嵌入式处理器介绍解析课件

第四章嵌入式处理器介绍授课教师：李英祥电邮地址：drliyingxiang@163.com1第四章嵌入式处理器介绍授课教师：李英祥1www.cui内容提纲1.重要概念2.嵌入式处理器的分类3.典型嵌入式处理器4.32位嵌入式处理器的发展趋势2内容提纲1.重要概念21.重要概念冯.诺依曼结构哈佛结构流水线技术CISC和RISC31.重要概念冯.诺依曼结构3冯.诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的处理器结构；因此程序指令和数据的宽度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS处理器等4冯.诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的处理器结构，指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等。

5哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的处理器结构，流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术；程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤，从而可加快程序的运行速度；6流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率77采用多条流水线结构88CISC和RISC嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RISC；CISC（ComplexInstructionSetComputer）：复杂指令系统计算机；RISC（ReducedInstructionSetComputer）：精简指令系统计算机；9CISC和RISC嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RICISCRISC价格硬件复杂，芯片成本高硬件较简单，芯片成本低性能减少代码尺寸，增加指令的执行周期数使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸指令集大量的混杂型指令集，有专用指令完成特殊功能

简单的单周期指令，不常用的功能由组合指令完成应用范围通用机专用机功耗与面积含有丰富的电路单元，功能强、面积大、功耗大处理器结构简单，面积小，功耗小设计周期长短10CISCRISC价格硬件复杂，芯片成本高硬件较简单，芯片成本2.嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（MPU)嵌入式微控制器（MCU)嵌入式DSP处理器（DSP)嵌入式片上系统（SoC)112.嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（MPU)11www.嵌入式微处理器MPU装配在专用电路板上，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除冗余功能，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求；在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机的CPU都作了各种增强；目前主要有ARM、MIPS、POWERPC、68K等系列；12嵌入式微处理器MPU装配在专用电路板上，只保留和嵌入式应用嵌入式微控制器MCU将整个计算机系统集成到一块芯片中，如单片机；一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了ROM、FLASH、RAM、定时器、I/O、A/D、D/A等各种必要的功能和外设；优点：大大减小了体积、降低了功耗和成本、提高了可靠性；主要有：8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68300等；复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核13嵌入式微控制器MCU将整个计算机系统集成到一块芯片中，如单嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构硬件上采用了Harvard（哈佛）结构和专用的硬件乘法器；指令为快速DSP指令（属RISC精简指令集）使其适合于对处理器运算速度要求较高的应用领域；代表产品：TexasInstruments公司的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列14嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构硬片上系统SOCSOC:在一个硅片上包含一个或者多个处理器、存储器、模拟电路模块、数/模混合信号模块以及片上可编程逻辑;

嵌入式片上系统可以分为通用和专用两类:通用系列包括Siemens公司的TriCoreMotorola公司的M-Core某些ARM系列器件等;专用SoC一般专门用于某个或者某类系统中，一般不为用户所知，如PHILIPS公司的SmartXA;15片上系统SOCSOC:在一个硅片上包含一个或者多个处理器、3.典型嵌入式处理器概述51单片机系列MPC/PPC系列ARM处理器系列ARM处理器兼容系列163.典型嵌入式处理器概述16概述目前主流的嵌入式处理器系列主要有51系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和ARM系列等；属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有上千种以上；17概述目前主流的嵌入式处理器系列主要有51系列、MIPS系列、

EmbeddedRISCProcessorShipments

181851单片机系列为经典的8位嵌入式微控制器；特点：成本低、可靠性高；缺点：功能、性能也较简单；1951单片机系列为经典的8位嵌入式微控制器；19www.cuMPC/PPC系列Motorola推出的MPC系列，如MPC8XX；IBM推出PPC系列，如PPC4XX；如：IBMPowerPC集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设；主要应用在通信及消费电子领域；20MPC/PPC系列Motorola推出的MPC系列，如MPARM处理器ARM公司ARM处理器版本ARM处理器特点ARM7内核简介ARM9系列微处理器SecurCore内核系列StrongARM与Xscale21ARM处理器ARM公司21ARM公司简介ARM（AdvancedRISCMachine）公司是一家专门从事芯片IP设计与授权业务的英国公司，其产品有ARM内核以及各类外围接口；公司的特点是只设计芯片，而不生产，它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务；ARM内核是一种32位RISC微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色；22ARM公司简介ARM（AdvancedRISCMachiIntel、Samsung、TI、Motorola、ST等的芯片厂商都是ARM的授权用户；ARM已成为业界公认的嵌入式微处理器标准；将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...23Intel、Samsung、TI、Motorola、ST等的经过近20年的发展，ARM体系结构发展日趋成熟，功能越来越强，应用领域越来越广泛；从最初到现在，已经有六个主要的版本：ARMv1,ARMv2,ARMv3,ARMv4,ARMv5，ARMv6；

ARMv1系列的CPU主要还是作为研究之用，后面几种都得到了较为广泛的应用；特别是ARMv4系列的CPU目前仍然是ARM芯片的主要开发版本；ARM处理器版本24经过近20年的发展，ARM体系结构发展日趋成熟，功能越来越强2525ARM处理器特点寄存器：具有更多的通用寄存器；流水线：将指令处理过程分为多步，提高效率；低功耗：对于电池供电的设备，功耗无疑是重点；高代码密度：小的代码量可以减小存储成本；小面积：芯片内可以集成更多的外设，使系统硬件更紧凑简洁；价格低：降低开发难度和成本；26ARM处理器特点寄存器：具有更多的通用寄存器；26www.cARM7内核简介该系列包括：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T、扩充了Jazelle的ARM7EJ-S；ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备；27ARM7内核简介该系列包括：ARM7TDMI、ARM7TDMARM7TDMI简介ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，支持32位寻址范围；ARM7TDMI的后缀意义为：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM7TDMI的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI一致；ARM7TDMI-S28ARM7TDMI简介ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版ARM7TDMI的模块和内核框图29ARM7TDMI的模块和内核框图29

ARM7TDMI的模块和内核框图30ARM7TDMI的模块和内核框图30www.cuit.edARM7TDMI的模块和内核框图31ARM7TDMI的模块和内核框图31ARM9系列微处理器ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；提供1.1MIPS/MHZ的哈佛结构，支持数据Cache和指令Cache,具有更高的的指令和数据处理能力；全性能的MMU支持WindowsCE、Linux、PalmOs等多种主流嵌入式操作系统；应用领域：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒等32ARM9系列微处理器ARM9系列微处理器在高性能和低功耗三星S3C2410A为Samsung公司推出的采用ARM920T内核，0.18um标准CMOS工艺的16/32位RISC处理器，提供了内部设备：分开的16KB的指令Cache，MMU虚拟存储管理；LCD控制器、系统管理器、3通道UART；4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O端口；RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口；IIC-BUS接口、USB主机、USB设备；SD主卡&MMC卡接口；2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器；33三星S3C2410A为Samsung公司推出的采用ARM923434SecurCore内核系列SecurCore系列微处理器专为安全需要而设计，提供了完善的32位RISC技术的安全解决方案；具有ARM体系结构的低功耗、高性能的特点；还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的支持；35SecurCore内核系列SecurCore系列微处理器专SecurCore的特点采用软内核技术，防止外部对其进行扫描探测；可集成用户自己的安全特性和其他协处理器；主要应用于对安全性要求较高的应用产品及系统，如电子商务、电子政务、电子银行、认证系统等领域；SecurCore系列包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四种类型，以适用于不同的应用场合；36SecurCore的特点采用软内核技术，防止外部对其进行扫描StrongARM微处理器系列InterStrongARMSA-1100处理器是采用ARM体系结构高度集成的32位RISC微处理器；它融合了Inter公司的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率，采用在软件上兼容ARMv4体系结构、同时采用具有Intel技术优点的体系结构；已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品；37StrongARM微处理器系列InterStrongARXscale处理器Scale处理器是基于ARMv5TE体系结构的解决方案，是一款全性能、高性价比、低功耗的处理器；它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。Xscale处理器是Intel目前主要推广的一款ARM微处理器;38Xscale处理器Scale处理器是基于ARMv5TE体

PXA255处理器结构框图

(Xscale)

39PXA255处理器结构框图(Xscale)39www.4.32位嵌入式处理器的发展趋势高度集成化的SoC趋势软核与硬核同步发展的SOPC（可编程片上系统）技术与DSP技术融合开发核调试手段不断完善……404.32位嵌入式处理器的发展趋势高度集成化的SoC趋势4本章内容小结本章阐述了嵌入式处理器的基本特征；介绍了嵌入式处理器的类型及典型嵌入式处理器的特性；特别是对ARM处理器及ARM兼容处理器作了介绍；指出了嵌入式处理器的发展趋势。41本章内容小结本章阐述了嵌入式处理器的基本特征；41www.c本章内容小结42本章内容小结42第四章嵌入式处理器介绍授课教师：李英祥电邮地址：drliyingxiang@163.com43第四章嵌入式处理器介绍授课教师：李英祥1www.cui内容提纲1.重要概念2.嵌入式处理器的分类3.典型嵌入式处理器4.32位嵌入式处理器的发展趋势44内容提纲1.重要概念21.重要概念冯.诺依曼结构哈佛结构流水线技术CISC和RISC451.重要概念冯.诺依曼结构3冯.诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的处理器结构；因此程序指令和数据的宽度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS处理器等46冯.诺依曼结构是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的处理器结构，指令和数据可以有不同的数据宽度；具有较高的效率；如摩托罗拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等。

47哈佛结构是一种将程序指令存储器和数据存储器分开的处理器结构，流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理的技术；程序中的指令仍是一条条顺序执行，但可以预先取若干条指令，并在当前指令尚未执行完时，提前启动后续指令的另一些操作步骤，从而可加快程序的运行速度；48流水线技术是一种将每条指令分解为多步，并让各步操作重叠，从而几个指令可以并行执行提高了CPU的运行效率497采用多条流水线结构508CISC和RISC嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RISC；CISC（ComplexInstructionSetComputer）：复杂指令系统计算机；RISC（ReducedInstructionSetComputer）：精简指令系统计算机；51CISC和RISC嵌入式微处理器可以分为两类：CISC和RICISCRISC价格硬件复杂，芯片成本高硬件较简单，芯片成本低性能减少代码尺寸，增加指令的执行周期数使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸指令集大量的混杂型指令集，有专用指令完成特殊功能

简单的单周期指令，不常用的功能由组合指令完成应用范围通用机专用机功耗与面积含有丰富的电路单元，功能强、面积大、功耗大处理器结构简单，面积小，功耗小设计周期长短52CISCRISC价格硬件复杂，芯片成本高硬件较简单，芯片成本2.嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（MPU)嵌入式微控制器（MCU)嵌入式DSP处理器（DSP)嵌入式片上系统（SoC)532.嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器（MPU)11www.嵌入式微处理器MPU装配在专用电路板上，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除冗余功能，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求；在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机的CPU都作了各种增强；目前主要有ARM、MIPS、POWERPC、68K等系列；54嵌入式微处理器MPU装配在专用电路板上，只保留和嵌入式应用嵌入式微控制器MCU将整个计算机系统集成到一块芯片中，如单片机；一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了ROM、FLASH、RAM、定时器、I/O、A/D、D/A等各种必要的功能和外设；优点：大大减小了体积、降低了功耗和成本、提高了可靠性；主要有：8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68300等；复位部件看门狗部件晶振部件I/O部件中断部件ROM部件SRAM部件定时器部件CPU核55嵌入式微控制器MCU将整个计算机系统集成到一块芯片中，如单嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构硬件上采用了Harvard（哈佛）结构和专用的硬件乘法器；指令为快速DSP指令（属RISC精简指令集）使其适合于对处理器运算速度要求较高的应用领域；代表产品：TexasInstruments公司的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列56嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，系统结构硬片上系统SOCSOC:在一个硅片上包含一个或者多个处理器、存储器、模拟电路模块、数/模混合信号模块以及片上可编程逻辑;

嵌入式片上系统可以分为通用和专用两类:通用系列包括Siemens公司的TriCoreMotorola公司的M-Core某些ARM系列器件等;专用SoC一般专门用于某个或者某类系统中，一般不为用户所知，如PHILIPS公司的SmartXA;57片上系统SOCSOC:在一个硅片上包含一个或者多个处理器、3.典型嵌入式处理器概述51单片机系列MPC/PPC系列ARM处理器系列ARM处理器兼容系列583.典型嵌入式处理器概述16概述目前主流的嵌入式处理器系列主要有51系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和ARM系列等；属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有上千种以上；59概述目前主流的嵌入式处理器系列主要有51系列、MIPS系列、

EmbeddedRISCProcessorShipments

601851单片机系列为经典的8位嵌入式微控制器；特点：成本低、可靠性高；缺点：功能、性能也较简单；6151单片机系列为经典的8位嵌入式微控制器；19www.cuMPC/PPC系列Motorola推出的MPC系列，如MPC8XX；IBM推出PPC系列，如PPC4XX；如：IBMPowerPC集成10/100Mbps以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设；主要应用在通信及消费电子领域；62MPC/PPC系列Motorola推出的MPC系列，如MPARM处理器ARM公司ARM处理器版本ARM处理器特点ARM7内核简介ARM9系列微处理器SecurCore内核系列StrongARM与Xscale63ARM处理器ARM公司21ARM公司简介ARM（AdvancedRISCMachine）公司是一家专门从事芯片IP设计与授权业务的英国公司，其产品有ARM内核以及各类外围接口；公司的特点是只设计芯片，而不生产，它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，并提供服务；ARM内核是一种32位RISC微处理器，具有功耗低、性价比高、代码密度高等三大特色；64ARM公司简介ARM（AdvancedRISCMachiIntel、Samsung、TI、Motorola、ST等的芯片厂商都是ARM的授权用户；ARM已成为业界公认的嵌入式微处理器标准；将技术授权给其它芯片厂商形成各具特色的ARM芯片...65Intel、Samsung、TI、Motorola、ST等的经过近20年的发展，ARM体系结构发展日趋成熟，功能越来越强，应用领域越来越广泛；从最初到现在，已经有六个主要的版本：ARMv1,ARMv2,ARMv3,ARMv4,ARMv5，ARMv6；

ARMv1系列的CPU主要还是作为研究之用，后面几种都得到了较为广泛的应用；特别是ARMv4系列的CPU目前仍然是ARM芯片的主要开发版本；ARM处理器版本66经过近20年的发展，ARM体系结构发展日趋成熟，功能越来越强6725ARM处理器特点寄存器：具有更多的通用寄存器；流水线：将指令处理过程分为多步，提高效率；低功耗：对于电池供电的设备，功耗无疑是重点；高代码密度：小的代码量可以减小存储成本；小面积：芯片内可以集成更多的外设，使系统硬件更紧凑简洁；价格低：降低开发难度和成本；68ARM处理器特点寄存器：具有更多的通用寄存器；26www.cARM7内核简介该系列包括：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、带有高速缓存处理器宏单元的ARM720T、扩充了Jazelle的ARM7EJ-S；ARM7系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括Internet设备、网络和调制解调器设备，以及移动电话、PDA等无线设备；69ARM7内核简介该系列包括：ARM7TDMI、ARM7TDMARM7TDMI简介ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版本，支持32位寻址范围；ARM7TDMI的后缀意义为：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上调试；支持64位乘法；支持EmbededICE观察硬件；ARM7TDMI的可综合（synthesizable）版本（软核），对应用工程师来说其编程模型与ARM7TDMI一致；ARM7TDMI-S70ARM7TDMI简介ARM7TDMI基于ARM体系结构V4版ARM7TDMI的模块和内核框图71ARM7TDMI的模块和内核框图29

ARM7TDMI的模块和内核框图72ARM7TDMI的模块和内核框图30www.cuit.edARM7TDMI的模块和内核框图73ARM7TDMI的模块和内核框图31ARM9系列微处理器ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特点：5级整数流水线，指令执行效率更高；提供1.1MIPS/MHZ的哈佛结构，支持数据Cache和指令Cache,具有更高的的指令和数据处理能力；全性能的MMU支持WindowsCE、Linux、PalmOs等多种主流嵌入式操作系统；应用领域：无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒等74ARM9系列微处理器ARM9系列微处理器在高性能和低功耗三星S3C2410A为Samsung公司推出的采用ARM920T内核，0.18um标准CMOS工艺的16/32位RISC处理器，提供了内部设备：分开的16KB的指令Cache，MMU虚拟存储管理；LCD控制器、系统管理器、3通道UART；4通道DMA、4通道PWM定时器、I/O端口；RTC、8通道10位ADC和触摸屏接口；IIC-BUS接口、USB主机、USB设备；SD主卡&MMC卡接口；2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器；75三星S3C2