嵌入式第02讲嵌入式处理器1

《嵌入式系统原理》

第2讲嵌入式处理器嵌入式处理器的分类嵌入式微处理器简介嵌入式处理器专用技术1曲师大计算机学院孔峰嵌入式处理器的功能特点嵌入式处理器是嵌入式系统的核心是控制辅助系统运行的硬件单元其特点是：实时多任务处理能力强，中断响应快结构可扩展内部集成测试电路低功耗P762曲师大计算机学院孔峰根据其功能特点与应用领域可分为：嵌入式微处理器(MPU)——中高端嵌入式微控制器(MCU)——低端数字信号处理器(DSP)——通信领域片上系统（SoC）——高度集成1嵌入式处理器分类3曲师大计算机学院孔峰嵌入式微处理器在通用计算机CPU基础上去除冗余、配置外围电路、进行适应性改造而来常见的有：ARM、MIPS、PowerPC、68K等特点：低功耗、抗干扰、可扩展具有存储区保护功能调试功能丰富实时处理能力强4曲师大计算机学院孔峰微控制器传统上称为单片机以某处理器内核为核心，内部集成Flash、RAM、总线逻辑、定时计数器、各类输入输出口等常见微控制器Intel8048、8051（MCS51系列）68HC05、AVR、PIC、MCS96特点：单片化、体积小、成本低、可靠性高适用于控制、应用广泛(占嵌入式份额的70%)5曲师大计算机学院孔峰DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊处理，适合执行DSP算法，编译效率和指令执行速度较高常见DSP处理器TMS320、DSP56K、ADSP21XX等特点：适用于运算量较大的智能系统生物信息识别终端ADLS接入实时语音解压系统虚拟现实显示6曲师大计算机学院孔峰片上系统（SoC）结合许多功能模块，整个系统做在一个芯片上嵌入式系统实现的最高形式是SoCSoC的优点功过改变内部工作电压，降低芯片功耗减少芯片对外引脚数，简化制造过程减少外围电路间的信号传递，加快处理速度内嵌的线路可避免系统杂讯7曲师大计算机学院孔峰SoC的实现技术——EDAEDAElectronicDesignAutomation，电子设计自动化是先进的电子系统设计方法和开发工具EDA以计算机为主要工具，对使用硬件描述语言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）为描述手段完成的数字系统设计文件，自动地完成逻辑编译、逻辑综合、结构综合（布局布线），以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子系统功能。主流的HDL有VHDL、Verilog、SystemC、Superlog和SystemVerilog等。P16~198曲师大计算机学院孔峰ASIC设计流程P239曲师大计算机学院孔峰EDA目标利用EDA技术进行电子系统设计，最后实现的目标电路有3种类型。①全定制或半定制专用集成电路ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuits②FPGA/CPLD（或称可编程ASIC）开发应用复杂可编程逻辑器件CPLDComplexProgrammableLogicDevice现场可编程门阵列FPGAFieldProgrammableGateArray③印制电路板PCB，PrintedCircuitBoard基于FPGA的SoC方案：SoPCP1610曲师大计算机学院孔峰IP核SoC的核心技术是IP核IntellectualPropertyCore，知识产权核电路设计中，把不同功能的电路模块称为IP核，设计SoC时往往采取直接利用IP核的方式进行IP核以三种形式存在软核：VHDL语言描述硬核：电路版图固核：可综合网表文件常用的EDA软件：Quartus支持IP核P3711曲师大计算机学院孔峰数字系统硬件抽象模型12曲师大计算机学院孔峰2嵌入式微处理器(MPU)简介几种嵌入式处理器ARMMIPSPowerPCMC68Kx8613曲师大计算机学院孔峰2.1ARM处理器ARM即AdvancedRISCMachines的缩写。ARM公司是设计公司，是知识产权（IP）供应商，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。有30多家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议。14曲师大计算机学院孔峰ARM处理器ARM处理器的3大特点：小体积、低功耗、成本低、高性能16位／32位双指令集全球众多的合作伙伴15曲师大计算机学院孔峰ARM公司的IP销售与服务ARM公司大学/研究所/企业IC制造商OEM生产商图例：服务付款技术支持16曲师大计算机学院孔峰ARM发展简史1985年4月26日，第一个ARM原型在英国剑桥的Acorn计算机有限公司诞生，由美国加州SanJoseVLSI技术公司制造。20世纪80年代后期，ARM很快开发成Acorn的台式机产品，形成英国的计算机教育基础。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited（简称ARM公司）。20世纪90年代，ARM32位嵌入式RISC处理器扩展到世界范围，占据了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系统应用领域的领先地位。17曲师大计算机学院孔峰ARM体系结构的扩充ARM32位处理器体系结构是市场占有率高的32位嵌入式RISC微处理器结构市场占有率大约为75%所有ARM处理器共享同一个体系结构。ARM体系结构的扩充包括：Thumb：16位指令集，用以改善代码密度；DSP：用于DSP应用的算术运算指令集；Jazeller：允许直接执行Java字节码的扩充。18曲师大计算机学院孔峰ARM处理器应用ARM系列处理器提供的解决方案包括：在无线、消费电子和图像应用方面的开放平台智能卡和SIM卡的安全应用嵌入式系统教学实验设备网络设备：路由器、调制解调器等移动电话、智能手机等19曲师大计算机学院孔峰ARM处理器系列产品概况ARM处理器当前有6个产品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。ARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。SecurCore是第5个产品系列，是专门为安全设备而设计的。来自于合作伙伴的产品例如：IntelXScale微体系结构和StrongARM产品。20曲师大计算机学院孔峰ARMCortex系列处理器TheARMCortexfamilycomprisesthreeseries,allimplementtheThumb-2instructionset.ARMCortex-ASeriesapplicationsprocessorsforcomplexOSanduserapplications.SupportstheARM,ThumbandThumb-2instructionsetsARMCortex-RSeriesembeddedprocessorsforreal-timesystems.SupportstheARM,Thumb,andThumb-2instructionsetsARMCortex-MSeriesdeeplyembeddedprocessorsoptimizedforcostsensitiveapplications.SupportstheThumb-2instructionsetonly21曲师大计算机学院孔峰Intel公司生产的ARM系列处理器Intel公司购买了ARM的IP核先后生产出了两种嵌入式处理器：StrongARMXScale22曲师大计算机学院孔峰2.2PowerPC处理器自从1994年第一个PowerPC处理器PowerPC601问世以来，已经有几十种PowerPC独立微处理器与嵌入式微处理器投放市场，其主频范围从32MHz到1GHz不等。嵌入式的PowerPC405（主频最高为266MHz）和PowerPC440（主频最高为550MHz）处理器内核可以用于各种集成的系统芯片（SOC，system-on-a-chip）设备上，在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。23曲师大计算机学院孔峰IBMPowerPC路线图PPC400系列产品是嵌入式处理器24曲师大计算机学院孔峰Motorola高性能处理器25曲师大计算机学院孔峰2.3MIPS嵌入式微处理器MIPS处理器MIPS计算机公司研发一种高端嵌入式内核标准MIPS的英文原文：MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages中文意义是内部无互锁流水级微处理器尽量利用软件办法避免流水线的数据相关问题26曲师大计算机学院孔峰MIPS计算机公司简史MIPS处理器最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大学Hennessy教授领导的研究小组研制出来的MIPS公司的R系列处理器是在此基础上研发成功的RISC工业微处理器产品1984年，MIPS计算机公司成立1992年，SGI收购了MIPS计算机公司1998年，MIPS脱离SGI，成为MIPS技术公司27曲师大计算机学院孔峰MIPS处理器发展简史MIPS处理器诞生于二十世纪八十年代初1986年到1997年先后出产了6个R系列的微处理器其中的R4000是世界上第一款64位商用微处理器1999年MIPS32和MIPS64架构标准发布，为后来MIPS处理器的开发奠定了基础。28曲师大计算机学院孔峰MIPS3224KETM内核的功能方框图29曲师大计算机学院孔峰3嵌入式微处理器技术特点哈佛结构I/O端口统一编址与特殊功能寄存器桶型移位器正交指令集指令密度看门狗定时器地址对准与端序地址重映射FIFO缓冲寄存器主存控制器30曲师大计算机学院孔峰3.1哈佛结构哈佛结构是一种计算机体系结构哈佛结构基本特点：程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。(并行结构)可以使指令和数据有不同的数据宽度。如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位宽度，而数据是8位宽度。优点：较高执行效率和数据吞吐率31曲师大计算机学院孔峰哈佛结构示意图CPU程序计数器PC指令存储器数据存储器地址总线地址总线数据总线指令总线32曲师大计算机学院孔峰冯•诺依曼结构示意图CPU程序计数器PC存储器地址总线数据总线（普林斯顿结构）33曲师大计算机学院孔峰Motorola公司DSP56311型数字信号处理器的存储系统结构34曲师大计算机学院孔峰哈佛结构Cache片内Cache分为两类。一种是数据和指令都放在同一个Cache中，称为普林斯顿结构或者统一化结构Cache（统一型Cache）。另外一种是数据和指令分别放在两个独立的Cache中，称为哈佛结构Cache。这后一种Cache也叫做分离型Cache。35曲师大计算机学院孔峰3.2I/O端口统一编址

与特殊功能寄存器计算机的两种I/O端口地址空间独立编址x86处理器系列统一编址8051系列和ARM系列处理器特殊功能寄存器（SFR）接口控制器的端口寄存器实际为片上（片内）的物理存储单元36曲师大计算机学院孔峰三星公司嵌入式处理器S3C44B0X

存储器地址映射图37曲师大计算机学院孔峰3.3桶型移位器通常的移位器都是一个时钟脉冲左移或者右移1位。桶型移位器采用了开关矩阵电路，可以做到用1个时钟脉冲移位任意位。参看下面的开关矩阵工作示意图。38曲师大计算机学院孔峰不移位操作示意图39曲师大计算机学院孔峰循环左移3位操作示意图在这里循环左移3位相当于循环右移1位40曲师大计算机学院孔峰3.4正交指令集正交指令集（OrthogonalInstructionSet）Aninstructionsetwhereall(ormost)instructionshavethesameformatandallregistersandaddressingmodescanbeusedinterchangeably.Thechoicesofopcode,register,andaddressingmodearemutuallyindependent.looselyspeaking,thechoicesare"orthogonal".ThiscontrastswithsomeearlyIntelmicroprocessorswhereonlycertainregisterscouldbeusedbycertaininstructions.

ExamplesincludethePDP-11,680x0,ARM,VAX.41曲师大计算机学院孔峰正交指令集的特征绝大多数指令长度相同指令操作吗、操作数的寻址字段长度固定所有寄存器的寻址可替换操作码、寻址方式、操作数1、2四个字段的取值都是相互独立的42曲师大计算机学院孔峰正交指令示例例1：一个正交的两地址指令集中的运算类指令常采用以下格式：定长操作码+寻址方式编码+定长格式的目的寄存器集+定长格式的源寄存器集。例2：ARM处理器有16个通用寄存器，分别命名为R0到R15。ARM处理器的数据处理类指令中的立即数移位指令格式如下：43曲师大计算机学院孔峰例2的说明其中的执行条件字段是该指令执行的条件，共有15种条件，加上无条件，一共有16种可能，用4位二进制数表示，可以取其中一种；操作码字段有4位，表示执行的是哪一种算术逻辑运算，一共有16种运算，可以取其中任何一种；SH字段表示移位类型，可以有5种移位指令的编码可供选择，这些指令都用到了桶型移位器；Rn、Rd、Rm字段是操作数寄存器字段，可以取16个寄存器R0~R15中的任何一个；#shift是立即数移位长度值。44曲师大计算机学院孔峰3.5双密度指令集指令密度：计算机指令集的一个技术指标，与处理器的体系结构密切相关。它表示该机器指令程序占用存储器空间的大小。有高密度指令和低密度指令之分。与低密度指令相比较，高密度指令执行同样的机器指令序列所需要的指令存储空间较小。双密度指令集处理器：指令集包含有指令密度不相同的两套指令集。45曲师大计算机学院孔峰双密度指令集举例ARM微处理器是32位设计，配有定长32位的指令集。但ARM微处理器也配备16位指令集，称为Thumb指令集。它允许软件编码为更短的16位机器指令。早期16位Thumb指令集称为Thumb-1指令集，其指令密度远高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技术。这三种指令集的代码尺寸比较与性能比较请参看下图。46曲师大计算机学院孔峰3.6看门狗定时器嵌入式处理器专用的部件。它能够让嵌入式处理器处理器自动脱离死锁工作状态。时钟发生器预分频器16位可编程定时器看门狗定时器使能信号NMI47曲师大计算机学院孔峰S3C44B0X处理器的看门狗定时器该看门狗是一个16位数的间隔定时器，用来产生中断服务请求信号。它可在128个存储器时钟周期之内产生复位信号。48曲师大计算机学院孔峰S3C44B0X的看门狗定时器InS3C44B0Xprocessor,theprescalervalueandthefrequencydivisionfactorarespecifiedinthewatchdogtimercontrolregister,WTCON.Thevalidprescalervaluesrangefrom0to28-1.Thefrequencydivisionfactorcanbeselectedas16,32,64,or128.Usethefollowingequationtocalculatethewatchdogtimerclockfrequencyandthedurationofeachtimerclockcycle:49曲师大计算机学院孔峰看门狗定时器的时间间隔计算举例以S3C44B0X为例：时间间隔=1/(MCLK/(预分频值+1)/(除法系数)MCLK是存储器主频，在option.h中定义为67,500,000预分频值就是PRESCALER除法系数就是DIVISION带入公式计算结果是：1/(MCLK/((MCLK/1000000-1)+1)/128)=0.000128(second)注意：Prescaler_value=MCLK/1000000-1做到在0-255的范围内50曲师大计算机学院孔峰3.7地址对准和端序边界地址：从0号单元开始，按照2字节、4字节或者其他2的整倍数长度划分内存的读写块，读写块的首地址就是边界地址。地址对准访问从边界地址进行内存访问端序，字节序多字节数据存放时，最高字节存放在最低地址单元称为大端序，放在最高地址单元称为小端序。大端序：IBM大型机、小端序：PCARM支持两种端序51曲师大计算机学院孔峰3.8地址重映射开始启动时，将存有启动代码的NorFlash地址空间映射到0x00000000。嵌入式系统的中断向量和异常向量表在启动时也从0号地址存放。FlashROM的读出速度慢，启动后需将flash中内容复制到RAM中，进而改变地址（重映射）地址重映射：把SDRAM地址空间迁移到0地址开始处，把FlashROM的地址空间迁移到系统存储器的高端地址。52曲师大计算机学院