嵌入式计算系统课件：嵌入式处理器

1、嵌入式处理器2内容提纲1. 嵌入式系统的结构、特点、挑战2. 嵌入式处理器的重要概念3. 嵌入式处理器的特点4. 嵌入式处理器的分类5. 嵌入式处理器的发展趋势6. 嵌入式处理器的选型原则嵌入式计算系统的概念嵌入式计算系统，lecture1-13系统来源 应用系统主要技术 计算机技术系统构建理念 裁剪：有用的带上，无用的坚决去掉系统实现方法 不仅要实现功能，而且还要满足特定性能嵌入式系统的组成结构嵌入式计算系统，lecture2-14CPU存储器输入接口输出接口外设嵌入式计算机（微处理器、单片机）嵌入式系统的组成结构嵌入式计算系统，lecture2-15以嵌入式处理器为核心的硬件平台嵌入式操作

2、系统（驱动程序）应用软件嵌入式系统特点嵌入式系统特点： 软件硬件协同并行开发 多种多样的微处理器 实时操作系统的多样性 (RTOS) 与台式机相比，可利用系统资源不足 应用支持很少 要求特殊的开发工具 调试很困难 软件硬件的鲁棒性（健壮性，Robust）嵌入式系统要解决的主要问题 需要用什么样的系统结构来实现？ 如何满足时限要求，如何处理多项功能在时间上的协调一致关系？如何保证系统可靠地工作？如何满足系统接口要求，嵌入式应用直接和系统接口输入输出信息？如何降低系统的功耗？ 如何使系统可升级？ 嵌入式系统设计的挑战性问题 软硬件协同设计 功耗的优化设计嵌入式操作系统开发环境 成本和开发周期代码优

3、化 高效的输入和输出测试环境 9内容提纲1. 嵌入式系统的结构、特点、挑战2. 嵌入式处理器的重要概念3. 嵌入式处理器的分类4. 嵌入式处理器的发展趋势5. 嵌入式处理器的选型原则102. 重要概念冯.诺依曼结构 VS. 哈佛结构CISC VS. RISC4 bit VS. 8 bit VS. 16 bit VS. 32 bit冯诺依曼体系结构同一个存贮器存放数据与指令.因此程序指令和数据的宽度相同； 如：Intel 8086、ARM7、MIPS处理器、TI MSP430等冯诺依曼体系结构memoryCPUPCaddressdataADD r5,r1,r3一个存储器：存放数据与指令一条总线：

4、地址和数据宽度一样哈佛体系结构CPUPCdata memoryprogram memoryaddressdataaddressdata两个独立存储器程序指令存储器数据存储器两条总线：数据和地址宽度不一样冯诺依曼 vs. 哈佛Harvard：程序计数器只能指向程序存储器而不能指向数据存储器，很难使用自修改的代码.Harvard 允许同时进行两个存贮器（指令存贮器，数据存贮器）操作，为数字信号处理提供更高效率.多数DSPs 采用Harvard体系结构处理流数据:需要更宽的存贮器带宽;对于系统可处理的数据带宽具有更高的可预测.冯诺依曼 VS. 哈佛冯诺依曼：ARM7、MIPS处理器、TI MSP43

5、0等哈佛：ARM9/10/11, ARM Cotex系列, Atmel AVR，DSP 等。 RISC vs. CISCCISC VS. RISC 处理器指令分类 复杂指令集（CISC） 精简指令集（RISC） 复杂指令集特点（CISC） 简化编程 一条指令可以在处理器内部执行一系列操作 有效利用存储空间 复杂指令集优点 比硬件实现控制单元经济 程序编写易于实现 易于向下兼容 简化任务程序 简化编译器 复杂指令集缺点 不同指令需要不同的执行时间，有可能会降低 系统的整体性能 为保证指令向下兼容，指令集和芯片硬件复杂 部分指令利用率低 条件码作为指令的副产物，耗费时间 精简指令集特点（RISC）

6、 指令长度相同，取指可以一次操作完成 指令集简单 单周期指令，便于流水操作 大量使用寄存器 精简指令集优点 硬件更简单，从而可增加芯片的集成度 速度更快。在相同的半导体技术和时钟速率下，采 用简化指令集可使流水工作的、超标量体系结构设 计的RISC性能达到CISC的2-4倍。 指令周期更短 指令流水线（4级） 指令周期第1条指令1第2条指令第3条指令第4条指令取指译码取数执行取指译码取数执行取指译码取数执行取指译码取数执行23456721 采用多条流水线结构 超标量字长4位8位 : 8051, avr16位: MSP43032位: STM 3223内容提纲1. 嵌入式系统的结构、特点、挑战2.

7、 嵌入式处理器的重要概念3. 嵌入式处理器的特点4. 嵌入式处理器的分类5. 嵌入式处理器的发展趋势6. 嵌入式处理器的选型原则嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点嵌入式处理器的特点6 KB RAM*6 KB RAM*STM32F103 “增强型”系列Flash Size(bytes)128 K256 K512 K100 pins LQFP/BGASTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Rx20 KB RAMSTM32F103Cx20 KB RAM32 K64 KSTM32F103Rx64 KB RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB

8、RAMSTM32F103Vx20 KB RAMSTM32F103Vx64 KB RAM3xUSART3x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC64 pins LQFP48 pinsLQFP2xUSART2x16-bit timer1xSPI, 1xI2CUSB, CAN, PWM2xADC5xUSART5x16-bit timer2xSPI, 2XI2CUSB, CAN, PWM2xADC, 2xDAC, I2SEMI (144 pins only)STM32F103Rx64 KB RAM144 pins LQFP/BGASTM32F103Zx64

9、 KB RAMSTM32F103Zx64 KB RAMSTM32R103Zx64 KB RAMSTM32F103Cx10 KB RAMSTM32F103Rx10 KB RAM* 32kB devices exist w/o the CAN and USB, with 6kB of RAM0 KSamples April 07Production Oct 07Samples Dec 07Production Q2 08嵌入式处理器的特点29内容提纲1. 嵌入式系统的结构、特点、挑战2. 嵌入式处理器的重要概念3. 嵌入式处理器的特点4. 嵌入式处理器的分类5. 嵌入式处理器的发展趋势6. 嵌入式

10、处理器的选型原则嵌入式处理器的分类EMPUMPU-Based System32330_01PC/104单板机PC/104接口EMPUEMPU-PowerPCPower PCMCUMCU-Based System37330_018051单片机组成 8051单片机采用的是哈佛结构，程序空间和数据空间分别寻址 在单个芯片上实现了整套计算机小系统 8位处理器核心、中断控制器、RAM、ROM、定时器和UART（通用异步收发器） 8051单片机结构STM32F103 “增强型”系列2V-3.6V 供电电压5V I/Os 电压容限出色的时钟安全模式带有唤醒功能的低功耗模式内部RC嵌入的RESET-40/+8

11、5C（工业级）CORTEXM3 CPU72 MHz6kB-64kB SRAMARM Peripheral Bus(max 72MHz)2x 12-bit ADC16 channels / 1Msps1/2x I2C0/1x SPI1/2/4x USART/LINSmartcard / IrDaModem Control32/49/80* I/OsUp to 16 Ext. ITsFlash I/F32kB-512kBFlash MemoryTemp Sensor1x USB 2.0FS1x bxCAN 2.0B6x 16-bit PWM Synchronized AC Timer2x Watc

12、hdog(independent & window)2/3/5x 16-bit TimerExternal Memory Interface*JTAG/SW DebugXTAL oscillators32KHz + 416MHzPower SupplyReg 1.8VPOR/PDR/PVDDMA 3 to 11* ChannelsNested vect IT Ctrl2x SPI/I2S*2x DAC*1x SDIO*Image Sensor*1x USART/LINSmartcard/IrDaModem-Ctrl1x SPIBridgeBridge1x Systic TimerARM Lit

13、e Hi-Speed BusMatrix / Arbiter (max 72MHz)Int. RC oscillators32KHz + 8MHzPLLClock ControlRTC / AWUARM Peripheral Bus(max 36MHz)20B Backup RegsCortex-M3 处理器集成了内核和高级系统外设的分级处理器 Cortex-M3 内核哈佛体系结构拥有分支预测功能的三级流水线 Thumb-2 指令集和传统的 Thumb指令集带有 硬件除法和 单信号周期乘法的ALUCortex-M3 处理器Cortex-M3 内核可配置的中断控制器 总线矩阵先进的调试组件 可选

14、择的 MPU & ETMOpenWSNOpenmoteSTM32F103AT862F231CP2102POWER树莓派树莓派1树莓派1网卡BroadcomBCM2835（CPU，GPU，DSP和SDRAM，USB）USB WIFICPUARM1176JZF-S核心（ARM11系列）700MHzGPUBroadcom VideoCrore IV，OpenGL ES 2.0,1080p 30 h.264/MPEG-4 AVC高清解码器内存512MByteUSB 2.0接口 个数2（支持USB hub扩展）板载存储SD/MMC/SDIO卡插槽网络接口10/100以太网接口外设8xGPIO、UART、

15、I2C、带两个选择的SPI总线，+3.3V，+5V，ground（负极）额定功率700mA（3.5W）电源输入5V / 通过MicroUSB或GPIO头总体尺寸85.60 x 53.98 mm（3.370 x 2.125 in）操作系统Debian GNU/linux，Fedora，Arch Linux ARM，RISC OS, XBMC宠物喂食机DSP的一般概念数字信号处理（Digital Signal Processing）以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理数字信号处理器（Digital Signal Processor）DSP芯片是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法 DSP VS. MCU52DSPDigital Signal Processer兼有一般MCU控制功能和数字信号处理功能采用Harvard（哈佛）结构大多数DSP指令是RISC和CISC复合指令DSPDSP芯片的主要应用领域（1）信号处理（2）图像处理（3）仪器（4）声音/语言（5）控制（6）军事应用（7）电信（8）无线电信号处理数字滤波卷积相关希尔伯特变换FFT自适应滤波加窗波形产生图像处理三维旋转机器人视觉图像传输/压缩同态处理模式识别工作站动画/数字地图数