三、常见嵌入式处理器

1、常见嵌入式处理器关于嵌入式处理器嵌入式处理器有应用针对性全世界嵌入式处理器的种类已经超过1000种，流行的体系结构有30多个 几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器 嵌入式处理器中，单片机在使用量上最大，其中市场占有率又以8051兼容产品为最多生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品 8051单片机51单片机嵌入式系统实例小区智能化中的宽带家庭智能终端1号房终端2号房终端n号房终端物业管理办公室（管理软件）小区以太网 家庭安防 远程抄表 消息发布 网络接入 电器控制宽带家庭智能终端功能三表抄收家庭安防网络服务电器控制至小区局域网卧室电脑卧室电脑客厅电脑终端外观终端电路板接

2、口控制板接口板网络控制板系统结构单片机RAM无线接收模块I/O接口控制器电源I/O接口板网络接口 传感器/控制接口10Mbps网络控制器单片机100Mbps 5端口网络交换机单色液晶显示器240 x128接口控制板单片机RAMI/O接口控制器无线接收液晶显示板接口I/O板接口电源网络接口板RAM10Mbps网络控制器5端口10/100M网络交换机S-EEPROM单片机接口板I/O接口RJ-45网络接口多媒体家庭智能终端媒体处理器 SDRAM FLASH 彩色液晶显示板 以太网控制器 内置网络交换机 RJ-45 RJ-45 RJ-45 RJ-45 电视机 键盘 传感器接口 抄表接口 电器接口 接

3、口控制器 家庭安防 远程抄表 消息发布 网络接入 电器控制 VOD 可视对讲 小区监视 电子邮件 背景音乐 8051单片机发展从1980年开始，Intel公司陆续推出了MCS-51单片机系列，8051是其中的第一个型号Intel除了自己生产多种型号的MCS-51单片机外，还将该处理器内核技术授权给其他公司，如Philips、Siemens、AMD、OKI等 这些公司以8051内核为基础，不断改进、完善推出了各式各样指令兼容产品，这些产品统一称为8051单片机 8051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

4、控制器、RAM、ROM、定时器和UART（通用异步收发器） 8051单片机结构8051单片机封装图8051单片机主要特征 集成128B的片内RAM和4KB的片内ROM四个8 位并行IO 接口P0P3，提供共计32个双向且可独立寻址的I/O线 支持片外存储器扩展，能够寻址64KB外部程序存储器和64KB外部数据存储器 两个定时器计数器 8051单片机主要特征（续）五个中断源的中断控制系统 一个全双工UART的串行通信接口 集成片内振荡器和时钟产生电路，为单片机提供最大12MHz的工作时钟 支持4us执行周期的乘法指令和除法指令 MCS-51指令系统 8051和MCS-51系列中的其它型号一样使用

5、MCS-51指令集MCS-51指令系统包括111条指令，其中单字节指令49条、双字节指令45条、三字节指令17条 按功能分为4大类：数据传送类（30）、逻辑操作类（35）、算术操作类（24） 、控制转移类（22） MCS-51数据传送类指令（30）8051单片机中存放操作数的空间有片内存储器和片外存储器，片内存储器又包括工作寄存器、堆栈等数据存储器和累加器等特殊功能寄存器 数据传送指令把立即数或这些空间中的数据传到另一个空间 数据传送指令也可以分为数据传送和数据交换两类 通用传送类（19）、累加器传送类（10）、目标地址传送类（1）MCS-51算术运算类指令（24）这类指令包括加、减、乘、除四

6、种指令 加法运算类（14）、减法运算类（8）、乘除运算类（2）MCS-51逻辑操作类指令（35）逻辑操作指令包括单操作数指令（13）和双操作数指令两类（22）单操作数指令中的操作数是累加器或任何可直接寻址位，包括清零、置位、求反、移位、半字节交换等双操作数指令包含逻辑与、逻辑或、逻辑异或指令三种 MCS-51控制转移类指令（22）无条件调用返回转移指令（7）条件转移指令外（13）1条中断返回指令（1）1条空操作指令 （1）8051单片机时序MCS-51有固定的机器周期一个机器周期有6个状态，分别表示为S1-S6一个状态包含两个节拍，那么一个机器周期就有12个节拍，我们可以记着S1P1、S1P2

7、、 S6P1、S6P2。一个节拍为一个时钟周期一个机器周期共包含12个时钟周期(振荡脉冲)使用6MHz的时钟频率，一个机器周期是2us；使用12MHz的时钟频率，一个机器周期就1us 8051单片机指令执行时间单字节指令单机器周期单字节指令双机器周期双字节指令单机器周期双字节指令双机器周期三字节指令双机器周期单字节指令四机器周期(如乘除法指令) 8051单片机时序8051单片机存储器结构课外阅读李群芳、张士军、黄建编著，单片微型计算机与接口技术（第三版），电子工业出版社，2008 （图书馆网页超星数字图书馆）W78E58 Datasheet，Winbond Electronics Corp.A

8、RM处理器ARM应用实例 FIC8120 SOC结构什么是ARMARM，常有两方面的含义，一方面指是ARM公司，另一方面指基于ARM IP（Intellectual Property，知识产权）核的嵌入式微处理器 ARM技术的发展1990 年11 月ARM成立于英国，是Apple、Acorn和VLSI Technology合资企业 1991 年，ARM 推出首个嵌入式RISC 核心ARM6系列处理器，VLSI 率先获得授权，一年后夏普和GEC Plessey 也成为授权用户，1993 年德州仪器和Cirrus Logic 亦签署了授权协议，从此ARM 的知识产权产品和授权用户都急剧扩大 ARM

9、是一家微处理器技术知识产权供应商，它即不生产芯片也不销售芯片，只设计RISC微处理器，这些微处理器的知识产权就是公司的产品 ARM知识产权授权用户众多，全球20家最大的半导体厂家中有19家是ARM的用户，全世界有70多家公司生产ARM处理器产品 ARM应用基于ARM技术的微处理器占据32位RISC芯片75%的市场份额 ARM应用包括：汽车电子、消费电子、多媒体产品、工业控制、网络设备、信息安全、无线通信等 ARM体系结构 ARM体系结构有6个版本，从版本1到版本6，指令集功能越来越丰富 除了ARM基本指令集外，ARM定义了几套扩展指令ARM指令系统版本1 只支持26位地址空间，没有在商业产品中

10、使用，包括以下指令：处理乘法指令外的基本数据处理指令处理字节、字和多字的读取和写入指令包括子程序调用指令在内的跳转指令供操作系统使用的软件中断指令ARM指令系统版本2 该版本也只支持26位地址空间，现在已经不再使用。与版本1相比，版本2增加了下列指令：乘法指令和乘加法指令。支持协处理器的指令。对于快速中断模式，提供额外的两个备份寄存器。SWP指令和SWPB指令 ARM指令系统版本3 该版本与以前的版本发生较大变化，改进如下：地址空间扩展到32位，除了版本3G（版本3的一个变种）外的其他版本向前兼容，支持26位地址空间。当前程序状态信息从原来的R15寄存器移到一个名为CPSR（当前程序状态寄存器

11、）的新寄存器中。增加SPSR（备份的程序状态寄存器），用于在程序被异常中断时，保存被中断程序的状态。增加了两种处理器模式，使操作系统代码可以方便地使用数据访问中止异常、指令预取中止异常和未定义指令异常。增加了指令MRS和指令MSR，用于访问CPSR寄存器和SPSR寄存器。修改了原来从异常中返回的指令。ARM指令系统版本4 该版本明确定义了哪些指令会引起未定义指令异常，另外不再要求与以前的26位地址空间兼容。与版本3相比，版本4增加了以下指令：半字的读取与写入指令读取带符号的字节和半字数据的指令增加了T变种，可以使处理器状态切换到Thumb状态，在该状态下指令集是16位的Thumb指令集增加了处

12、理器的特权模式ARM指令系统版本5 与版本4比，版本5增加或修改了以下指令：提高了T变种中ARM/Thumb混合使用的效率对于T变种的指令和非T变种的指令使用相同的代码的生成技术增加了前导零计数指令，可以使整数除法和中断优先级排队操作更为有效增加了软件断点指令为协处理器器设计提供了更多的可选择的指令更加严格地定义了乘法指令对条件标志位的影响 ARM指令系统版本6版本6的主要特点是增加了SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据）指令。SIMD指令可以使音频/视频处理性能提高4倍。ARM指令系统版本6首先在2002年发布的ARM11处理器中使用ARM

13、扩展指令集 (变种)Thumb指令集（T变种） 长乘法指令（M变种）增强型DSP指令（E变种）Java加速器Jazelle（J变种）ARM多媒体功能扩展（SIMD变种）Thumb指令集（T变种） Thumb是将ARM指令集的一个子集重新编码而形成的一个指令集 ARM指令长度为32位，而Thumb指令长度为16位 使用Thumb指令集可以得到更高的代码密度(同样长代码容纳更多指令)，有利于控制产品成本 因为Thumb是精简版本，因此完成同样的功能需要更多的指令，在对任务执行速度要求苛刻的场合使用ARM指令集更合适 目前Thumb有两个版本，版本1适用ARM指令系统版本4，而版本2适用ARM指令系

14、统版本5 长乘法指令（M变种）M变种增加了两条用于长乘法操作的ARM指令 一条用于实现32位整数乘以32位整数，生成64位整数的长乘法操作 另一条指令用于实现32位整数乘以32位整数，然后再加上32位整数，生成64位整数的长乘加操作。 增强型DSP指令（E变种） E变种包含一些附加指令，这些指令用于增强处理器对一些典型DSP算法的处理性能，包括：几条新的实现16位数据乘法和乘加操作的指令。实现饱和的带符号数的加减操作的指令。进行双字数据操作的指令。cache预取指令PLD。 Java加速器Jazelle（J变种）Jazelle技术使得在单个处理器上可以同时运行JAVA应用程序、操作系统和其他应

15、用程序 与Java虚拟机相比，Jazelle使Java代码运行速度提高了8倍，而功耗降低80% ARM多媒体功能扩展（SIMD变种） SIMD（单指令多数据）扩展使ARM处理器的音/视频处理性能提高4倍，同时保持系统的低功耗 可以同时进行两个16位操作数或者4个8位操作数的运算。提供小数算术运算。用户可定义饱和运算的模式。两套16位操作数的乘加/乘减运算。32位乘以32位的小数MAC。同时8位/16位选择操作。ARM/Thumb体系结构版本的类型 名称ARM版本T变种版本M变种E变种J变种SIMD变种ARMv33无否否否否ARMv3M3无是否否否ARMv4xM4无否否否否ARMv44无是否否否

16、ARMv4TxM4版本1否否否否ARMv4T4版本1是否否否ARMv5xM5无否否否否ARMv55无是否否否ARMv5TxM5版本2否否否否ARMv5T5版本2是否否否ARMv5TexP5版本2是部分指令否否ARMv5TE5版本2是是否否ARMv5TEJ5版本2是是是否ARMv66版本2是是是是 ARM处理器核的类型ARM7ARM9ARM9EARM10ESecurCoreARM11XScale和StrongARM ARM7特点 ARM7采用ARMV4T体系，时钟速度为66MHz，每条指令平均执行1.9个时钟周期 ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、

17、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核 主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用 ARM7的性能特征ARM7性能特征Cache大小(指令/数据）紧耦合存储器(TCM）存储管理器AHB总线接口ThumbDSPJazelleARM7TDMI无无无有有无无ARM7TDMI-S无无无有有无无ARM7EJ-S无无无有有有有ARM720T8k无MMU有有无无ARM9特点ARM9采用ARMV4T体系，五级流水处理、分离的Cache。时钟速度为120MHz-200MHz

18、，每条指令平均执行1.5个时钟周期 ARM9性能特征Cache大小(指令/数据）紧耦合存储器(TCM）存储管理器AHB总线接口ThumbDSPJazelleARM920T16K/16K无MMU有有无无ARM922T8K/8K无MMU有有无无ARM940T4K/4K无MMU有有无无ARM9实例S3C24101.8V核心电压，3.3V I/O电压支持SDRAM控制器支持LCD控制器3个串口I2C接口I2S语音接口SD卡接口2个USB HOST/1个USB Device（Ver 1.1）片上时钟控制器最高工作频率203MHzARM9E特点ARM9E系列微处理器采用ARMv5T体系结构是综合功能处理器

19、，使用单一的处理器内核提供了微控制器、DSP、Java应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂程度ARM9E系列微处理器提供了增强的DSP处理能力，很适合于那些需要同时使用DSP和微控制器的应用场合 ARM9E性能特征ARM9E性能特征Cache大小(指令/数据）紧耦合储器(TCM）存储管理器AHB总线接口ThumbDSPJazelleARM926EJ-S4-128K/4-128K有MMU双AHB有有有ARM946EJ-S4-1MB/4-1MB有MMUAHB有有无ARM966EJ-S无有无AHB有有无Intel的ARM处理器性能特征基于ARM的Intel处理器Cache大小(指令

20、/数据）紧耦合储器(TCM）存储管理器AHB总线接口ThumbDSPJazelleAtrongARM16K/8K无MMUN/A无无无XScale32K/32K无MMUN/A有有无AMBA总线系统在基于IP复用的SoC设计中，片上总线设计是最关键问题ARM公司推出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)片上总线受到了广大IP开发商和SoC系统集成者的青睐，已成为一种流行的工业标准片上结构AMBA总线三个版本：AMBA 1.0、AMBA 2.0和AMBA 3.0AMBA 2.0AMBA 2.0规范包括四个部分：AHB（Advanced Hig

21、h performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）、APB（Advanced Peripheral Bus）和Test Methodology AHB：作为SoC片上总线，用于高性能模块(如CPU、DMA和DSP等)之间的连接ASB：是第一代AMBA系统总线，同AHB相比，它数据宽度要小一些 APB用于低带宽的周边外设之间的连接，例如UART、I2C、RTC等典型AMBA SOC系统结构AHB总线特点单个时钟边沿操作非三态的实现方式支持突发传输支持分段传输支持多个主控制器可配置32位128位总线宽度支持字节、半字节和字的传输AHB总线组成AHB总线由mast

22、er、slave、infrastructure三部分组成Master是总线传输操作的发起和管理者Slave是总线传输操作的回应者Infrastructure由总线仲裁器、主到从复用器、从到主复用器、地址译码器、dummy slave和dummy master组成AHB总线信号时钟仲裁信号地址控制信号写数据信号读数据信号应答信号三态驱动的总线AHB的主从复用器AHB的从主复用器AHB地址译码AHB总线信号列表AHB总线互连原理APB总线APB主要用于低带宽的周边外设之间的连接在APB里面唯一的主模块就是APB 桥，因此不需要总线仲裁两个时钟周期传输无需等待周期和回应信号控制逻辑简单APB总线信号

23、列表APB总线写周期AMBA应用实例S3C2410 AMBA应用实例 S3C44B0X课外阅读杜春雷编著，ARM体系结构与编程，清华大学出版社，2003年2月第1版AMBA SpecificationS. ARM Limited，1999 UT-S3C2416开发板简介.pdfS3C6410_Technical_Brief.pdfGeode处理器嵌入式x86微处理器个人计算机（PC）几乎都是x86兼容处理器，包括Intel的8086P4，AMD的系列处理器x86技术成熟，软件支持丰富，也被广泛应用在嵌入式技术领域，并有多种x86指令兼容的嵌入式处理器，如Intel的80186、386EX、低功

24、耗Celeron；AMD的SC400、SC520、GEODE系列等这些处理器可以支持DOS、Windows桌面操作系统，也可以支持多种嵌入式操作系统嵌入式 x86处理器应用实例 基于GX2的无线投影机网关应用无线投影机网关投影机便携机1便携机2便携机n802.11g无线网络VGA连接无线投影机网关电路板实物调试中的无线投影机网关无线投影机网关PCB设计（TOP Layer）无线投影机网关PCB设计（Bottom Layer）Geode处理器Geode是AMD的一个X86兼容嵌入式处理器系列，有多个型号的产品，如GX1、GX2、SC2200、NX1500等重点介绍GX2，包括400MHz的GX5

25、33、 366MHz的GX500、 333MHz的GX466GEODE GX2处理器1.5V核心电压，低功耗，不需要散热风扇32位x86处理器，支持MMX和3Dnow！扩展指令，支持高性能多媒体和二维、三维图形图像处理16KB指令Cache和16KB数据Cache集成图形控制器，支持TFT和CRT两种显示接口支持PCI 2.2总线规范，支持各种PCI设备外集成64位DDR SDRAM存储控制器可编程的时钟发生器，可通过软件设置倍频数调整核心时钟频率和图形加速器工作频率。GX2内部结构CS5535CS5535是Geode GX处理器的配套芯片GX处理器中集成了CPU内核及北桥CS5535则集成了

26、PC机主板中的南桥及超级I/O的功能 CS5535原理基于GX处理器的嵌入式系统结构 DSP实例：TMS320DM642 DSPTi DSP系列TMS320C2000系列DSP针对控制领域做了优化配置，集成了众多的外部控制接口，适合逆变器、马达、机器人、数控机床、电力等应用领域 TMS320C5000系列DSP提供性能、外围控制接口、小型封装和电源效率的优化组合，适合便携式上网、语音处理及对功耗有严格要求的应用 TMS320C6000系列DSP具有高性能，最高主频超过1GHz，包含定点C62x和C64x以及浮点C67x，适合宽带网络数据处理、数字图像处理、数字视频编码、雷达信号处理等应用 DS

27、P应用实例 基于图像分析的伪钞鉴别仪在点钞机中加装CIS”CONTACT IMAGE SENSOR，接触式图像传感器 ”，实现图像采集高速DSP，实现纸币数字图像的实时处理，根据纸币的防伪设计，实现真伪鉴别自动识别纸币的冠字号可在点钞机中另外加装CMOS摄像头、实现变色油墨的识别速度：900张/分钟传统点钞机原理关键技术高速条件下清晰图像的获取图像分析算法高速DSP电路设计及算法优化CIS原理CMOSSensorCIS图像采集卡CIS应用人民币及防伪设计红外光下的人民币图像假币？真币？紫外光下的人民币软件流程图像采集类型判别、年份/面额防伪点识别光照类型是否假币人民币方向硬件电路设计TMS320DM6437DDR-IICPLDA/DSRAM电源JTAG系统调试环境开发机目标机点钞机TMS320DM642 DSPDM642是高性能定点