单片机与嵌入式系统：第二章 嵌入式处理器（二）（2课时）

第二章嵌入式处理器（二）单片机与嵌入式系统本节内容嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器封装形式嵌入式系统的组成和架构嵌入式系统的存储器系统嵌入式处理器体系结构按体系结构的不同可分为六大类ARMARM公司MIPSMIPS公司POWERPCIBM公司X86Intel公司SHHitachi公司DSPTI公司1.ARM体系结构ARM-AdvancedRISCMachines提出这个体系结构的ARM公司1991年在英国剑桥成立32位RISC微处理器75％以上的市场份额1.1ARM简介将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...1.1ARM1.1ARM1、精简指令集计算机2、体系结构最初都是冯诺依曼体系，ARM9开始使用哈佛体系3、体积小、低功耗、低成本、高性能4、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集5、大量使用寄存器、大多数数据操作都在寄存器中完成6、寻址方式灵活简单，执行效率高特点低预算市场设计首选1.1ARM1、工业控制领域2、成像和安全产品3、网络应用：采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势4、消费类电子产品：数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机5、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术（拯救ARM的产业）全球80%的GSM/3G手机、99%的CDMA手机以及绝大多数手持式嵌入式产品均采用ARM体系的嵌入式处理器适用范围ARM7系列ARM9系列ARM9E系列ARM10E系列SecurCore系列Intel的XscaleIntel的StrongARM1.1ARM产品系列通用处理器系列高安全性系列INTEL的Xscale架构处理器基于ARMV5TE体系结构兼容ARMV5TEISA指令集（不支持浮点指令集）在处理器内核周围提供了指令和数据存储器管理单元指令、数据和微小数据缓存写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器电源管理性能监控调试JTAG单元以及协处理器接口MAC协处理器内核存储总线ARMv5TE手机ARM7机顶盒，智能手机ARM9E高端应用ARM11SOC2.MIPS体系结构MIPS——“无内部互锁流水级的微处理器”Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关MIPS——MillionInstructionsPerSecond份额仅次于ARM位居全球第二，历史早。1.2MIPS简介1.2MIPS特点1、精简指令集计算机2、体系结构：哈佛体系3、设计优雅4、最简单的体系结构之一5、高性能、高档次5、嵌入式32位和64位1.2MIPSMIPSK系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一（99年前最多），其应用领域覆盖游戏机、路由器、掌上电脑等各个方面索尼PS2游戏机Cisco的路由器SGI超级计算机适用范围1.2MIPSMIPS的授权费用比较低唯一的一个在20世纪盈利的未把握住移动通信，进入21世纪，开始走下坡路，目前又在迎头赶上

1.2MIPS最大的笑柄；最大的骗局；最终明智的选择。自主知识产权专项使用MIPS的授权内核关于龙芯3.PowerPC体系结构PowerPC体系结构Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑IBMPowerPC750PowerPCG3MotorolaMPCMC1.3PowerPC特点1、精简指令集微处理器（RISC）2、冯诺依曼体系结构3、计算模型不直接操作内存4、伸缩性好、方便灵活5、嵌入式32位和64位处理器6、都使用定长的32位指令4.X86体系结构X86体系结构IntelX86体系结构AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode系列处理器CISC指令集1.4X86特点1、复杂指令集微处理器（CISC）2、冯诺依曼体系结构3、不适合在嵌入式领域应用，嵌入式应用停留在工控机主板5.SH体系结构SH体系结构SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。SH系列投入市场后，用量最多的是工业，占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。在美国，SH系列占有较大的市场份额型号SH1-4（32位）SH5(64位)1.5SH特点1、精简指令集微处理器（RISC）2、冯诺依曼体系结构3、指令的流水线执行4、基于16位固定长度的指令集5、延迟分支指令6、通用寄存器配置6.DSP体系结构1.6TIDSP

特点1、CISC计算机2、哈佛结构。3、专用硬件乘法器。4、广泛采用流水线操作。5、提供特殊的DSP指令（例如：倒序）典型特征：每个周期能够处理多条乘加操作。5.5TIDSP3C（Communication、COMPUTER、Consumer-通信、计算机、消费类）领域，合占整个市场需求的90%。数字移动电话

ModemPC机消费类电子产品适用范围本节内容嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器封装形式嵌入式系统的组成和架构嵌入式系统的存储器系统芯片封装知识简介芯片封装安装半导体集成电路芯片用的外壳安放、固定、密封、保持芯片和增强电热性能内部芯片与外部电路的连接封装考虑的主要因素芯片面积与封装面积之比尽量接近1:1基于散热的要求，封装越薄越好引脚尽量短，引脚间距尽量大要便于安装芯片封装知识简介发展历史结构方面：TO－>DIP－>LCC－>QFP－>BGA－>CSP；材料方面：金属、陶瓷－>陶瓷、塑料－>塑料；引脚形状：长引线直插－>短引线或无引线贴装－>球状凸点；装配方式：通孔插装－>表面组装－>直接安装。芯片封装知识简介双列直插式(DualInlinePackage,DIP

)8088CPU绝大多数中小规模IC均采用这种封装形式，引脚<100芯片面积和封装面积之比大芯片封装知识简介塑料方型扁平式(PlasticQuadFlatPackage,PQFP

)塑料扁平式（PlasticFlatPackage，PFP）间距小，管脚细，管脚数>100专用工具（表面安装设备SMD）装卸高频使用、可靠性高，封装面积小芯片封装知识简介引脚网格阵列（PinGridArray，PGA）专用PGA插槽操作方便，可靠性高，但电耗大IntelCPU中80286、80386和某些486ZIF（ZeroInsertionForce）插座，486以后芯片封装知识简介球状网格阵列（BallGridArray，BGA）>100MHz,Crosstalk,>208PinBGA封装引脚数虽然增多，但引脚间距大于QFP传输延迟小，散热性能好(可控塌陷封装法)共面焊接，可靠性提高芯片封装知识简介芯片级封装（ChipScalePackage，CSP）体积小，重量轻引脚多电、热、气密性能好本节内容嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器封装形式嵌入式系统的组成和架构嵌入式系统的存储器系统嵌入式系统的组成嵌入式系统的架构硬件层硬件层是由嵌入式微处理器、通用设备和I/O接口以及存储器系统组成。嵌入式微处理器是整个系统的心脏输入输出接口部分是人机交互的通道存储器系统程序和数据的存放地点

最常用的是Flash（闪存）功能层软件层中间层硬件层硬件层*

MP3随声听的硬件组成中间层Bootloader——内核启动前的最原始的初始化本质：一段程序Bootloader的工作：初始化，带给系统一个干净的环境，将接力棒交给软件层的操作系统。Bootloader的安装媒介：嵌入式的存储器Bootloader特点：硬件相关性（处理器）功能层软件层中间层硬件层中间层Bootloader——内核启动前的最原始的初始化本质：一段程序Bootloader的工作：初始化，带给系统一个干净的环境，将接力棒交给软件层的操作系统。Bootloader的安装媒介：嵌入式的存储器Bootloader特点：硬件相关性（处理器）功能层软件层中间层硬件层中间层学名：硬件抽象层HAL（HardwareAbstractLayer）工程：板极支持包BSP（BoardSupportingPakeage）作用：它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。优点：移植开发BSP具有以下两个特点：操作系统相关性硬件相关性功能层软件层中间层硬件层中间层学名：硬件抽象层HAL（HardwareAbstractLayer）工程：板极支持包BSP（BoardSupportingPakeage）作用：它把系统软件与底层硬件部分隔离，使得系统的底层设备驱动程序与硬件无关。优点：移植开发BSP具有以下两个特点：操作系统相关性硬件相关性功能层软件层中间层硬件层软件层软件层由实时多任务操作系统（RTOS）、图形用户接口（GUI，可选）、文件系统等部分组成。功能层软件层中间层硬件层软件层操作系统是嵌入式应用软件的基础和开发平台。本质：也是一段程序，系统启动（Bootloader）后首先执行，相当于用户的主程序和API函数接口，运行完将接力棒交给应用程序。它是软硬件资源的控制中心，它以尽量合理有效的方法组织多个用户共享计算机的各种资源。功能层软件层中间层硬件层软件层-文件系统*通用文件系统不适用于嵌入式系统。Flash上实现文件系统，了解Flash的特点：

擦除-写入、块操作Flash上文件系统：

（1）数据管理：读取、修改、删除

（2）考虑擦写时间，协调数据吞吐量功能层软件层中间层硬件层软件层-文件系统*通用文件系统不适用于嵌入式系统。Flash上实现文件系统，了解Flash的特点：

擦除-写入、块操作Flash上文件系统：

（1）数据管理：读取、修改、删除

（2）考虑擦写时间，协调数据吞吐量功能层软件层中间层硬件层功能层功能层（应用软件）：由基于RTOS开发的应用程序组成，用来完成对被控对象的控制功能。功能层是面向被控对象和用户的，为方便用户操作，往往需要提供一个友好的人机界面。功能层软件层中间层硬件层本节内容嵌入式微处理器体系结构嵌入式微处理器封装形式嵌入式系统的组成和架构嵌入式系统的存储器系统存储器系统寄存器高速缓存SRAM主存储器DRAM本地存储器Flash、ROM、磁盘网络存储器Flash、ROM、磁盘时钟周期01—1050—10020000000分层结构存储器种类－RAM：随机存取存储器，SRAM：静态随机存储器