW & SW CODESIGNHW & SW Partitioning & Codesign130130嵌入式系统快速原型开发的基本要素嵌入式系统快速原型开发的基本要素嵌入式系统快速原型开发的基本要素嵌入式系统快速原型开发的基本要素 系统定义（需求分析）系统定义（需求分析） 软硬件划分软硬件划分 结构规划结构规划 处理器类型处理器类型, , 软硬件之
112、间的接口类型软硬件之间的接口类型, , 等等. . 划分目的划分目的 满足系统速度满足系统速度, ,延迟延迟, , 体积体积, ,成本等方面的要求成本等方面的要求. . 划分策略划分策略 - high level partitioning by hand, automated - high level partitioning by hand, automated partitioning using various techniques, etc.partitioning using various techniques, etc. 调度调度 Operation scheduling in
113、hardwareOperation scheduling in hardware Instruction scheduling in compilersInstruction scheduling in compilers Process scheduling in operating systemsProcess scheduling in operating systems 软硬件设计过程中的建模软硬件设计过程中的建模131131传统的嵌入式系统设计模型传统的嵌入式系统设计模型SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.A
114、nalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvalEval. .SoftwareSoftwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignCoding,Coding,Unit test.,Unit test.,IntegInteg. test. testSW DevelopmentSW Developme
115、ntHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingSystemSystemIntegInteg. and . and testtestHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.HW DevelopmentHW DevelopmentDOD-STD-2167A132132传统的嵌入式系统设计过程传统的嵌入式系统设计过程 传统软硬件设计过程的基本特征传统软硬件设计过程的
116、基本特征: : 系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分系统在一开始就被划分为软件和硬件两大部分 软件和硬件独立进行开发设计软件和硬件独立进行开发设计 “ “Hardware first” approach often adoptedHardware first” approach often adopted 隐含的一些问题隐含的一些问题: : 软硬件之间的交互受到很大限制软硬件之间的交互受到很大限制 软硬件之间的相互性能影响很难评估软硬件之间的相互性能影响很难评估 系统集成相对滞后，系统集成相对滞后，NRENRE较大较大 因此因此: : Poor quality designsPoor qu
117、ality designs（设计质量差）设计质量差） Costly modificationsCostly modifications（设计修改难）设计修改难） Schedule slippagesSchedule slippages（研制周期不能有效保障）研制周期不能有效保障）133133传统设计过程中的尖锐矛盾传统设计过程中的尖锐矛盾随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中随着设计复杂程度的提高，软硬件设计中的一些错误将使开发过程付出昂贵的代价的一些错误将使开发过程付出昂贵的代价 “Hardware first” approach often compounds software cost b
118、ecause software must compensate for hardware inadequacies134134软硬件设计过程发展方向协同设计软硬件设计过程发展方向协同设计软硬件设计过程发展方向协同设计软硬件设计过程发展方向协同设计SystemSystemConceptsConceptsSys/HWSys/HWRequire.Require.AnalysisAnalysisSys/SWSys/SWRequire.Require.AnalysisAnalysisHardwareHardwareRequire.Require.AnalysisAnalysisSoftwareSoftw
119、areRequire.Require.AnalysisAnalysisOperation.Operation.Testing and Testing and EvaluationEvaluationSW DevelopmentSW DevelopmentHW DevelopmentHW DevelopmentSystemSystemIntegInteg. and . and testtestHWCIHWCITestingTestingCSCICSCITestingTestingFranke91Integrated Modeling SubstrateIntegrated Modeling Su
120、bstratePrelim.Prelim.DesignDesignPrelim.Prelim.DesignDesignDetailedDetailedDesignDesignDetailedDetailedDesignDesignFabric.Fabric.Coding,Coding,Unit test.,Unit test.,IntegInteg. test. test IEEE 1991135135软硬件协同设计的基本需求软硬件协同设计的基本需求 统一的软硬件描述方式统一的软硬件描述方式统一的软硬件描述方式统一的软硬件描述方式 软硬件支持统一的设计和分析工具（技术）软硬件支持统一的设计和分
121、析工具（技术）软硬件支持统一的设计和分析工具（技术）软硬件支持统一的设计和分析工具（技术） 允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计允许在一个集成环境中仿真（评估）系统软硬件设计 支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植 交互式软硬件划分技术交互式软硬件划分技术交互式软硬件划分技术交互式软硬件划分技术 允许多个不通的软硬件划分设计进行仿真和比较允许多个不通的软硬件划分设计
122、进行仿真和比较允许多个不通的软硬件划分设计进行仿真和比较允许多个不通的软硬件划分设计进行仿真和比较 辅助最优系统实现方式决策辅助最优系统实现方式决策辅助最优系统实现方式决策辅助最优系统实现方式决策 Partitioning applied to modules to best meet Partitioning applied to modules to best meet design criteria (functionality and performance design criteria (functionality and performance goals)goals)13613
123、6软硬件协同设计的基本需求软硬件协同设计的基本需求 (cont.)完整的软硬件模型基础完整的软硬件模型基础Supports evaluation at several stages of the Supports evaluation at several stages of the design processdesign processSupports step-wise development and Supports step-wise development and integration of hardware and softwareintegration of hardware
124、 and software正确的验证方法正确的验证方法确保系统设计达到目标要求确保系统设计达到目标要求确保系统设计达到目标要求确保系统设计达到目标要求137137典型的软硬件协同设计过程典型的软硬件协同设计过程 SystemIntegrationInstruction set levelHW/SW evaluationUnified representation(Data/control flow) HW/SWPartitioning Interface Synthesis Software SynthesisSWHardware SynthesisHW System Description(
125、Functional)Concurrent processesProgramming languages FSM-directed graphs Another HW/SWpartition138138经典的软硬件协同设计方法经典的软硬件协同设计方法经典的软硬件协同设计方法经典的软硬件协同设计方法Analysis of Constraintsand RequirementsSystem Specs.HW/SWPartitioningHardware Descript.Software Descript.HW Synth. andConfigurationInterface SynthesisS
126、oftware Gen.& ParameterizationConfigurationModulesHardwareComponentsHW/SWInterfacesSoftwareModulesHW/SW Integrationand CosimulationIntegratedSystemSystem EvaluationDesign VerificationRozenblit94 IEEE 1994139139软硬件协同设计的优势软硬件协同设计的优势在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调在设计初始阶段就可进行软硬件交互设计和调在设计初始阶段就可进
127、行软硬件交互设计和调整整整整Provides continual verification Provides continual verification throughout the design cyclethroughout the design cycle（贯穿整个设贯穿整个设贯穿整个设贯穿整个设计周期）计周期）计周期）计周期）Separate HW/SW development paths Separate HW/SW development paths can lead to costly modifications and can lead to costly modificat
128、ions and schedule slippagesschedule slippages关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口关键技术（如可编程逻辑综合技术、器件接口和功能模型描述）的进步和功能模型描述）的进步和功能模型描述）的进步和功能模型描述）的进步 使得软硬件交互设计使得软硬件交互设计使得软硬件交互设计使得软硬件交互设计变得简单起来变得简单起来变得简单起来变得简单起来140140软硬件协同设计技术的现状软硬件协同设计技术的现状主要问题主要问题主要问题主要问题: : Lack of a standardiz
129、ed representationLack of a standardized representation Lack of good validation and evaluation methodsLack of good validation and evaluation methods可能的解决方案可能的解决方案可能的解决方案可能的解决方案: : Extend existing hardware/software languages to Extend existing hardware/software languages to the use of heterogeneous pa
130、radigmsthe use of heterogeneous paradigms Extend formal verification techniques to the Extend formal verification techniques to the HW/SW domainHW/SW domain 基于基于基于基于FPGAFPGA的嵌入式系统设计的嵌入式系统设计的嵌入式系统设计的嵌入式系统设计SOPCSOPC设计设计设计设计141141软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤HW-SW system involvesSpecification（设计描述）modeling （设
131、计建模）design space exploration and partitioningsynthesis and optimization（综合与优综合与优化）化）Validation（设计验证）implementation （设计实现）142142软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Specification（设计描述）设计描述） List the functions of a system that describe List the functions of a system that describe the behavior of an abstraction clear
132、ly with out the behavior of an abstraction clearly with out ambiguity.ambiguity.Modeling（设计建模）设计建模） Process of conceptualizing and refining the Process of conceptualizing and refining the specifications, and producing a hardware and specifications, and producing a hardware and software model.softwar
133、e model.143143软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Validation:Process of achieving a reasonable level of confidence（置信度）置信度） that the system will work as designed. Takes different flavors per application domainTakes different flavors per application domain（根根根根据应用领域而不同）据应用领域而不同）据应用领域而不同）据应用领域而不同）: : cosimulationco
134、simulation for performance for performance and correctnessand correctness（性能与功能的协同仿真）性能与功能的协同仿真）性能与功能的协同仿真）性能与功能的协同仿真）144144软硬件协同设计基本步骤软硬件协同设计基本步骤Implementation:Physical realization of the hardware (through synthesis) and of executable software (through compilation).145145协同设计中的软硬件划分与调度协同设计中的软硬件划分与调
135、度 (where and when)A hardware/software partitioning represents a physical partition of system functionality into application-specific hardware and software.Scheduling is to assign an execution start time to each task in a set, where tasks are linked by some relations.146146软硬件协同设计工具软硬件协同设计工具Mentor的的S
136、eamlessCadence的的147147Bonus讨论实例：嵌入式网络视频播放讨论实例：嵌入式网络视频播放器器（1）协同设计问题）协同设计问题（2）硬件设计实现）硬件设计实现148148嵌入式网络嵌入式网络视频播放器视频播放器ModemISDNADSL远程远程服务器服务器PSTNUSB1.1Ethernet控制器控制器串口1串口2VGA inVGA outAudio out多媒体多媒体终端终端设置终端(NoteBook)LCD + Key Board串口3图图1 嵌入式网络视频播放器外部接口示意图嵌入式网络视频播放器外部接口示意图149149图2 嵌入式网络视频播放器硬件结构框图UART网络处理器网络处理器S3C4510BS3C4510B16MB SDRAMUSB控制器4MBFlashUSB接口CF卡扩展槽Up to 128MBUART电源电源管理管理时钟时钟管理管理调试调试接口接口以太网控制器以太网接口Modem控制器控制器设置终端设置终端FPGAXC2S100UARTUp to 256MB SDRAMMPEG-4解码解码EM8475视频切换视频切换模块模块控制信号VGA音频多多媒媒体体终终端端150150
