《SoC与嵌入式系统PPT课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《SoC与嵌入式系统PPT课件（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、提问什么是嵌入式系统？说说SoC与嵌入式系统的关系模拟收音机数字收音机嵌入式系统总体组成传感器传感器/数字处理系统数字处理系统/动作机构动作机构嵌入式系统定义嵌入式系统是包含可编程计算机、软硬件协同工作的、执行特定任务的计算机系统n n应用的角度；应用的角度；n n软硬件协同，含可编程器件软硬件协同，含可编程器件(CPU)(CPU)；n n面向特定功能，预先定制好的；面向特定功能，预先定制好的；嵌入式开发板计算机系统分类通用计算机系统：工作对象为人PCsLaptopsMainframes（主机系统）Servers（服务器）嵌入式计算系统：工作对象为自然世界嵌入式系统的组成CPUMEMORYIN
2、PUTOUTPUTBUS典型嵌入式系统硬件组成MPU或MCUDSPAD转换器UARTEthernetJTAGDA转换器USBRTCWDGFLASHROMDMACRAM中断控制器嵌入式系统硬件电路板嵌入式系统硬件电路板放大器传感器PLL输出设备Power输入设备嵌入式系统组成一：微处理器高效的执行性能灵活的软件运行能力微小的体积处理器(Processor)1.MPU (Micro-Processor Unit) :微处理器2.MCU(Microcontroller Unit):微控制器3.DSP(Digital Signal Processor):数字信号处理器4.SoC(System On C
3、hip):系统芯片,片上系统1.1.SoPCSoPC：基于：基于FPGAFPGA的嵌入式系统的嵌入式系统* *CPUCPU：Central Process UnitCentral Process Unit微处理器(MPU)不含I/O外围器件，提供高性能运算性能n nIntel80x86n nSPARCn nPowerPCEMPU:Embedded MPU32位嵌入式MPU目前嵌入式处理器按其体系结构的不同可分为五大系列n nARMARMn nMIPSMIPSn nPOWER PCPOWER PCn nX86X86n nSHSH系列系列 ARM体系结构ARM 公司的ARM RISC处理器n nA
4、RM 7 Thumb ARM 7 Thumb 家族家族n nARM 9 Thumb ARM 9 Thumb 家族家族n nARM 10 Thumb ARM 10 Thumb 家族家族n nARM 11 ThumbARM 11 Thumb家族家族n nCortex:M3,M0,A8,A9Cortex:M3,M0,A8,A9MIPS体系结构从从19861986年推出年推出R2000R2000处理器以来，陆续推出处理器以来，陆续推出R3000R3000、R4000R4000、R8000R8000等。等。之后之后,MIPS,MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式
5、系统。式系统。19991999年，年，MIPSMIPS公司发布了公司发布了MIPS32MIPS32和和MIPS64MIPS64体系体系结构标准，集成了原来所有的结构标准，集成了原来所有的MIPSMIPS指令集，并且指令集，并且增加了许多更强大的功能。增加了许多更强大的功能。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3232位和位和6464位处理器内核。位处理器内核。 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内核的处理器内核的处理器占据了相当大的数量占据了相当大的数量20022002年，一共付运了年，一共付运了870087
6、00万片采用万片采用MIPSMIPS内核的内核的嵌入式处理器。嵌入式处理器。份额仅次于份额仅次于ARMARM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Cable ModemCable Modem、DSL DSL ModemModem、DVDDVD录像机等领域内，录像机等领域内，MIPSMIPS的市场份的市场份额位居第一。额位居第一。MIPSMIPS的合作伙伴包括了的合作伙伴包括了AMDAMD，IDTIDT，NECNEC，TITI，SONYSONY等众多厂商等众多厂商n n龙芯龙芯龙芯龙芯Power PC体系结构 Motorola半导体（现Freescale半导体）联合
7、IBM以及苹果电脑 SH体系结构SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU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，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间 1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的
8、一个市场。在美国，SH系列占有较大的市场份额 嵌入式微控制器嵌入式微控制器(MCU)又称单片机 以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。 典型微控制器Motolora 68HC11xx(Freescale)Intel 8051Microchip PICRenesas M16C嵌入式系统与单片机系统区别从历史的角度来看，这两个名词术语没有本质的区别。
9、它们都是专用的计算机系统，与通用型的微机系统有着本质的区别。现在的一般说法：嵌入式系统在含有操作系统的软件的控制下运行，而单片机系统不含操作系统，只在控制程序下运行。低端嵌入式系统：单片机+印刷线路板高端嵌入式系统： SoC嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DSP) DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。嵌入式嵌入式DSP处理器处理器(DSP)有代表性的产品是Texas Instruments的 TMS320系列和ADI的ADSP系列。TMS320系列处理器包括用于
10、控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。ADSP目前有已经发展成为ADSP21xx(16位)，ADSP2106x(32位)等几个不同系列的处理器。嵌入式处理器位数分类总线宽度n n地址，数据地址，数据处理器处理数据宽度n n定点数，浮点数定点数，浮点数n n寄存器位宽寄存器位宽4,8,16,32,64位以处理器的位数来划分以处理器的位数来划分4 4位位8 8位位1616位位3232位位6464位位MCUMCUTMS100TMS1000 0COPSCOPS8048/49/508048/49/508051/528051/526801/04/05 6
11、801/04/05 Z8Z88096/978096/976820068200ARM ARM RISC RISC CORECOREMIPS 32 MIPS 32 CORECOREMIPS 64 MIPS 64 CORECOREMPUMPU40044004404040408085 68098085 6809Z80 6502 Z80 6502 680268028086 8086 802868028680186 80186 Z8000Z800080386 80386 80486 80486 68000/1068000/10/20/30/40/20/30/40Pentium Pentium II/III
12、II/III不同等级的处理器应用：不同等级的处理器应用：嵌入式处理嵌入式处理器器应用产品应用产品4 4位位遥控器遥控器 相机相机 防盗器防盗器 玩具玩具 简易计量简易计量表等表等8 8位位电视游戏机电视游戏机 空调空调 传真机传真机 电话录音电话录音1616位位手机手机 摄象机摄象机 录象机录象机 各种多媒体应各种多媒体应用用3232位位MODEM MODEM 掌上电脑掌上电脑 路由器路由器 数码相机数码相机 GPRS GPRS 网络家庭网络家庭6464位位高级工作站高级工作站 新型电脑游戏机新型电脑游戏机 各种多各种多媒体应用媒体应用嵌入式外围设备嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬
13、件系统中，嵌入式外围设备是指，在嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保除了嵌入式处理器之外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。护、调试、显示等辅助功能的其他部件。INPUT/OUTPUTINPUT/OUTPUT设备设备嵌入式外围设备根据外围设备的功能可分为以下2类：n n接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统接口类型：目前存在的所有接口在嵌入式系统中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应中都有其广泛的应用，但是以下几种接口的应用最为广泛，包括用最为广泛，包括RS-232RS-232接口接口( (串口串口) )、IrDA(IrDA(红红外外) )、SPI
14、(SPI(串行设备接口串行设备接口) )、I2CI2C、USBUSB、EthernetEthernet和和GPIOGPIO。n nI/OI/O设备类型：设备类型：CRTCRT、LCDLCD和触摸屏等外围显示和触摸屏等外围显示设备设备, ,以及传感以及传感/ /控制等。控制等。嵌入式外围设备根据与主CPU关系可分为：n n片内设备：片内设备： RS-232RS-232接口接口( (串口串口) )、IrDA(IrDA(红外红外) )、SPI(SPI(串行设备接口串行设备接口) )、I2CI2C、USBUSB、EthernetEthernet和和GPIOGPIO等；等；n n片外设备：外部芯片，传感
15、器片外设备：外部芯片，传感器/ /驱动器、显示器驱动器、显示器/ /输入设备输入设备嵌入式系统存储器n n静态易失型存储器静态易失型存储器(RAM/SRAM)(RAM/SRAM)，动态存储器，动态存储器(DRAM)(DRAM)，n n非易失型存储器非易失型存储器(ROM(ROM、EPROMEPROM、EEPROMEEPROM、FLASH)FLASH)。其中，。其中，FLASH(FLASH(闪存闪存) )以可擦写次数多，以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入存储速度快，容量大及价格便宜等有点在嵌入式领域得到广泛的应用。式领域得到广泛的应用。嵌入式系统总线AMBA总线：ARM体系
16、总线MIPS总线嵌入式片上系统嵌入式片上系统(SOC)在一个硅片上实现一个复杂的系统 整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去应用系统电路板将变得很简洁 带处理器/软件的ASICSoC具有的优势 降低耗电量 减少体积丰富系统功能提高速度节省成本SOC设计 SoC 芯片设计中 的IP 模块 SoC 的设计基础是IP（Intellectual Property）复用技术。 已有的IC 电路以模块的形式在SoC 芯片设计中调用这些可以被重复使用的IC 模块就叫做IP 模块 IP 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、器件或部件。它有2 种不同形式：软IP 核(soft
17、 IP core)和硬IP 核(hard IP core) Intel Penwell SoCIntel Penwell SoC集成电路分类（集成度）数字IC分类ASICASICApplication Specific Integrated Circuit为专门目的而设计的集成电路体积小功耗低可靠性高性能高保密性增强成本低ROM和RAM都在出厂前经过掩膜MASKASIC设计方法（全定制）人工完成版图设计后流片生产全定制电路的设计从系统设计开始到版图设计结束，这是电子系统的全程设计在晶体管级和版图级后端设计中，通过对晶体管级电路和布局线的优化设计，可以使最后的设计结果速度快、占用芯片面积小、可靠
18、性高，芯片的性能指标一般要高于在PLD上实现的系统 然而，全程设计的投资大、时间长，因此只有那些市场需求量大的IC，才考虑采用全定制方式设计和生产ASIC设计方法（门阵列）IOIO焊盘焊盘块单元块单元行行单元单元布线区布线区ASIC设计方法（门阵列）门海阵列（门海阵列（门海阵列（门海阵列（Sea-of-GateSea-of-Gate，简称为，简称为，简称为，简称为SOGSOG）是为）是为）是为）是为了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出了克服门阵列芯片面积利用率低的缺点而提出的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积
19、，的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，的一种阵列结构。为了充分利用芯片的面积，将门阵列中的布将门阵列中的布将门阵列中的布将门阵列中的布 线通道去掉，线通道去掉，线通道去掉，线通道去掉， 用基本单元占用基本单元占用基本单元占用基本单元占 据整个阵列分据整个阵列分据整个阵列分据整个阵列分 布区。布区。布区。布区。 ASIC设计(标准单元 )标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法标准单元法设计是一种常用的集成电路设计方法所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元所谓标准
20、单元，是指预先设计完毕并存放在单元所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元所谓标准单元，是指预先设计完毕并存放在单元库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层库中的元件，这些元件在逻辑功能层次和版图层次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符次都经过优化和标准化设计，标准单元的逻辑符号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库号及电学特性存入逻辑库中，版图则存入版图库号及电学特性存入逻辑
21、库中，版图则存入版图库标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述标准单元设计，就是在设计中用图形或硬件描述语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件语言调用库元件，在布局布线阶段，这些库元件的版图也被的版图也被的版图也被的版图也被EDAEDA工具所调用，进行自动布局和布工具所调用，进行自动布局和布工具所调用，进行自动布局和布工具所调用，进行自动布局和布线。线。线。线。标准单元设计的版图布置 单元库一般包括单元库一般包括单元库一般
22、包括单元库一般包括有下列元件：有下列元件：有下列元件：有下列元件： 小规模逻辑电路小规模逻辑电路小规模逻辑电路小规模逻辑电路中规模逻辑电路中规模逻辑电路中规模逻辑电路中规模逻辑电路各种宏单元模块各种宏单元模块各种宏单元模块各种宏单元模块 IPIP核核核核 为了便于布局和布为了便于布局和布为了便于布局和布为了便于布局和布线，线，线，线，SSISSI和和和和MSIMSI标准标准标准标准单元的版图都被设单元的版图都被设单元的版图都被设单元的版图都被设计成矩形状，版图计成矩形状，版图计成矩形状，版图计成矩形状，版图的高度相近或相等，的高度相近或相等，的高度相近或相等，的高度相近或相等，但宽度可以但宽度
23、可以但宽度可以但宽度可以不同不同不同不同 功功 能能 模模 块块宏单元单元宏单元宏单元可编程器件(PLD)SPLDSPLDPROM:PROM:与阵列固定，或阵列可编程，输出不可编与阵列固定，或阵列可编程，输出不可编与阵列固定，或阵列可编程，输出不可编与阵列固定，或阵列可编程，输出不可编程程程程PLA:PLA:与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程与阵列可编程，或阵列固定，输出不可编程PAL:PAL:与、或阵列可编程，输出不可编程与、或阵列可编程，输出不可编程与、或阵列可编程，输出不可编程与、或阵列可编程，输出不可编程G
24、AL:GAL:与、或阵列可编程，输出宏单元可编程与、或阵列可编程，输出宏单元可编程与、或阵列可编程，输出宏单元可编程与、或阵列可编程，输出宏单元可编程CPLD:CPLD:复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件复杂可编程逻辑器件FPGAFPGA：现场可编程门陈列：现场可编程门陈列：现场可编程门陈列：现场可编程门陈列SOPC: System On Programmable ChipSOPC: System On Programmable Chip组合逻辑实现CPLD vs FPGA基于FPGA的嵌入式系统一般嵌入式系统一般嵌入式系统 CPU/DSPCPU/DSP为核心硬件为核心硬件
25、 硬件固定，软件可灵活配置硬件固定，软件可灵活配置基于基于FPGAFPGA的嵌入式系统的嵌入式系统 软硬件协同设计、工作软硬件协同设计、工作 硬件可编程硬件可编程 SOPCSOPC（片上可编程系统）（片上可编程系统）FPGA嵌入式系统分类状态机模式：可以无外设、无总线结构、无实时状态机模式：可以无外设、无总线结构、无实时操作系统操作系统(RTOS),(RTOS),低成本低成本 VGAVGA、LCDLCD控制控制单片机模式：包括一定的外设，可以利用实时操单片机模式：包括一定的外设，可以利用实时操作系统和总线结构，中等成本作系统和总线结构，中等成本 控制，仪表控制，仪表定制嵌入模式：高度集成的外设
26、，实时操作系统定制嵌入模式：高度集成的外设，实时操作系统和总线结构，高性能和总线结构，高性能 网络、无线通信网络、无线通信3 3类类RISCRISC处理器为核心处理器为核心 PicoBlaze:8PicoBlaze:8位软核，支持汇编，程序驻留位软核，支持汇编，程序驻留FPGAFPGA的块的块RAMRAM MicroBlaze:32MicroBlaze:32位软核，包含位软核，包含3232个个3232位通用寄位通用寄存器和一个可选的存器和一个可选的3232位移位寄存器，时钟达位移位寄存器，时钟达150MIPS150MIPS PowerPCPowerPC：3232位位PowerPC405Powe
27、rPC405硬核，程序级兼硬核，程序级兼容容PowerPCPowerPC的嵌入式架构的嵌入式架构流行内核：流行内核： MicroBlazeMicroBlaze和和PowerPCPowerPCALteraALtera公司：公司： Nios,NiosIINios,NiosIIXilinx公司嵌入式解决方案MicroBlaze体系结构Altera嵌入式FPGASOPCSOPC：Nios,NiosIINios,NiosII Cyclone,StratixCyclone,Stratix系列均支持系列均支持NiosIINiosII 3232位软核处理器位软核处理器 6 6级流水线级流水线 最高最高266M
28、266M主频主频嵌入式系统软件嵌入式系统软件 (1) 软件要求固态化存储 (2) 软件代码高质量、高可靠性 (3) 软件的高实时性是基本要求 (4) 多任务操作系统是知识集成的平台和走向工业标准化道路的基础 嵌入式软件的组成硬件层硬件层系统软件层系统软件层应用软件层应用软件层嵌入式软件的组成嵌入式软件体系结构分类轮转结构带中断的轮转结构实时操作系统结构轮转结构void main()void main() while (true)while (true) if (/if (/设备设备1 1需要服务需要服务) )/ /处理设备处理设备1 1服务服务if (/if (/设备设备2 2需要服务需要服务
29、) )/ /处理设备处理设备2 2服务服务if (/if (/设备设备n n需要服务需要服务) )/ /处理设备处理设备n n服务服务 带中断的轮转结构boolbool fDevice1 = false;fDevice1 = false;boolbool fDevice2 = false;fDevice2 = false;boolbool fDeviceN = false;fDeviceN = false;void interruptvoid interruptvHandleDevice1()vHandleDevice1()fDevice1 = true;fDevice1 = true;voi
30、d interruptvoid interruptvHandleDevice2()vHandleDevice2()fDevice2 = true;fDevice2 = true;void interruptvoid interruptvHandleDeviceN()vHandleDeviceN()fDeviceN = true;fDeviceN = true;带中断的轮转结构void main()void main()while (true)while (true)if (fDevice1)if (fDevice1)fDevice1 = false;fDevice1 = false;/ /处理
31、设备处理设备1 1数据数据 if (fDevice2)if (fDevice2)fDevice2 = false;fDevice2 = false;/ /处理设备处理设备2 2数据数据 if (fDeviceN)if (fDeviceN)fDeviceN = false;fDeviceN = false;/ /处理设备处理设备N N数据数据 实时操作系统调度结构void interrupt vHandleDeviceA()void interrupt vHandleDeviceA()/ /关注关注关注关注I/OI/O设备设备设备设备A A/ /设置信号设置信号设置信号设置信号X X void
32、interrupt vHandleDeviceB()void interrupt vHandleDeviceB()/ /关注关注关注关注I/OI/O设备设备设备设备B B/ /设置信号设置信号设置信号设置信号Y Y 实时操作系统调度结构void Task1()void Task1()while (TRUE)while (TRUE) / /等待信号等待信号等待信号等待信号X X / /处理输入处理输入处理输入处理输入I/OI/O设备设备设备设备A A或从或从或从或从I/OI/O设备设备设备设备A A输出的数据输出的数据输出的数据输出的数据 void Task2()void Task2()while (TRUE)while (TRUE) / /等待信号等待信号等待信号等待信号Y Y / /处理输入处理输入处理输入处理输入I/OI/O设备设备设备设备B B或从或从或从或从I/OI/O设备设备设备设备B B输出的数据输出的数据输出的数据输出的数据 嵌入式操作系统主流VxWorks 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统；uCOS是开源的RTOSPalm OsWebOS，和微软的Windows CE、 Symbian是手机、PDA操作系统。新型流行：Android, iOS, Windows Phone
