3 第二章 嵌入式硬件系统-处理器

1、第二章第二章 嵌入式硬件系统嵌入式硬件系统-嵌入式处理器嵌入式处理器接下来介绍本章第二节内容接下来介绍本章第二节内容v嵌入式硬件架构嵌入式硬件架构 v嵌入式处理器嵌入式处理器v嵌入式存储技术嵌入式存储技术 接下来介绍接下来介绍v处理器结构体系处理器结构体系v影响影响CPU性能的因素性能的因素v嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v处理器选型原则和方法处理器选型原则和方法1. 处理器结构处理器结构v典型的微处理器的组成包括：典型的微处理器的组成包括： 控制单元控制单元 程序计数器（程序计数器（PC） 指令寄存器（指令

2、寄存器（IR） 数据通道数据通道 存储器等存储器等1. 处理器结构处理器结构 处理器处理器控制单元控制单元控制器控制器 存储器存储器程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR程序存储器程序存储器数据存储器数据存储器数据通道数据通道算术逻辑单元算术逻辑单元通用寄存器通用寄存器R0Rn 处理器处理器控制单元控制单元指令寄存器指令寄存器load R0, M500程序计数器程序计数器100控制器控制器 存储器存储器I/O控制控制/状态状态load R0, M500100inc R1, R0101store M501, R110210.500501数据通道数据通道算术逻辑单元算术逻辑单元通用寄存器

3、通用寄存器R0R11. 处理器结构处理器结构 处理器处理器控制单元控制单元控制器控制器 存储器存储器I/O控制控制/状态状态程序计数器程序计数器PC指令寄存器指令寄存器IR程序存储器程序存储器数据存储器数据存储器数据通道数据通道算术逻辑单元算术逻辑单元通用寄存器通用寄存器R0Rn处理器各部分功能处理器各部分功能v程序计数器（专用寄存器）程序计数器（专用寄存器） 跟踪微处理器要执行的下一条指令的地跟踪微处理器要执行的下一条指令的地址址v指令寄存器指令寄存器 用于从程序存储器读入需要处理器处理用于从程序存储器读入需要处理器处理的指令以供控制机器访问的指令以供控制机器访问v控制器控制器 根据程序计数

4、器中的指令地址将指令从根据程序计数器中的指令地址将指令从指令寄存器读入到控制器中进行分析指令寄存器读入到控制器中进行分析处理器各部分功能处理器各部分功能v算术逻辑单元算术逻辑单元 接收控制单元提供的分析结果接收控制单元提供的分析结果 通过通用寄存器从数据存储器中读入需通过通用寄存器从数据存储器中读入需要的数据要的数据 进行算术运算进行算术运算 将结果通过通用寄存器保存到相应的数将结果通过通用寄存器保存到相应的数据存储器单元据存储器单元v通用寄存器的作用通用寄存器的作用 存放处理器正在计算的值存放处理器正在计算的值处理器各部分功能处理器各部分功能v控制单元控制单元 程序控制程序控制 指令解析指令

5、解析 将指令解析结果传递给数据通道将指令解析结果传递给数据通道2. 处理器指令执行过程处理器指令执行过程v指令执行过程一般分为：指令执行过程一般分为： 取指取指从存储器获得下一条执行的指令读入指令寄存器从存储器获得下一条执行的指令读入指令寄存器PC: 程序计数器程序计数器, 指向下一条要执行的指令指向下一条要执行的指令IR: 指令寄存器，保存已取得指令指令寄存器，保存已取得指令 译码译码 解释指令，决定指令的执行意义解释指令，决定指令的执行意义 执行执行从存储器向数据通道寄存器移动数据从存储器向数据通道寄存器移动数据通过算术逻辑单元通过算术逻辑单元ALU进行数据操作进行数据操作 存储存储 从寄

6、存器向存储器写数据从寄存器向存储器写数据3.3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系v（1）按存储结构分：）按存储结构分： 冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 哈佛体系结构哈佛体系结构3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系v冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构 冯冯诺伊曼结构也称普林斯顿结构诺伊曼结构也称普林斯顿结构 是一种将程序指令存储器和数据存储器是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构合并在一起的存储器结构 处理器经由同一个传输总线来访问程序处理器经由同一个传输总线来访问程序和数据存储器和数据存储器 程序指令和数据的宽度相同程序指令和数据的宽度相同 如如C51、X86系列、系

7、列、ARM7等。等。3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系 指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输输出出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0 0指令指令1 1指令指令2 2指令指令3 3指令指令4 4数据数据数据数据0 0数据数据1 1数据数据2 2地址地址/数据数据冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型 3.3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系v哈佛结构哈佛结构 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构存储分开的存储器结构 目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈目的是为了减轻程序运行时的访存瓶颈 哈佛结构的

8、微处理器通常具有较高的执哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率行效率 如如ARM9、TI的的DSP等。等。3.3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据哈佛体系结构哈佛体系结构3.3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系v（2）按指令类型可分为：）按指令类型可分为： 复杂指令集（复杂指令集（CISC）处理器）处理器 精简指令集（精简指令集（RISC）处理器）处理器vCISC：复杂指

9、令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式，那么就需具有大量的指令和寻址方式，那么就需要更多的解释器。要更多的解释器。 8/2原则：原则：80%的程序只使用的程序只使用20%的的指令指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运大多数程序只使用少量的指令就能够运行。行。3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系vCISC具有如下显著特点：具有如下显著特点： (1) 指令格式不固定，指令长度不一致，指令格式不固定，指令长度不一致，操作数可多可少；操作数可多可少； (2) 寻址方式复杂多样，以利于程序的寻址方式复杂多样，以利于程序的编写

10、；编写； (3) 采用微程序结构，执行每条指令均采用微程序结构，执行每条指令均需完成一个微指令序列；需完成一个微指令序列； (4) 每条指令需要若干个机器周期才能每条指令需要若干个机器周期才能完成，指令越复杂，花费的机器周期越完成，指令越复杂，花费的机器周期越多。多。3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系3.微处理器的结构体系微处理器的结构体系vRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 指令数目少，在通道中只包含最有用的指令数目少，在通道中只包含最有用的指令指令 执行时间短，确保数据通道快速执行每执行时间短，确保数据通道快速执行每

11、一条指令一条指令 使使CPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单 每条指令都采用标准字长每条指令都采用标准字长CISC与与RISC的对比的对比采用优化编译技术，生成采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序高效的目标代码程序 难以用优化编译器生成难以用优化编译器生成高效的目标代码程序高效的目标代码程序 编译编译仅仅Load/Store指令可对指令可对存储器操作，其余指令只存储器操作，其余指令只对寄存器进行运算和操作对寄存器进行运算和操作可以对存储器和寄存器可以对存储器和寄存器进行运算和操作进行运算和操作操作操作寻址方式较简单寻址方式较简单寻址方式多样寻址方式多样寻址方式寻址方式编码长

12、度固定，通常为编码长度固定，通常为4个字节个字节编码长度可变，编码长度可变，1-15字节字节编码长度编码长度多为单周期指令多为单周期指令有些指令执行时间很长，有些指令执行时间很长，如整块存储器内容拷贝；如整块存储器内容拷贝；或将多个寄存器内容拷或将多个寄存器内容拷贝到存储器贝到存储器执行时间执行时间相对较少相对较少指令数量很多指令数量很多指令系统指令系统RISCCISC类别类别接下来介绍接下来介绍v微处理器结构体系微处理器结构体系v影响影响CPU性能的因素性能的因素v嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v处理器选型

13、原则和方法处理器选型原则和方法提高提高CPU性能的方法性能的方法v影响影响CPU性能的因素：性能的因素： 流水线流水线 超标量超标量 缓存缓存 总线总线v对于任何处理器来说，要提高其效率，在对于任何处理器来说，要提高其效率，在设计上都是要：设计上都是要： 减少数据的等待时间减少数据的等待时间 减少处理单元的空闲时间。减少处理单元的空闲时间。v流水线技术：将一个任务分解成多个连续的流水线技术：将一个任务分解成多个连续的子任务，在处理前一个子任务的同时就开始准子任务，在处理前一个子任务的同时就开始准备下一个子任务的数据并进行子处理器单元的备下一个子任务的数据并进行子处理器单元的初始化。初始化。译码

14、译码取指取指执行执行addadd译码译码取指取指执行执行subsub译码译码取指取指执行执行cmpcmp时间时间AddAddSubSubCmpCmp（1）流水线技术）流水线技术v超标量执行：超标量执行：就是在处理器内部设置多个平就是在处理器内部设置多个平行的处理单元，将多个相互无关的任务在这些行的处理单元，将多个相互无关的任务在这些处理部件中分别进行独立处理。处理部件中分别进行独立处理。（2） 超标量执行超标量执行执行执行1预取预取指令指令CACHE译码译码2译码译码1执行执行2流水流水线线1流水流水线线2数据数据执行执行1预取预取译码译码2译码译码1执行执行2（3） 高速缓存（高速缓存（CA

15、CHE）v1、为什么采用高速缓存、为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性得多，高速缓存可以提高内存的平均性能。能。v2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。它保存部分主存内容的拷贝。（3） 高速缓存（高速缓存（CACHE）CPU高高速速缓缓存存控控制制器器CACHE主存主存数据数据数据数据地址地址（3） 高速缓存（高速缓存（CACHE）v通常用静态通常用静态RAM来设计来设计 因此，速度快但比较贵因此，速度快但比较

16、贵v通常和处理器同在一个芯片上通常和处理器同在一个芯片上v高速缓存的操作方式高速缓存的操作方式: 要求对主存储器进行访问要求对主存储器进行访问 (读或写读或写) 检查高速缓存是否有相应的拷贝检查高速缓存是否有相应的拷贝如果有，称为高速缓存命中如果有，称为高速缓存命中拷贝拷贝在缓存中，可以快速访问在缓存中，可以快速访问如果没有，称为高速缓存失误如果没有，称为高速缓存失误拷拷贝没在缓存中，需要将该地址及其相贝没在缓存中，需要将该地址及其相邻的多个地址的数据读入高速缓存邻的多个地址的数据读入高速缓存（4） 高速总线和总线桥高速总线和总线桥CPU低速设备低速设备桥桥数据数据高速总线高速总线存储存储器器

17、高速设高速设备备低速设备低速设备低速总线低速总线5. 处理器信息存储的字节顺序处理器信息存储的字节顺序v 处理器信息存储的字节顺序主要分为：处理器信息存储的字节顺序主要分为：大端存储法大端存储法小端存储法小端存储法 5. 处理器信息存储的字节顺序处理器信息存储的字节顺序v大端模式大端模式u字数据的高位字节存储在低地址中字数据的高位字节存储在低地址中u字数据的低字节则存放在高地址中字数据的低字节则存放在高地址中v小端模式小端模式u低地址中存放字数据的低字节低地址中存放字数据的低字节u高地址中存放字数据的高字节高地址中存放字数据的高字节5. 处理器信息存储的字节顺序处理器信息存储的字节顺序v将一个

18、将一个32位的整数位的整数0 x12345678存放到存放到一个整型变量（一个整型变量（int）中，按照大端模式存）中，按照大端模式存储，其格式如下：储，其格式如下：v地址偏移地址偏移 大端模式大端模式 0 x00 12 0 x01 34 0 x02 56 0 x03 78 v地址偏移地址偏移 小端模式小端模式 0 x00 78 0 x01 56 0 x02 34 0 x03 12 接下来介绍接下来介绍v微处理器结构体系微处理器结构体系v影响影响CPU性能的因素性能的因素v嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v处理

19、器选型原则和方法处理器选型原则和方法嵌入式处理器分类嵌入式处理器分类v嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，嵌入式处理器有多种功能。心的部分，嵌入式处理器有多种功能。v按照处理器功能分类，主要如下五种：按照处理器功能分类，主要如下五种： 通用型嵌入式微处理器（简称：通用型嵌入式微处理器（简称：MPU） 微控制器（微控制器（MCU） 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP） 混合处理器和片上系统（混合处理器和片上系统（SOC） 嵌入式双核或者多核处理器嵌入式双核或者多核处理器通用型嵌入式微处理器通用型嵌入式微处理器v英文全称英文全称 General P

20、urpose Embedded Micro Processorv也称为嵌入式微处理单元也称为嵌入式微处理单元 Embedded Micro Processor Unitv缩略语：缩略语：EMPU，或者，或者MPU通用型嵌入式微处理器通用型嵌入式微处理器v特点：体积小、重量轻、成本低、可靠性特点：体积小、重量轻、成本低、可靠性高高v板内电路：必须包含板内电路：必须包含ROM、RAM、总线、总线接口等接口等通用型嵌入式微处理器有两种类型通用型嵌入式微处理器有两种类型v一类是嵌入式系统中使用的通用处理器一类是嵌入式系统中使用的通用处理器 x86处理器（从处理器（从80186、80386到到Penti

21、um M）是这一类的典型代表。）是这一类的典型代表。v另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器另一类是专门为嵌入式系统设计的处理器 属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前属于这一类的通用型嵌入式微处理器目前主要有主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。系列等。v使用通用型嵌入式微处理器要在工作温度、使用通用型嵌入式微处理器要在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面采取各种措施。抗电磁干扰、可靠性等方面采取各种措施。微控制器微控制器v又称单片机（又称单片机（SCM，Single Chip Microcomputer）v将整个

22、计算机系统集成到一块芯片中，体积将整个计算机系统集成到一块芯片中，体积减小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度减小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，电磁辐射更少。更快，性能更好，电磁辐射更少。v通常以某种微处理器内核为核心，芯片内部通常以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成集成ROM、RAM、总线、总线逻辑、定时、总线、总线逻辑、定时/计数器、计数器、WatchDog、I/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。等各种必要功能部件和外设。微控制器微控制器v应用应用 占嵌入式市场占嵌入式市场70%，工

23、业主流；不同应，工业主流；不同应用不同配置用不同配置v代表性的通用微控制器系列包括代表性的通用微控制器系列包括 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。等。微控制器微控制器v特点特点 体积小、功耗低、成本下降、可靠性高、体积小、功耗低、成本下降、可靠性高、资源丰富资源丰富数字信号处理器数字信号处理器v信息化的基础是数字化。数字化的核心技术信息化的基础是数字化。数字化的核心技术之一是数字信号处理。之一是数字信号处理。v数字信号处理的任务在很大程度上需要由数字信号处理的任务在很大程度上需要由DSP器件来

24、完成。器件来完成。 vDSP有两个意思，既指数字信号处理理论有两个意思，既指数字信号处理理论（Digital Signal Processing）；也是）；也是数字信号处理器（数字信号处理器（Digital Signal Processor）。）。v两者结合就成为解决实际问题和实现方案的两者结合就成为解决实际问题和实现方案的手段即数字信号处理解决方案（手段即数字信号处理解决方案（DSPS）。）。 数字信号处理器数字信号处理器v本课程讨论的本课程讨论的DSP是专门用于嵌入式系统是专门用于嵌入式系统的数字信号处理器，它是系统结构和指令的数字信号处理器，它是系统结构和指令集做了特殊设计的处理器。集做

25、了特殊设计的处理器。 vDSP是在模拟信号变换成数字信号以后进是在模拟信号变换成数字信号以后进行行高速实时处理高速实时处理的专用处理器，其处理速的专用处理器，其处理速度比最快的度比最快的CPU还快还快1050倍。倍。v在当今的数字化时代背景下，在当今的数字化时代背景下，DSP已成为已成为通信、计算机、消费（通信、计算机、消费（3C）类电子产品等）类电子产品等领域的基础器件。领域的基础器件。 数字信号处理器数字信号处理器v应用目标应用目标 嵌入式设备智能化，如实时语言处理、嵌入式设备智能化，如实时语言处理、ADSL接入、信息识别终端等接入、信息识别终端等vDSP处理器分为两大类：处理器分为两大类

26、： 定点定点DSP 浮点浮点DSPv有代表性的产品是有代表性的产品是 德州仪器公司的德州仪器公司的TMS320系列系列 Motorola公司的公司的DSP56000系列系列数字信号处理器数字信号处理器vTMS320系列系列DSP的演化过程的演化过程 数字信号处理器数字信号处理器vC6000平台，追求至高性能，速度高达平台，追求至高性能，速度高达1GHZ，适合宽带网络、图像、影像、雷，适合宽带网络、图像、影像、雷达等处理应用。达等处理应用。 vC5000 平台，提供性能、外围设备、小平台，提供性能、外围设备、小型封装和电源效率的优化组合，适合便携型封装和电源效率的优化组合，适合便携式上网、语音处

27、理及对功耗有严格要求的式上网、语音处理及对功耗有严格要求的地方。地方。vC2000针对控制领域做了优化配置，集成针对控制领域做了优化配置，集成了众多的外设，适合逆变器、马达、机器了众多的外设，适合逆变器、马达、机器人、数控机床、电力等应用领域。人、数控机床、电力等应用领域。 数字信号处理器数字信号处理器vDSP的传统设计往往采取主从式结构：的传统设计往往采取主从式结构： 在一块电路板上，在一块电路板上，DSP做从机，负责数做从机，负责数字信号处理运算；字信号处理运算； 外加一块嵌入式微处理器做主机，来完成外加一块嵌入式微处理器做主机，来完成输入、控制、显示等其他功能。输入、控制、显示等其他功能

28、。 vTI专门推出一款双核处理器专门推出一款双核处理器OMAP，包含，包含一个一个ARM和一个和一个C5000系列系列DSP，OMAP处理器把主从式设计在芯片级上合处理器把主从式设计在芯片级上合二为一，一个典型的应用实例为诺基亚手机。二为一，一个典型的应用实例为诺基亚手机。 片上系统片上系统v把一个或多个把一个或多个CPU单元以及功能部件集成单元以及功能部件集成在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上在单个芯片上。这种芯片就是所谓的片上系统系统SoC。v为了解决为了解决SoC设计中遇到的难题，设计方设计中遇到的难题，设计方法必须进一步优化。因此，人们提出了基法必须进一步优化。因此，人们提出了基于于

29、FPGA的的SoC设计方案设计方案可编程片上可编程片上系统（系统（System On a Programmable Chip，称为，称为SOPC）片上系统片上系统vAltera公司、公司、Xilinx公司、公司、Lattice公司、公司、QuickLogic公司等全球最重要的公司等全球最重要的FPGA及及EDA公司都分别推出了公司都分别推出了SoPC系统解决系统解决方案。方案。 嵌入式双核处理器嵌入式双核处理器v双核（双核（Dual Core）处理器就是基于单个）处理器就是基于单个半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样半导体的一个处理器芯片上拥有两颗一样功能的处理器核心，即将两颗物理处理器功能的

30、处理器核心，即将两颗物理处理器核心整合入一个内核中通过协同运算来提核心整合入一个内核中通过协同运算来提升性能。升性能。v其优势在于克服了传统处理器通过提升工其优势在于克服了传统处理器通过提升工作频率来提升处理器性能而导致耗电量和作频率来提升处理器性能而导致耗电量和发热量越来越大的缺点。发热量越来越大的缺点。嵌入式多核处理器嵌入式多核处理器v嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频嵌入式多核处理器往往用于音频或者视频处理。这些处理。这些DSP处理器的主要结构是一个处理器的主要结构是一个或多个的微控制器（或多个的微控制器（MCU）核外加一个）核外加一个DSP核。核。接下来介绍接下来介绍v微处理器结构体

31、系微处理器结构体系v影响影响CPU性能的因素性能的因素v嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v处理器选型原则和方法处理器选型原则和方法知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v知识产权（知识产权（IP：Intellectual Property）包含版权、商标、专利权、）包含版权、商标、专利权、集成电路布图设计和植物品种权等。集成电路布图设计和植物品种权等。v本课程讲解的知识产权主要涉及集成电路本课程讲解的知识产权主要涉及集成电路布图设计。通常称这一类知识产权为硅知布图设计。通常称这一类知识产权为硅知识产权（识产权

32、（Silicon Intellectual Property）。）。v下面对术语下面对术语IP如果不特别说明，均指硅知如果不特别说明，均指硅知识产权或者集成电路布图设计的知识产权。识产权或者集成电路布图设计的知识产权。IP历史溯源历史溯源vIP的最初出现大约在的最初出现大约在20世纪世纪90年代初。年代初。v为了降低成本，减少重复开发工作量，集为了降低成本，减少重复开发工作量，集成电路制造商将合格的经过验证的电路设成电路制造商将合格的经过验证的电路设计结果文件存储在所谓函数库的数据库中，计结果文件存储在所谓函数库的数据库中，供设计师在日后进行类似设计中再利用。供设计师在日后进行类似设计中再利用

33、。v目前，集成电路设计行业中广泛使用了函目前，集成电路设计行业中广泛使用了函数库，从而有效地提高了工作效率。数库，从而有效地提高了工作效率。知识产权核与处理器核知识产权核与处理器核v核库文件是集成电路的布图设计，属于知核库文件是集成电路的布图设计，属于知识产权的范畴，于是核库中各种核文件以识产权的范畴，于是核库中各种核文件以及它们的集合称为知识产权及它们的集合称为知识产权（Intellectual Property），简称），简称IP；v又由于单个知识产权是不可再分解的，所又由于单个知识产权是不可再分解的，所以核文件也称为知识产权核或者以核文件也称为知识产权核或者IP核核（ IP Core：I

34、ntellectual Property Core ）。通常，人们把处理器的核库文）。通常，人们把处理器的核库文件称为处理器核（件称为处理器核（Processor Core）。）。 IP核的五个基本特征核的五个基本特征v第三方使用；第三方使用；v按照复用原则设计；按照复用原则设计；v可读性强；可读性强；v完备的可测性；完备的可测性；v端口定义标准化。端口定义标准化。系统芯片（系统芯片（SoC）v也称为片上系统也称为片上系统 SoC，System on chip，或者，或者 System on a chip。 基本定义：以基本定义：以知识产权核知识产权核为设计基础，为设计基础，在单个芯片上集成处

35、理器、存储器、各在单个芯片上集成处理器、存储器、各种接口等部件，组成一个部分完整的计种接口等部件，组成一个部分完整的计算机系统，可以完成特定的应用功能。算机系统，可以完成特定的应用功能。 系统芯片是单功能集成电路芯片的跨越系统芯片是单功能集成电路芯片的跨越式发展。式发展。 目前，大多数目前，大多数32位的嵌入式处理器芯片位的嵌入式处理器芯片都是都是SoC。系统芯片的主要优点系统芯片的主要优点v丰富的系统功能；丰富的系统功能；v客户定制；客户定制；v提高速度；提高速度；v降低功耗；降低功耗；v减少体积。减少体积。IP核的三种形态核的三种形态v软核软核 用用 HDL（Hardware Descri

36、ption Language,硬件描述语言）文本形式硬件描述语言）文本形式提交给用户提交给用户v硬核硬核 电路物理结构掩模版图和全套工艺文件电路物理结构掩模版图和全套工艺文件提供给用户提供给用户v固核固核 介于软核和硬核之间，以门级电路网表介于软核和硬核之间，以门级电路网表的形式提供给用户的形式提供给用户IP核形态的优选原则核形态的优选原则v从可被重用频度、可向其它工艺移植可能从可被重用频度、可向其它工艺移植可能性、重用灵活性等方面考虑，三种性、重用灵活性等方面考虑，三种IP核的核的优选次序是：优选次序是： 上策选软核上策选软核 中策选固核中策选固核 下策选硬核下策选硬核IP核形态的优选原则核

37、形态的优选原则v从高性能、规范化、有较短上市时间、自从高性能、规范化、有较短上市时间、自行开发工作量尽量少、有支付高价能力的行开发工作量尽量少、有支付高价能力的角度考虑，优选次序是：角度考虑，优选次序是： 硬核为上策硬核为上策 固核为中策固核为中策 软核为下策软核为下策接下来介绍接下来介绍v微处理器结构体系微处理器结构体系v影响影响CPU性能的因素性能的因素v嵌入式处理器的分类嵌入式处理器的分类v知识产权与硅知识产权知识产权与硅知识产权v主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v处理器选型原则和方法处理器选型原则和方法主流嵌入式微处理器主流嵌入式微处理器v几种嵌入式处理器概览几种嵌入式处理器概览A

38、RMPowerPCMIPSARM处理器简介处理器简介vARM 即即Advanced RISC Machines的缩写。的缩写。vARM公司是设计公司，是公司是设计公司，是知识产权（知识产权（IP: Intellectual Property）供应商，靠供应商，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。的芯片。 有有30多家半导体公司与多家半导体公司与ARM签订了硬签订了硬件技术使用许可协议。件技术使用许可协议。ARM处理器简介处理器简介vARM处理器的处理器的3大特点：大特点： 小体积、低功耗、成本低、高性能小体积、低功耗、成本低、高性能 16位位32位

39、双指令集位双指令集 全球众多的合作伙伴全球众多的合作伙伴ARM公司以知识产权核为主营业务公司以知识产权核为主营业务vIP核以三种形式存在。核以三种形式存在。 硬核硬核 软核软核 固核固核vARM公司研发的处理器核以上面的三种形公司研发的处理器核以上面的三种形式销售式销售ARM公司的公司的IP销售与服务销售与服务ARM公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例：服务付款技术支持ARM发展简史发展简史v1985年年4月月26日，第一个日，第一个ARM原型在英原型在英国剑桥的国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由计算机有限公司诞生，由美国加州美国加州San Jose VLSI技术公司制造。技

40、术公司制造。v20世纪世纪80年代后期，年代后期，ARM很快开发成很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。教育基础。v1990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Limited（简称简称ARM公司）。公司）。ARM发展简史发展简史v20世纪世纪90年代，年代，ARM 32位嵌入式位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。地位。ARM体系结构的扩充体系结构的扩充vARM 32位位处理器体系结

41、构是市场占有率高处理器体系结构是市场占有率高的的32位嵌入式位嵌入式RISC微处理器结构微处理器结构 市场占有率大约为市场占有率大约为75%v所有所有ARM处理器共享同一个体系结构。处理器共享同一个体系结构。vARM体系结构的扩充包括：体系结构的扩充包括： Thumb：16位指令集，用以改善代码密位指令集，用以改善代码密度；度； DSP：用于用于DSP应用的算术运算指令集；应用的算术运算指令集； Jazeller：允许直接执行允许直接执行Java字节码的字节码的扩充扩充。ARM处理器应用处理器应用vARM系列处理器提供的解决方案包括：系列处理器提供的解决方案包括： 在无线、消费电子和图像应用方

42、面的开放在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台平台 智能卡和智能卡和SIM卡的安全应用卡的安全应用 嵌入式系统教学实验设备嵌入式系统教学实验设备 网络设备：路由器、调制解调器等网络设备：路由器、调制解调器等 移动电话、智能手机等移动电话、智能手机等ARM核的技术优势核的技术优势vARM核的优点包括：核的优点包括： 引入新颖的称为引入新颖的称为Thumb的压缩指令格的压缩指令格式，降低了小型系统的成本和电源消耗；式，降低了小型系统的成本和电源消耗； ARM9、ARM10和和StrongARM处理处理器系列的性能得到了显著提高；器系列的性能得到了显著提高； 具有先进的软件开发和调试环境；具有先进

43、的软件开发和调试环境； 基于基于ARM处理器核的芯片得到了广泛的处理器核的芯片得到了广泛的嵌入式应用。嵌入式应用。ARM处理器系列产品概况处理器系列产品概况vARM处理器当前有处理器当前有6个产品系列：个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和和Cortex。 ARM7、ARM9、ARM10和和ARM11是是4个通用处理器系列，每个系列提供一个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。和体积的需求。 SecurCore是第是第5个产品系列，是专门个产品系列，是专门为安全设备而设计的。为安

44、全设备而设计的。ARM处理器系列产品概况处理器系列产品概况v来自于合作伙伴的产品来自于合作伙伴的产品 例如：例如：Intel XScale微体系结构和微体系结构和StrongARM产品。产品。Intel公司生产的公司生产的ARM系列处理器系列处理器v众所周知，众所周知，Intel公司是公司是PC平台的平台的x86系系列微处理器生产商。列微处理器生产商。v但是，它也生产嵌入式处理器，不过该公司但是，它也生产嵌入式处理器，不过该公司生产的嵌入式处理器并不是自主知识产权的生产的嵌入式处理器并不是自主知识产权的产品。产品。vIntel公司购买了公司购买了ARM的的IP核先后生产出核先后生产出了两种嵌入

45、式处理器：了两种嵌入式处理器：StrongARM和和XScale。Intel公司生产的公司生产的ARM系列处理器系列处理器v除了维持指令集不变之外，除了维持指令集不变之外，Intel公司凭借公司凭借自身强大的技术开发实力，在功能上和性能自身强大的技术开发实力，在功能上和性能上对这两款嵌入式处理器做了改进和提高，上对这两款嵌入式处理器做了改进和提高，使得它们成为性能优秀的嵌入式处理器。使得它们成为性能优秀的嵌入式处理器。ARMARM的发展历程的发展历程ARM8,810ARM7D,7DMARM2,31985 - 90 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997ARM7TD

46、MIARM6,60,610ARM7,710MIPS204060801000StrongARMARM9,920PowerPC处理器处理器v由由IBM（国际商业机器公司）（国际商业机器公司） Motorola（摩托罗拉公司）（摩托罗拉公司） 和和Apple (苹果公司苹果公司)联联合开发的高性能合开发的高性能32位和位和64位位RISC微处理器微处理器系列系列 。vPower PC家族有三条产品线，分别是嵌入家族有三条产品线，分别是嵌入式的式的Power PC 400系列，系列，Power PC 700和和Power PC 900系列。系列。 PowerPC处理器处理器v特点特点 兼容性；兼容性；

47、 开放性；（公开指令集，允许任何厂商开放性；（公开指令集，允许任何厂商设计设计Power PC的兼容处理器，的兼容处理器，Power PC的一些软件的源代码也可以的一些软件的源代码也可以下载到）下载到） 内核非常小，可以在同一芯片上安置许内核非常小，可以在同一芯片上安置许多其他的辅助电路，例如缓存、协处理多其他的辅助电路，例如缓存、协处理器，大大增加了芯片的灵活性。器，大大增加了芯片的灵活性。 MIPS嵌入式微处理器嵌入式微处理器vMIPS处理器处理器 MIPS计算机公司研发计算机公司研发 一种高端嵌入式内核标准一种高端嵌入式内核标准 MIPS的英文原文：的英文原文：Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 中文意义是内部无互锁流水级微处理器中文意义是内部无互锁流水级微处理器尽量利用软件办法避免流水线的数据尽量利用软件办法避免流水线的数据相关问题相关问题MIPS计算机公司简史计算机公司简史vMIPS处理器最早是在处理器最早是在80年代初期由斯坦年代初期由斯坦福福(Stanfor