第三章硬件层1

1、1第三章第三章系统硬件体系系统硬件体系 2作为整个嵌入式系统的物理基础，硬件层系统的作为整个嵌入式系统的物理基础，硬件层系统的地位不言而喻。本章详细阐述嵌入式系统硬件构成，地位不言而喻。本章详细阐述嵌入式系统硬件构成，包括其电路系统由什么组成、如何组成，尤其针对包括其电路系统由什么组成、如何组成，尤其针对嵌入式处理器、存储器做了详述。同时对于系统构嵌入式处理器、存储器做了详述。同时对于系统构成方式的基本问题做了系统的说明，包括时钟、总成方式的基本问题做了系统的说明，包括时钟、总线、能耗控制等。最后以嵌入式系统为背景，给出线、能耗控制等。最后以嵌入式系统为背景，给出了硬件体系的评价方法，以作为硬

2、件整体裁剪的标了硬件体系的评价方法，以作为硬件整体裁剪的标准。准。33.1 硬件体系框架硬件体系框架硬件层以信号信号为对象，完成各种信号之间的相互转换。通常信号变换前后其承载的信息不变，因此，无论如何变换，信号之间总是存在某种函数对应关系。嵌入式系统的硬件层结构通常以嵌入式处理器嵌入式处理器为核心，以信号总线信号总线为骨干构成。从嵌入式处理器向外考察，系统包括外围电路和外设外围电路和外设。根据各种单元电路的功能，嵌入式系统的硬件可划分为微处理器、存储器、输入/输出设备、通信和扩展接口等。微处理器：微处理器：作为系统核心，担负着将各种电信号转变为电信号转变为寄存器数据寄存器数据供上层系统操作的任

3、务，同时向上层系统提供基本的数据操作功能。存储器：存储器：用于保存系统的程序指令和运行过程中所须的寄存空间。输入输入/输出设备和通信输出设备和通信/扩展接口：扩展接口：实现系统与外界环境之间的信息交换。453.2 硬件系统元素硬件系统元素第一个问题：嵌入式系统硬件电路由什么构成？第一个问题：嵌入式系统硬件电路由什么构成？3.2.1 微处理器微处理器3.2.2存储器存储器3.2.3输入输出设备输入输出设备3.2.4通信与扩展接口通信与扩展接口63.2.1 微处理器和指令系统微处理器和指令系统 1.微处理器内核的体系结构微处理器内核的体系结构处理器干了什么？ 处理器将所有可操作的硬件资源全部以地址

4、空间的形式将所有可操作的硬件资源全部以地址空间的形式组织在一起组织在一起，上层系统（软件）只看到统一的地址空间。可见处理器所作的第一件任务就是将这些硬件资源组织在一起，供软件操作，这项工作即寻址。处理器的另一项任务当然就是对数据进行转移、对数据进行转移、各种算术逻辑运算各种算术逻辑运算，决定这些操作的就是程序，或称指令。78处理器内核处理器内核 有限状态机模型：一个外部存储设备，可随机向右扩展有限状态机模型：一个外部存储设备，可随机向右扩展的无限长符号带，每个单元所存储的符号定义为一定编码。的无限长符号带，每个单元所存储的符号定义为一定编码。一个有限状态控制器通过读一个有限状态控制器通过读/写

5、头和字符带进行耦合。在任写头和字符带进行耦合。在任意时刻，有限状态控制器处于某个状态，读意时刻，有限状态控制器处于某个状态，读/写头扫描字符写头扫描字符带上一个单元，而后：带上一个单元，而后： 根据该字符编码改变控制器状态；根据该字符编码改变控制器状态； 擦除刚扫描的单元并印上一个新的符号；擦除刚扫描的单元并印上一个新的符号； 读读/写头向右移位。写头向右移位。9 处理器是如何完成寻址和指令操作的？处理器是如何完成寻址和指令操作的？ 处理器的体系结构：冯处理器的体系结构：冯.诺依曼结构、哈佛结构诺依曼结构、哈佛结构10冯冯.诺依曼结构诺依曼结构 1945年，冯年，冯.诺依曼提出。诺依曼提出。

6、指令与数据使用同一存储空间，经由同一总线传输。指令与数据使用同一存储空间，经由同一总线传输。 冯冯.诺依曼结构处理器具有以下几个特点：诺依曼结构处理器具有以下几个特点： 必有一个存储器；必有一个存储器； 必有一个控制器；必有一个控制器； 必有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算；必有一个运算器，用于完成算术运算和逻辑运算； 必有输入和输出设备，用于进行人机通信。必有输入和输出设备，用于进行人机通信。 冯冯.诺依曼的主要贡献就是提出并实现了诺依曼的主要贡献就是提出并实现了“存储程序存储程序”的概的概念念 指令与数据共享同一总线使得数据流的传输称为限制计算指令与数据共享同一总线使得数据流的传输称

7、为限制计算机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高机性能的瓶颈，影响了数据处理速度的提高11哈佛结构哈佛结构 使用两个独立的存储器（空间），分别存储指令和数据，不允许指令和数据并存； 使用两条独立的总线分别操作两个存储空间两个存储空间。 指令和数据分别存放，保证了较高的可靠性。 由于程序执行过程中获取操作指令和操作数使用不同的总线，因此这两项工作可以同时进行，即两条或更多指令在执行时间上相互重叠，前一条指令尚未执行完成时，后一条指令已经读出准备执行，这就称为流水线结构流水线结构。显然，这种结构可以提高系统运行速度。12冯氏结构指令执行哈佛氏结构指令执行13改进型哈佛结构改进型哈佛结构 使用两个独

8、立的存储器模块，分别存储指令和数据，不使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，不允许指令和数据并存，以便实现并行处理；允许指令和数据并存，以便实现并行处理； 具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块存储模块），公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与或数据存储模块与CPUCPU之间的数据传输；之间的数据传输； 两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用两条总线由程序存储器和数据存储

9、器分时共用。 14哈佛哈佛Cache结构结构为了保证系统的兼容性，在一些冯为了保证系统的兼容性，在一些冯.诺依曼结构的计算机上使用哈佛诺依曼结构的计算机上使用哈佛结构的处理器，则在哈佛结构的处理上进行折衷，其对外（接编译器、结构的处理器，则在哈佛结构的处理上进行折衷，其对外（接编译器、存储器）的总线仍采用同一总线结构，而内部则分别设置指令、数据存储器）的总线仍采用同一总线结构，而内部则分别设置指令、数据两个两个Cache存储器，在这一级别上实现指令、数据操作独立。存储器，在这一级别上实现指令、数据操作独立。ARM920T结构原理图 152.嵌入式微处理器嵌入式微处理器 嵌入式处理器是指具备强的

10、中断、嵌入式处理器是指具备强的中断、I/O、内存和能耗管理、内存和能耗管理能力，具有定制多类体系架构的特征，适当计算处理性能能力，具有定制多类体系架构的特征，适当计算处理性能的微处理器。的微处理器。 嵌入式微处理器应该具有以下特点：嵌入式微处理器应该具有以下特点： 具有较强的实时多任务处理能力具有较强的实时多任务处理能力 具有较强的中断处理能力具有较强的中断处理能力 具有强大的存储区保护功能具有强大的存储区保护功能 采用可扩展的处理器结构采用可扩展的处理器结构 提供丰富的调试功能提供丰富的调试功能 具有低功耗特性具有低功耗特性 16 嵌入式微处理器的历史嵌入式微处理器的历史4位嵌入式微处理器位

11、嵌入式微处理器 Intel 4004 4个个PMOS LSI (大型集成电路大型集成电路 Large-Scale Integration) 2300个晶体管个晶体管 3mm4mm 16只针脚只针脚 主频主频108kHz 每秒每秒60000次的运算速度次的运算速度 46条基本指令条基本指令 德州仪器德州仪器 TMSl000 PMOS 1024字节的字节的ROM 64个个4位字组的位字组的RAM 一个一个4位的输入接口位的输入接口 19个输出位个输出位 只能处理内部内存中的程序代码，无法外加外部内存只能处理内部内存中的程序代码，无法外加外部内存 17 8位嵌入式微处理器位嵌入式微处理器Intel公

12、司公司 8080、MCS51 基于基于6微米技术微米技术 集成集成6000个晶体管个晶体管 60条指令条指令 时钟频率时钟频率2MHz、N-MOS工艺工艺 双双8位操作数加法运算器、位操作数加法运算器、50万次万次/s 16位地址总线和位地址总线和8位数据总线位数据总线 具备扩展寻址能力具备扩展寻址能力Motorola公司公司6800 NMOS电路技术电路技术 16位地址总线，位地址总线，8位数据总线位数据总线 运算的数据在主内存运算的数据在主内存 三个寄存器三个寄存器(16位索引寄存器，两个位索引寄存器，两个累加器累加器 )Zilog公司的公司的Z80 时钟频率时钟频率 2.5MHz 双寄存

13、器、双通道双寄存器、双通道 80条指令条指令 位测试、位设置、区块移动、搜寻位测试、位设置、区块移动、搜寻及特殊输入输出等指令及特殊输入输出等指令18 16位微处理器位微处理器 Intel8086 Motorola 6800019 频率的变迁频率的变迁 4004：108KHz（1971） 8080：2MHz（1974） 8086：4.77MHz（1978） 80286：20MHz（1982） 80486：50MHz（1989） ARM：400MHz（2000）集成度（晶体管）集成度（晶体管） 4004：2300 8080：6000 8086：29k 80386：275k20 ARM 产品系列产

14、品系列 ARM7，ARM9，ARM9E，ARM10，SecurCore，StrongARM，Xscale，DragonBall 特点：特点： 在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元(ALU)和移位器，以使和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率；和移位器获得最大的利用率； 自动递增和自动递减的寻址模式，优化程序中的循环自动递增和自动递减的寻址模式，优化程序中的循环 同时同时Load和和Store多条指令，以增加数据吞吐量多条指令，以增加数据吞吐量 所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量 2132位以上嵌入式微处

15、理器代表性产品及出现年代图位以上嵌入式微处理器代表性产品及出现年代图 22 嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类 一般用途型嵌入式微处理器一般用途型嵌入式微处理器 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 嵌入式数字信号处理器嵌入式数字信号处理器 片上系统片上可编程系统片上系统片上可编程系统23 一般用途嵌入式微处理器一般用途嵌入式微处理器 即通用计算机上使用的微处理器，应用中装配在专门设即通用计算机上使用的微处理器，应用中装配在专门设计的电路板上，电路板上配有必要的外围电路和一些专门的计的电路板上，电路板上配有必要的外围电路和一些专门的接口电路。接口电路。例：例：Intel：8086/8088、80

16、268、80386、80486 Motorola：6800、68000 Zilog：Z8024 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 即单片机，它以某种微处理器内核为核心，芯片内部集即单片机，它以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成成ROM/EPROM、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、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等必要的外围电路和外设等必要的外围电路和外设 。例：例：Intel：MCS51、MCS96/196 Philips：P51XA MOTOROLA：以：以Power PC

17、为基础的为基础的PPC50525 嵌入式嵌入式DSP处理器处理器 DSP时为完成实时数字信号处理任务而设计的一种特殊时为完成实时数字信号处理任务而设计的一种特殊用途处理器，对处理器的系统结构和指令进行特殊设计，使用途处理器，对处理器的系统结构和指令进行特殊设计，使其适合执行其适合执行DSO算法，并且编译效率、指令执行速度都能得算法，并且编译效率、指令执行速度都能得到大幅度的提高。适用于需要进行大量数学运算的应用。到大幅度的提高。适用于需要进行大量数学运算的应用。例：例：Intel：MCS296 Motorola：DSP56000 TI：MSP32026 嵌入式片上系统嵌入式片上系统SoC 利用

18、高集成度硅片，将从前多个集成电路实现的电路系利用高集成度硅片，将从前多个集成电路实现的电路系统封装在一个晶片上。统封装在一个晶片上。 SoC通常以某一处理器为核心，集成端口、定时器、以通常以某一处理器为核心，集成端口、定时器、以及及USB、IEEE1394、蓝牙等接口模块实现。可改变内部工、蓝牙等接口模块实现。可改变内部工作电压，降低芯片功耗，减少芯片对外引脚数，简化制造过作电压，降低芯片功耗，减少芯片对外引脚数，简化制造过程，减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可加程，减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可加快微处理器速度，避免外部信号干扰。快微处理器速度，避免外部信号干扰。

19、 为了实现为了实现SoC设计，市场上以出现各种用于设计，市场上以出现各种用于SoC的功能的功能模块，如微处理器、通信单元等。这些模块具有相当的通用模块，如微处理器、通信单元等。这些模块具有相当的通用性，称为性，称为IP核。核。SoC设计者可以通过购买设计者可以通过购买IP核版权的方式使核版权的方式使用它们，以缩短用它们，以缩短SoC设计周期。设计周期。 通用型通用型SoC：ARM系列（系列（arm）、）、M-Core（Motorola） 专用型专用型SoC：Smart XA（Philips）（集成）（集成XA单片机核、单片机核、2048位复杂位复杂RSA算法模块，用于算法模块，用于Intern

20、et加密）加密）27 嵌入式片上可编程系统嵌入式片上可编程系统SoPC 同样集成了多个功能模块电路，核心是嵌入式软核处理同样集成了多个功能模块电路，核心是嵌入式软核处理器，通过将软核处理器和其它多种应用模块集成在通用器，通过将软核处理器和其它多种应用模块集成在通用FPGA/CPLD内，实现一个完全可重置的嵌入式片上系统。内，实现一个完全可重置的嵌入式片上系统。与与SoC不同的是其片上外围电路可重新设计。不同的是其片上外围电路可重新设计。例：例：Altera公司：公司：Nios系列系列 Xilinx公司：公司：MicroBlaze系列系列28 其它综合类型：其它综合类型：CISC/RISC +

21、DSP：前者负责控制、界面操：前者负责控制、界面操作等工作，后者复杂大运算量数据处理。作等工作，后者复杂大运算量数据处理。CPLD/FPGA + CISC/RISC：提高灵活性和：提高灵活性和适应能力。适应能力。29嵌入式微处理器的分类嵌入式微处理器的分类 优点缺点嵌入式微处理器 功能强大。体积大、功耗高、成本高嵌入式微控制器 体积小、可靠性高。内存资源有限，运算能力弱嵌入式数字信号处理器 编译效率高、指令执行速度快。嵌入式片上系统 体积小、简化设计与工艺、速度快、免干扰。依赖于固定的ASIC开发周期长 片上可编程系统 可编程、基于CPLD/FPGA解决了SoC的问题。CISC/RISC +

22、DSP实现了资源的最优配置，用最少的成本满足应用需求。CPLD/FPGA + CISC/RISC可在很大程度上提高系统的处理性能，超强的灵活性。303.指令系统指令系统 （1）基础知识）基础知识 微指令、宏指令和机器指令微指令、宏指令和机器指令 微指令是微程序级的命令，它属于硬件微指令是微程序级的命令，它属于硬件 宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件于软件 机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作指令，可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作 指令

23、系统指令系统 一种微处理器所能识别的全部指令的集合一种微处理器所能识别的全部指令的集合 数据传送操作、加法操作、减法操作、逻辑与操作、数据传送操作、加法操作、减法操作、逻辑与操作、逻辑或操作、左移操作、右移操作逻辑或操作、左移操作、右移操作 31指令系统的特性要求指令系统的特性要求 完备性完备性 用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用。用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便 有效性有效性 利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表利用该指令系统所编写的程序能够

24、高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。现在程序占据存储空间小、执行速度快。 规整性规整性 包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。 兼容性兼容性 至少要能做到至少要能做到“向上兼容向上兼容”。32 指令字的构成指令字的构成 表示一条指令的机器字称为指令字，简称指令：表示一条指令的机器字称为指令字，简称指令： | 操作码字段操作码字段 | 地址码（操作数）字段地址码（操作数）字段 | 操作数：操作数： 零地址指令：只有操作码，无地址码（操作数）；零地址指令：只有操作码，无地址码（操作数）； 一地址

25、指令：操作码一地址指令：操作码+一个地址码（操作数）；一个地址码（操作数）； 二地址指令：操作码二地址指令：操作码+两个地址码（操作数）；两个地址码（操作数）； 三地址指令：操作码三地址指令：操作码+三个地址码（操作数）；三个地址码（操作数）； 按操作数的物理位置：按操作数的物理位置： 存储器存储器型存储器存储器型 寄存器寄存器型寄存器寄存器型 存储器寄存器型存储器寄存器型 按指令字长度按指令字长度 等长指令字结构等长指令字结构 变长指令字结构变长指令字结构 33 寻址方式：处理器根据地址码字段获得操作数的方式。寻址方式：处理器根据地址码字段获得操作数的方式。 隐含寻址：寻址目标隐含在指令当中

26、，不必给出。隐含寻址：寻址目标隐含在指令当中，不必给出。 立即寻址：给出操作数（无地址立即数）立即寻址：给出操作数（无地址立即数） 直接寻址：给出存储空间（内存）地址直接寻址：给出存储空间（内存）地址 寄存器寻址：给出寄存器空间地址寄存器寻址：给出寄存器空间地址 寄存器间接寻址：操作数存于内存中，其偏移地址存于指寄存器间接寻址：操作数存于内存中，其偏移地址存于指令说明的寄存器中。令说明的寄存器中。 基址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址基址寄存器内基址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址基址寄存器内容加指令给出的偏移量。容加指令给出的偏移量。 寄存器相对寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是指令寄

27、存器相对寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是指令指定寄存器中内容与指令中偏移量之和。指定寄存器中内容与指令中偏移量之和。 变址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是基址寄存器变址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是基址寄存器内容加指令给出的偏移量所指定的寄存器的内容。内容加指令给出的偏移量所指定的寄存器的内容。 基址基址-变址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是指令给变址寻址：操作数存于内存中，其偏移地址是指令给出的基址寄存器、变址寄存器和偏移量之和所指定的寄存出的基址寄存器、变址寄存器和偏移量之和所指定的寄存器内容。器内容。34 指令集的风格指令集的风格 CISC RISC 超长指令字（超长指

28、令字（VLIW） 数据信号处理指令集（数据信号处理指令集（DSP） 专用指令集（专用指令集（ASIP）35 CISC 计算机早期出现；计算机早期出现； 指令丰富，代码短小，控制复杂，执行复杂；指令丰富，代码短小，控制复杂，执行复杂； 代码效率较低代码效率较低 RISC 指令条数和寻址方式较少；指令条数和寻址方式较少； 单一机器周期操作；单一机器周期操作； 存取操作限制：只有装入、存数指令操作内存，内存访问次数少，存取操作限制：只有装入、存数指令操作内存，内存访问次数少，带宽要求较低，所有操作限制只针对寄存器。带宽要求较低，所有操作限制只针对寄存器。 简单固定的指令结构；简单固定的指令结构； 指

29、令流水线，指令效率高；指令流水线，指令效率高； 高速度、高可靠性、低成本；高速度、高可靠性、低成本； 代码长，对编译器依赖程度高，工作寄存器数量要求多代码长，对编译器依赖程度高，工作寄存器数量要求多36 超长指令字（超长指令字（VLIW） 相当长的指令字；相当长的指令字； 多个独立并行执行部件；多个独立并行执行部件； 单一控制流，由一个全局控制器每个周期启动一个长指令；单一控制流，由一个全局控制器每个周期启动一个长指令； 含有大量的数据通路和功能部件，将多条可以同时发送的指令排含有大量的数据通路和功能部件，将多条可以同时发送的指令排在一条超长指令字中；在一条超长指令字中； 对编译器技术水平依赖

30、程度高；对编译器技术水平依赖程度高； 数据信号处理指令集（数据信号处理指令集（DSP） 采用改进的哈佛结构采用改进的哈佛结构 流水线操作流水线操作 采用专用的硬件乘法器采用专用的硬件乘法器 特殊的特殊的DSP指令指令 多机并行运行特性多机并行运行特性 电压很低电压很低 专用指令集（专用指令集（ASIP） 针对特定应用设计专用指令集，再根据设计好的指令集优化处理针对特定应用设计专用指令集，再根据设计好的指令集优化处理器的体系结构，使体系结构更适合专用指令的执行，进一步提高器的体系结构，使体系结构更适合专用指令的执行，进一步提高指令执行效率。指令执行效率。374.嵌入式处理器的片内外设嵌入式处理器

31、的片内外设 IO端口：端口：8Bit/16Bit输入输出输入输出 定时器定时器/计数器：时钟源，预分频，溢出，计数模重载，计数器：时钟源，预分频，溢出，计数模重载，输入信号捕捉，输出比较输入信号捕捉，输出比较 中断：中断源，优先级，中断开放与关闭中断：中断源，优先级，中断开放与关闭 AD：通道选择，转换精度，单端：通道选择，转换精度，单端/双端（差分）输入，取双端（差分）输入，取样（转换）启动触发样（转换）启动触发 DA：转换精度，输出启动触发：转换精度，输出启动触发 UART（SCI）/CAN：通信协议设置：通信协议设置 端口扩展（端口扩展（I2C、SPI）：协议设置）：协议设置 其它：其它

32、：LCD控制、控制、DMA控制等控制等385.嵌入式处理器的存储空间嵌入式处理器的存储空间 CPU数据、指令暂存器数据、指令暂存器 特殊功能寄存器特殊功能寄存器 工作寄存器工作寄存器 通用数据寄存器通用数据寄存器 程序存储器程序存储器 数据存储器数据存储器 设备空间设备空间以以MCS51为例为例39 6.S3C2410简介简介 Samsung公司，公司，ARM公司公司ARM920T处理器核，处理器核，0.18um工艺制造，工艺制造，32位位微控制器。微控制器。 带带MMU的、独立的的、独立的16KB指令指令Cache和和16KB数据数据Cache； 1.8V内核电源，内核电源，3.3VI/O电

33、压，兼容电压，兼容1.8、2.5、3.3V内存电压；内存电压； PLL时钟时钟发生，最高可运行在发生，最高可运行在203MHz。 内含内含SDRAM控制器、控制器、NAND闪存控闪存控制器；支持制器；支持TFT的的LCD控制器；控制器； Touch Screen接口；接口； RTC实时时钟芯片；实时时钟芯片； 3路路UART；4路路DMA；4路带路带PWM的的Timer；117个个GPIO；8路路10位位ADC；IIC-BUS接口；接口；IIS-BUS接口；接口；2个个USB主机；主机；1个个USB设备；设备； SD，MMC，Smart Media等存储卡接口；等存储卡接口；2路路SPI； 2

34、4个外部中断个外部中断 支持从支持从SmartMedia （Nand Flash）中启）中启动系统动系统 40 S3C2410存储空间存储空间冯结构：程序、冯结构：程序、数据统一空间；数据统一空间；程序、数据空间：程序、数据空间：1GB，0 x0000_00000 x4000_0000共共27位地址位地址+8位位CS；自动引导程序空自动引导程序空间：间：4KSFR：348K 0 x4800_00000 x6000_000041 272条引脚条引脚42 中断中断入口地址入口地址 异常中断类型异常中断类型 进入时处理器模式进入时处理器模式0 x00000000 Reset Supervisor 0

35、 x00000004 Undefined instruction Undefined 0 x00000008 Software Interrupt Supervisor 0 x0000000C Abort (prefetch) Abort 0 x00000010 Abort (data) Abort 0 x00000014 Reserved Reserved 0 x00000018 IRQ IRQ 0 x0000001C FIQ FIQ 最高优先级最高优先级 1.复位复位2.数据数据 abort 3. FIQ 4. IRQ 5. 预取指预取指 abort 6.未定义指令，软件中断未定义指令，软

36、件中断最低优先级最低优先级 433.2.2 存储器存储器 挥发性：运行期间保存的各种变量挥发性：运行期间保存的各种变量 非挥发性：程序，掉电后仍需保存的数据非挥发性：程序，掉电后仍需保存的数据441.挥发性存储挥发性存储 随机存储器（随机存储器（RAM） DRAM SRAM 45 地址译码：行、列双译码结构，字数地址译码：行、列双译码结构，字数 存储单元：字长存储单元：字长 存储器容量字数存储器容量字数字长字长 例：例：32列列32列列 =210 =1024个存储单元个存储单元DRAM 晶体管电容，需要刷新晶体管电容，需要刷新 效率低，简单，集成度高效率低，简单，集成度高SRAM 6个个MOS

37、管，不需要刷新管，不需要刷新 速度快，功耗高，集成度低速度快，功耗高，集成度低 用于用于Cache462.非挥发性存储非挥发性存储 要求：可靠性高、体积小、重量轻、容量大要求：可靠性高、体积小、重量轻、容量大 常见的非挥发性存储：常见的非挥发性存储：ROM、Flash、微硬盘、微硬盘47 只读存储器（只读存储器（ROM） ROM：二极管、三极管、场效应管存储：二极管、三极管、场效应管存储 PROM：熔丝存储：熔丝存储 EPROM：浮栅管存储：浮栅管存储 EEPROM：隧道叠栅管存储：隧道叠栅管存储48 FLASH存储器：隧道叠栅管存储器：隧道叠栅管 写入过程写入过程 控制栅加高压、漏极接地控制

38、栅加高压、漏极接地 “沟道热电子注入沟道热电子注入” 擦除过程擦除过程 控制栅接地，源极高压控制栅接地，源极高压 FowlerNordheim隧道效应隧道效应 源极连接在一起源极连接在一起 49NOR（或非结构栅格）和（或非结构栅格）和NAND （与非结构栅格）（与非结构栅格）NORNAND存储容量 1Mb128Mb8Mb2Gb擦除块大小 64kb256kb 16kb128kb，每块被分为若干个512字节的页面，每页面含有16字节附加存储区 写入方式 按字节随机写入 以页面为单位写入读取方式按字节随机读取按字节随机读取或页面读取读取速度快慢写入速度慢快擦除时间25s/块2ms5ms/块坏块比例

39、 低高，需要EDC/ECC算法解决位交换问题辅助软件无需要程序驱动50 微硬盘：磁性材料存储微硬盘：磁性材料存储 主要尺寸：主要尺寸：1.8英寸，英寸，1英寸和英寸和0.85英寸英寸 包含磁性材料、精密机械、微动力马达、光电材料、包含磁性材料、精密机械、微动力马达、光电材料、芯片封装、电子模组加工等专业技术芯片封装、电子模组加工等专业技术 主流容量：主流容量：14GB，更大容量的产品（例如，更大容量的产品（例如15GB和和60GB）也已出现）也已出现 转速：转速：36004200 rpm 数据缓存：数据缓存：128 KB 优缺点：优缺点： 容量大而价格低容量大而价格低 抗震性不好，发热量、耗电

40、量较大抗震性不好，发热量、耗电量较大 ，易受磁、静电干扰，易受磁、静电干扰51523.硬件最小系统硬件最小系统 1. S3C2440A工业级低功耗处理器，工业级低功耗处理器，400MHz 2. SDRAM 64M 3. NAND FLASH 64M 4. 内核电压由核心板上提供，外围只要提供内核电压由核心板上提供，外围只要提供3.3V即可。即可。 5. 144PIN金手指接口引出来所有的地址线和数据线。金手指接口引出来所有的地址线和数据线。53S3C2410核心板原理图核心板原理图金手指接插件部分54S3C2410芯片，总线部分55S3C2410芯片，各类接口部分56存储器57电源583.2.

41、3 输入输出设备输入输出设备1.输入设备输入设备 接收外界环境的各种信息（信号）。接收外界环境的各种信息（信号）。 各种操作输入各种操作输入 各种传感器等环境检测信号输入各种传感器等环境检测信号输入 各种电气、电磁场环境干扰输入各种电气、电磁场环境干扰输入59 操作界面输入操作界面输入 机械式输入设备机械式输入设备 开关、按键、键盘开关、按键、键盘 查询法、定时扫描法和中断法查询法、定时扫描法和中断法 扫描法和行反转法扫描法和行反转法 键盘识别问题键盘识别问题 硬件实现：编码键盘硬件实现：编码键盘 软件实现：未编码键盘软件实现：未编码键盘 信号去抖信号去抖 抖动时间一般为抖动时间一般为510m

42、s之间之间 采用设置延迟以等待抖动的消失采用设置延迟以等待抖动的消失 重键重键60 触控式输入设备触控式输入设备触摸屏触摸屏 电容式、红外线式、进场感应式、电阻式电容式、红外线式、进场感应式、电阻式电阻式电容式红外式表面声波式优点不怕灰尘和水汽，可用任何物体触摸，可用于写字画画透光率和清晰度较好不受电流、电压和静电干扰，适宜恶劣的环境条件清晰度高，透光率分辨率好，反应灵敏，抗划伤。不受温度、湿度等因素影响、无漂移，只需一次校正，寿命长缺点触摸屏易划伤而导致报废反光严重，透光率不均匀，存在色彩失真的问题，图像字符模糊怕受污染、破坏性使用，维护繁杂，稳定性和分辨率有待提高需要经常维护，须严格注意环

43、境卫生，须经常擦拭屏的表面以保持屏面光洁61 声光式输入设备声光式输入设备 声控设备声控设备 光控设备光控设备传感器输入传感器输入 信号源式传感器：信号放大、变换电路，隔离电路信号源式传感器：信号放大、变换电路，隔离电路 变阻抗式传感器：标准激励电路，信号放大、变换电路，变阻抗式传感器：标准激励电路，信号放大、变换电路，隔离电路隔离电路干扰输入干扰输入 传导骚扰传导骚扰 辐射骚扰辐射骚扰622.输出设备输出设备 对外界环境的各种信息（信号）产生影响。对外界环境的各种信息（信号）产生影响。 操作信息的输出操作信息的输出 向应用现场的控制输出向应用现场的控制输出 干扰输出干扰输出63 操作信息的输

44、出设备操作信息的输出设备 显示器、打印机、绘图仪、液晶显示器等显示器、打印机、绘图仪、液晶显示器等 LCD显示器显示器 原理：内部结构产生扭曲改变光线的路径原理：内部结构产生扭曲改变光线的路径 主动式主动式LCD 控制电压元件在液晶单元内控制电压元件在液晶单元内 鲜艳的色彩鲜艳的色彩 较好的动态影像较好的动态影像 被动式被动式LCD 控制电压元件在面板的四周控制电压元件在面板的四周 反应时间较慢反应时间较慢 光线输出量较少光线输出量较少 可视角度较窄可视角度较窄 64 向应用现场的控制输出设备向应用现场的控制输出设备 电机、电磁铁、电解极板电机、电磁铁、电解极板 功率驱动功率驱动 隔离隔离干扰

45、输出干扰输出 辐射骚扰辐射骚扰 传导骚扰传导骚扰653.2.4 通信与扩展接口通信与扩展接口 有线接口有线接口 RS232、USB、IEEE1394、RJ45 电位匹配电位匹配 信号传递受阻信号传递受阻 驱动电位驱动电位 无线接口无线接口 红外线接口、蓝牙接口红外线接口、蓝牙接口 主板和外设之间存在的问题主板和外设之间存在的问题 工作速度工作速度 数据格式数据格式 电压等级电压等级661.RS232/RS422/RS485RS-232： 全双工串行通信总线标准。广泛应用于通用计算机与外全双工串行通信总线标准。广泛应用于通用计算机与外设间数据通信，特别是调制解调器。设间数据通信，特别是调制解调器

46、。 工业控制中常用工业控制中常用RXD、TXD、GND三线构成简单数据通三线构成简单数据通信系统。采用屏蔽电缆，最高通信速率信系统。采用屏蔽电缆，最高通信速率20kbps，使用信号，使用信号增强器后通信距离可达增强器后通信距离可达1000m。67 RS-422 一主多从准全双工串行通信，差分平衡传输，定义两对一主多从准全双工串行通信，差分平衡传输，定义两对信号线：主讲、从讲。信号线：主讲、从讲。+线高于线高于-线线200mV表示逻辑表示逻辑1，反之，反之表示逻辑表示逻辑0。采用平衡双绞线，最大传输距离。采用平衡双绞线，最大传输距离1200m，最高，最高速率速率100kbps。传输距离。传输距离

47、100m时，最高速率可达时，最高速率可达1Mbps。网络最多可接入网络最多可接入128节点。节点。RS-485 RS-422精简版，半双工串行通信，只定义一对信号线。精简版，半双工串行通信，只定义一对信号线。网络灵活，可构成一主多从，也可构成令牌环等形式。网络灵活，可构成一主多从，也可构成令牌环等形式。682.USB（通用串行总线）接口（通用串行总线）接口 一主一从半双工串行通信：一主一从半双工串行通信：USB主控器主控器USB设备。设备。 总线定义：总线定义：VBUS、GND、D+、D-。 USB1.1传输模式：全速传输模式：全速12Mb/s、低速、低速1.5Mb/s USB2.0传输模式：

48、传输模式：480Mb/s 动态插拔：主控器动态插拔：主控器D+、D-线接有下拉电阻，设备线接有下拉电阻，设备D+（全（全速）或速）或D-（低速）接有上拉电阻，设备接入前主控器（低速）接有上拉电阻，设备接入前主控器D+、D-接地，接入设备后上下拉电阻分压使接地，接入设备后上下拉电阻分压使D+或或D-电压升高，电压升高，主控器即可检测到设备接入。主控器即可检测到设备接入。69 动态配置动态配置 动态插拔动态插拔 地址动态分配地址动态分配 动态驱动配置动态驱动配置 四种数据传送模式：控制传输、中断传输、同步传输、批量传输；四种数据传送模式：控制传输、中断传输、同步传输、批量传输； 动态电源管理动态电

49、源管理 主从结构的请求处理方式主从结构的请求处理方式 请求错误请求错误特点特点 通用接口通用接口 即插即用与热插拔即插即用与热插拔 灵活供电灵活供电 多种传输模式多种传输模式 通信速度快通信速度快 数据传送可靠数据传送可靠 低成本低成本 703.IEEE1394接口接口 串行总线串行总线 三种传输速率：三种传输速率： 98.304 Mbps S100 196.608 Mbps S200 392.216 Mbps S400 长度长度4.5m 可扩展、最多可连接可扩展、最多可连接63个不同个不同的设备的设备 对等网络、无主控对等网络、无主控 热插拔热插拔 即插即用即插即用 异步数据传输异步数据传输

50、 可中断可中断 同步数据传输同步数据传输 高速连续传输高速连续传输714.红外线接口红外线接口 波长：波长： 微波：数毫米数米，用于长距离通讯微波：数毫米数米，用于长距离通讯 红外线：红外线：750nm1mm，室内通讯，室内通讯 可见光：可见光：400760nm 模块组成：模块组成： 红外线发光二极管红外线发光二极管 硅晶硅晶PIN光检二极管光检二极管 控制电路控制电路 传输速率：传输速率：9600bps115.2kbps725.蓝牙接口蓝牙接口 模块组成模块组成 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：通信频率：ISM频段频段2.402

51、GHz2.480GHz 通讯带宽：通讯带宽： 蓝牙蓝牙1.0 1Mbps 蓝牙蓝牙2.0 10Mbps 距离：距离：10M 异步非对称连接异步非对称连接 异步信道速率：非对称连接异步信道速率：非对称连接723.2kbits&57.6kbits 对称连接：对称连接：433.9kbits(全双工模式全双工模式)； 同步信道速率：同步信道速率：64kbits(3个全双工信道个全双工信道)； 信道间隔：信道间隔：1MHz 信道数：信道数：79 736.测试接口测试接口JTAG 测试、调试：测试、调试：CPU时钟正常，即可通过时钟正常，即可通过JTAG访问访问CPU内内的寄存器和挂在上面的设备。

52、的寄存器和挂在上面的设备。 标准标准JTAG： TMS选择选择 TCK时钟时钟 TDI数据输入数据输入 TDO数据输出数据输出 TRST测试复位（可选）测试复位（可选）743.3 系统设计要素系统设计要素第二个问题：嵌入式系统硬件电路是怎样组织在一起的？第二个问题：嵌入式系统硬件电路是怎样组织在一起的？753.3.1 时钟与总线时钟与总线1.时钟与锁相环时钟与锁相环 时钟：约束嵌入式系统所有部件协调一直的工作。时钟：约束嵌入式系统所有部件协调一直的工作。 为了实现：为了实现： 稳定可靠的时钟信号，频率稳定，幅值稳定稳定可靠的时钟信号，频率稳定，幅值稳定 不同的部件锁须时钟频率不同。不同的部件锁

53、须时钟频率不同。 利用频率合成技术根据一个稳定可靠的基准时钟产生多个利用频率合成技术根据一个稳定可靠的基准时钟产生多个不同的时钟信号。不同的时钟信号。 频率合成技术：对一个或多个原始频率进行频率的加、减、倍乘频率合成技术：对一个或多个原始频率进行频率的加、减、倍乘等运算，产生其它的频率。等运算，产生其它的频率。 稳定可靠的基准时钟：频率较低的晶体振荡器稳定可靠的基准时钟：频率较低的晶体振荡器 频率运算：混频、倍频、分频频率运算：混频、倍频、分频 稳定的输出：锁相环稳定的输出：锁相环 频率合成系统：直接频率合成，间接频率合成，数字直接频率合成系统：直接频率合成，间接频率合成，数字直接频率合成。频

54、率合成。762.嵌入式系统总线技术嵌入式系统总线技术 特性：机械特性、电气特性、功能特性及时间特性特性：机械特性、电气特性、功能特性及时间特性 指标：总线宽度、总线传输率、时钟同步指标：总线宽度、总线传输率、时钟同步/异步、负载能异步、负载能力、总线控制方式力、总线控制方式 分类：并行总线分类：并行总线 / 串行总线，内总线串行总线，内总线 / 外总线外总线 组成：数据总线、地址总线和控制总线组成：数据总线、地址总线和控制总线 组织方式：组织方式： 单总线：将所有模块都连接到单一总线上单总线：将所有模块都连接到单一总线上 多总线：系统中包含了多种不同类型的总线系统，为计算机系统多总线：系统中包

55、含了多种不同类型的总线系统，为计算机系统中不同分级上的器件和设备提供各种性能不同的通信通道。中不同分级上的器件和设备提供各种性能不同的通信通道。 常见总线常见总线 ISA/EISA/PCI总线总线 AMBA总线总线 Avalon总线总线 77PCI总线总线 并行内总线系统并行内总线系统 支持支持64位数据传送位数据传送 数据传输率最高可达数据传输率最高可达132MB/s PCI总线是外围设备与总线是外围设备与CPU之间的中间层，通过主存控制之间的中间层，通过主存控制器器/桥与系统总线相连桥与系统总线相连 PCI总线采用多层结构与外围设备相连接：总线采用多层结构与外围设备相连接：PCI总线上可总

56、线上可带高速外围设备，另外通过扩展总线桥与扩展总线连接，带高速外围设备，另外通过扩展总线桥与扩展总线连接，从而与从而与ISA、EISA等总线兼容等总线兼容 PCI的基本总线传送是突发传送，一个突发传送由一个地的基本总线传送是突发传送，一个突发传送由一个地址段和一个或多个数据段组成址段和一个或多个数据段组成 IRDY#和和TRDY#其中之一无效时，就插入等待周期，只其中之一无效时，就插入等待周期，只有二者同时有效才能进行读数据操作有二者同时有效才能进行读数据操作 PCI总线仲裁：采用集中控制的同步仲裁机制总线仲裁：采用集中控制的同步仲裁机制 78 特点特点 运行速度快运行速度快, 可扩展性好可扩

57、展性好 工作频率为工作频率为33 MHz, 支持支持66MHz 扩展扩展 总线宽度为总线宽度为32 位位, 可以扩展到可以扩展到64位位 可采用多条可采用多条PCI总线总线 每条总线上最大可以接每条总线上最大可以接4个个PCI设备设备 存取延迟很小存取延迟很小 线性突发传输线性突发传输 线性或顺序的寻址方式线性或顺序的寻址方式 由某一个地址起读写数据由某一个地址起读写数据 每次将地址自动加每次将地址自动加1 即插即用即插即用 采用总线主控和同步操作采用总线主控和同步操作 总线主控：让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线总线主控：让任何一个具有处理能力的外围设备暂时接管总线 同步操作：可保

58、证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者同步操作：可保证微处理器能够与这些总线主控同时操作，不必等待后者的完成。的完成。 兼容性好兼容性好, 稳定可靠稳定可靠 PCI规范与规范与CPU及时钟无关及时钟无关 PCI与与ISA、EISA以及以及MCA等总线完全兼容等总线完全兼容 规范标准严格规范标准严格 低成本低成本 系统功能高度集成系统功能高度集成 地址地址/数据线复用，引脚不到数据线复用，引脚不到5079AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）高级微控制器总线结构高级微控制器总线结构 典型的典型的SoC用片上总线，提供了一种特殊的

59、机制可讲用片上总线，提供了一种特殊的机制可讲RISC处理器和处理器和IP和集成在一起。它独立于处理器和制造工艺，和集成在一起。它独立于处理器和制造工艺，增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。增强了各种应用中的外设和系统宏单元的可重用性。 AMBA2.0版定义了三组总线：版定义了三组总线： AHB（Advanced HighPerformance Bus，高级高性能总线），高级高性能总线） ASB（Advanced System Bus，高级系统总线），高级系统总线） APB（Advanced Peripheral Bus，高级外设总线），高级外设总线）80 AHB 组成：主模块、从模块

60、和基础结构，组成：主模块、从模块和基础结构， 主模块发出信号，从模块负责响应。主模块发出信号，从模块负责响应。 基础结构：由仲裁器、主从模块多路选择器、从主模块多路选择基础结构：由仲裁器、主从模块多路选择器、从主模块多路选择器、译码器、名义从模块、名义主模块所组成器、译码器、名义从模块、名义主模块所组成 仲裁器：支持多个主模块仲裁器：支持多个主模块 译码器：地址译码选择有响应的从模块译码器：地址译码选择有响应的从模块 多路选择器：负责将总线上的信号在主从模块间传送多路选择器：负责将总线上的信号在主从模块间传送 工作过程工作过程 总线仲裁器根据优先权原则授予总线控制权总线仲裁器根据优先权原则授予总线控制