硬件基础第二次课课件

1、2C H A P T E R嵌入式硬件基础2C H A P T E R嵌入式硬件基础本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线、通信接口和输入/输出设备组成。嵌入式处理器存储器总线 通信接口输入输出设备 电源及辅助设备嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系

2、按指令集分：CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)EPIC：并行指令集VLIW：超长指令集按体系结构分：冯诺依曼体系结构哈佛体系结构嵌入式处理器分类按指令集分：嵌入式处理器分类CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，指令种类多，指令长度可变RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通

3、道快速执行每一条指令使CPU硬件结构设计变得更为简单CISC和RISCCISC：复杂指令集（Complex InCISC的背景和特点 背景: 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现存储资源紧缺, 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少,寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器CISC的背景和特点 背景: CISC的主要缺点指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺VLSI的出现，使单芯片处

4、理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。软硬功能分配复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长。不利于先进指令级并行技术的采用流水线技术CISC的主要缺点指令使用频度不均衡。RISC基本设计思想减小指令执行周期减少指令种类采用硬接线控制代替微程序控制针对流水线化的处理器优化RISC基本设计思想减小指令执行周期RISC的提出与发展RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并

5、研制了RISC-,实验样机。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC: MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)RISC的提出与发展RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫CISC与RISC的对比(1)（1）指令系统：RISC 设计者把主要精力放在常用指令上，使它们有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率较低。而CISC 指令系统比较丰富，有专用指来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2）存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器

6、操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。CISC与RISC的对比(1)（1）指令系统：RISC 设计CISC与RISC的对比(2)（4）中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。（5）CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。（6）设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，

7、设计周期短；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。（7）用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。（8）应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC更适合于专用机；而CISC则更适合于通用机。CISC与RISC的对比(2)（4）中断：RISC 机器在一冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处理器哈佛体系结构指令寄存器控制

8、器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据哈佛结构是不同于冯。诺依曼结构的一种并行体系结构，特点是程序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址、独立访问。与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据吞吐量大大提高。哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器嵌入式处理器有许多不同的体系，在同一体系中又可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。据不完全统计，目前嵌入式处理器的品种总量已超过千种，流行体系结构有30多个系列、主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86、SH等

9、。嵌入式处理器有许多不同的体系，在同一体系中又可能具有不同的时硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件调查市场上已有的CPU 供应商；处理器的处理速度； 技术指标； 处理器的低功耗； 处理器的软件支持工具； 处理器是否内置调试工具； 处理器供应商是否提供评估板； 嵌入式处理器的选择调查市场上已有的CPU 供应商；嵌入式处理器的选择本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系统实例本节提要1324PC机的硬件基础嵌入式处理器外围电路嵌入式系嵌入式系统外围电路 存储器 总线 通信接口 输入/输出设备 电源及辅助设备嵌入式系统外围电路存储器存储器 按存储介质分半导体存储器、磁存储器、

10、光存储器； 按存取方式分 随机存储器（RAM）：静态存储器（SRAM）、 动态存储器（DRAM）。只读存储器（ROM）： ROM、PROM、EPROM和EEPROM串行访问存储器（SAM）：磁带、光盘 按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器、永久记忆性存储器； 按在计算机系统中的作用分 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、闪烁存储器等。存储器分类 按存储介质分存储器分类硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM

11、高得多 4）DRAM需要周期性刷新RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRA闪速存储器(FLASH) 相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM 它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速 闪速存储器(FLASH) 相对传统的EPROM芯片，这种芯片RAMRAM硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件

12、基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件硬件基础第二次课课件总线总线总线总线是把处理器与存储器、I/O设备相连接的信息通道；总线是数据、地址和控制信息的公共通路；总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。总线总线是把处理器与存储器、I/O设备相连接的信息通道；总线总线总线总线总线总线总线典型PC总线总线典型PC总线总线PC总线分类(1)片内总线局部总线内部总线系统总线外部总线现场总线PC总线分类总线PC总线分类(1)PC总线分类

13、总线系统总线(1)PC总线ISA总线、EISA总线PCI总线PCIExpress(PCI-E)、HyperTransport工业：STD总线、 VME总线、PC/104总线、Compact PCI（CPCI）总线。总线系统总线(1)总线系统总线(2) ISA总线IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。为了能够合理地开发外插接口卡，由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-

14、Industry Standard Architecture)总线。总线系统总线(2) I总线系统总线(2) ISA 总线的主要性能指标如下：（1） I/O 地址空间0100H-03FFH（2） 24 位地址线可直接寻址的内存容量为16MB（3） 8/16 位数据线（4） 62+36 引脚（5） 最大位宽16 位(bit)（6） 最高时钟频率8MHz（7） 最大稳态传输率16MB/s（8） 中断功能（9） DMA 通道功能（10） 开放式总线结构，允许多个CPU 共享系统资源总线系统总线(2) 总线系统总线(3) PCI总线1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。Inte

15、l联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。PCI 有32 位和64 位两种，32位PCI 有124 引脚，64 位有188 引脚，目前常用的是32 位PCI。32 位PCI 的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。总线系统总线(3) 总线系统总线(3) PCI 总线的主要性能指标如下：（1) 支持10 台外设（2） 总线时钟频率33.3MHz/66MHz（3） 最大数据传输速率1

16、33MB/s（4） 时钟同步方式（5） 与CPU 及时钟频率无关（6） 总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V）（7） 能自动识别外设总线系统总线(3) 总线系统总线(3) PC104总线PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996。PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应。8 位PC104 共有64 个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64 针，P2：40 针，合计104 个总线信号，PC104 因此得名。当8 位模块和16 位模块连接时，16 位模块必须在

17、8 位模块得下面。P2 总线连结在8-位元模块中是可选的。PC104PLUS 与PC104 相比有以下3 个特点：（1） 相对PC/104 连接，增加了第三个连结接口支持PCI 总线（2） 改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性（3） 加入了控制逻辑单元，以满足高速总线的需求总线系统总线(3) PC104总线 I2C总线PHILIPS公司开发，一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线，负责IC相互之间以及与外界的通信。早期模式100Kbits/s，7位寻址快速模式400Kbits/s，10位寻址高速模式3.4Mbits/s，10位寻址总线 I2C总线总线外部总线(1) I2S总线PHILI

18、PS公司开发，一种为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。总线外部总线(1) I2S总线 SPI总线串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola 公司推出的一种同步串行接口。SPI 总线是一种三线(时钟、数据输出、数据输入）同步总线，硬件功能很强，软件简单；SPI 是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主机编程决定；系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：（1） 一台主机MCU 和若干台从机MCU。（2） 多台MCU 互相连接成一个多主机系统。（3） 一台主机MCU 和若干台从机外围设备。总线外

19、部总线(2) SPI总线总线外部总总线现场总线 CAN总线全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线40米以内，1Mbps；10Km，50Kbps；理论上可以支持无限多个设备可靠性高，误码率为10-11抗电磁干扰性强总线现场总线 总线嵌入式系统总线(1)总线嵌入式系统总线(1)总线嵌入式系统总线(2)总线嵌入式系统总线(2)总线嵌入式系统总线(3)总线嵌入式系统总线(3)通信接口通信接口 并行口（Parallel Port) RS-232/RS485接口（串口UA

20、RT） USB接口（通用串行总线接口） IrDA（Infra Red Data Association）红外线接口） Bluetooth（蓝牙接口） Ethernet（以太网接口） IEEE1394接口 I2S (音频数据传输总线) SPI(串行外围设备接口)、GPIO(通用可编程接口)、 CAN总线接口等硬件基础第二次课课件并口（parallel port） “并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。常见用途，打印机接口并口三种工作模式：SPP、EPP、ECP并口（parallel port）

21、“并行”，是指8 位数据并口（parallel port）并口（parallel port）串口嵌入式系统使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制，常常采用串口。RS232C 及其兼容插口 传输速率低、传输距离近、抗共模干扰能力差 RC232C 的最高传输速率为20 kb/s, 最大传输线长为30 米RS485 高抗共模干扰驱动能力，并且提供多点应用，同一线上最多可接32 个驱动器和接收器 最大传输速率10Mb/s (12m)，最大传输距离为1200m（10kb/s）串口嵌入式系统使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制USB（Universal Serial Bus ）USB1.

22、1 12 Mb/s（1.5MB/s）串行总线 即插即用 最多可支持127个外部设备 主机供电小功率设备主机可以直接供电大功率设备仍然需要外部供电USB 2.0 480 Mb/s串行总线VddGndD+ D-USB（Universal Serial Bus ）USB1红外芯片接口 红外芯片接口 IrDA/FastIrDA（Infrared Data Association ）红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux （勒克斯）IrDA/FastIrDA（Infrared Data As

23、红外传输特点距离小于一米低速9.6115K bps高速14M bps工业高速16M bps红外传输特点距离Bluetooth 接口功耗低100M，100mW10M，2.5mW1M，1mW2.4-2.4835 GHz (使用ISM频段)优势: 世界范围内可用劣势: 与IEEE 802.11b产品相互干扰声音和数据传输，总带宽为1Mbps成本低低于US$5/蓝牙芯片Bluetooth 接口功耗低蓝牙和红外线的比较：篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输

24、传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元蓝牙和红外线的比较：篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特IEEE1394起源于APPLE公司1986年提出的FireWireMPU与多媒体设备连接接口20400M bps，高速串行总线P1394b 1.6Gbps, 100米支持63个器件，长度4.5米热插拔，即插即用Sony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWireIEEE1394起源于APPLE公司1986年提出的Fire输入输出设备输入输出设备 显示屏 触摸屏 语言输入输出设备 键盘硬件基础第二次课课件LCD显示器LCD显示器触摸屏触摸屏硬件基础第二次课课件电源电源电源分类（1） 线性稳压电源 低压差（LDO）线性稳压器 （噪声小，静态电流小）（2）开关稳压电源 升压式 （效率高，功耗低） 降压式（常用于工作电流大于1A的场合） 反相式 （用的较少）（3）电荷泵电源（常用于需要负电源的场合）电源分类（1） 线性稳压电源电源IC特点（1）工作电压低：一般为3.03.6V，少数5V、12V、28V；（2）工作电流不大：303