第一章 嵌入式硬件概述

第一章嵌入式硬件系统概述计算机学院刘双虎2012年春课件密码：主要内容1嵌入式系统的应用领域

2嵌入式系统的特点3嵌入式硬件系统的组成4嵌入式微处理器概述5主流的嵌入式微处理器6嵌入式系统的发展趋势1嵌入式系统的应用领域嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。从定义说起

维基百科(Wikipedia): “Anembeddedsystemisacomputersystemdesignedtoperformoneorafewdedicatedfunctions

oftenwithreal-timecomputingconstraints.”1嵌入式系统的应用领域通用计算机与嵌入式系统对比特征通用计算机嵌入式系统形式和类型“看得见”的计算机。按其体系结构、运算速度和结构规模等因素分为大、中、小型机和微机。“看不见”的计算机。形式多样，应用领域广泛，一般按应用分类。组成通用处理器、标准总线和外设。软件和硬件相对独立。面向应用的嵌入式微处理器，总线和外部接口多集成在处理器内部。软件与硬件是紧密集成在一起的。开发方式开发平台和运行平台都是通用计算机采用交叉开发方式，开发平台一般是通用计算机，运行平台是嵌入式系统。二次开发性应用程序可重新编制一般不能再编程发展目标变为功能电脑，普遍进入社会变为专用电脑，实现“普及计算”（PervasiveComputing）。1嵌入式系统的应用领域嵌入式系统广泛地应用于消费电子、通信、汽车、国防、航空航天、工业控制、仪表、办公自动化等领域。据欧盟统计：2003年全球大概有80亿片嵌入式微处理器，到2010年，预计会达到160亿片，地球上的人平均拥有3个嵌入式微处理器在航空电子中，嵌入式软件的开发成本占整个飞机研制成本的50%；对于汽车工业，汽车电子在整车价值中的比例逐年提高，将从1997年的20%提升到2010年的33-40%；消费电子数量越来越大，据预测，到2010年，仅数字家庭在美国的销售额就将达到2000亿欧元。1嵌入式系统的应用领域在消费电子领域：随着技术的发展，消费电子产品正向数字化和网络化方向发展；高清晰度数字电视将代替传统的模拟电视；数码相机将代替传统的胶片相机；固定今后会被IP所替代；各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、等）将通过家庭通信、控制中心与Internet连接，实现远程控制、信息交互、网上娱乐、远程医疗和远程教育等。转变为智能网络家电，还可以实现远程医疗，远程教育等。1嵌入式系统的应用领域在通信领域：大量应用嵌入式系统，主要包括程控交换机、路由器、IP交换机、传输设备等；据预测，由于互联的需要，特别是宽带网络的发展，将会出现各种网络设备如：ADSLModem/Router等，其数将远远高于传统的网络设备；它们基于32位的嵌入式系统、价格低廉，将为企业、家庭提供更为廉价的、方便的、多样的网络方案。就宽带上网的网络设备ADSLRouter而言，国外现在每月需要600K的数量。1嵌入式系统的应用领域在工控、汽车电子、仿真、医疗仪器等领域：随着工业、汽车、医疗卫生等各部门对智能控制需求的不断增长，需要对设备进行智能化、数字化改造，为嵌入式系统提供了很大的市场；就汽车电子系统而言，目前的大多数高档轿车每辆拥有约50个嵌入式微处理器。如BMW7系列轿车，则平均安装有63个嵌入式微处理器；据预测，21世纪初美国接入Internet的汽车将有一亿辆。ICInsights报道2001年车载计算系统的市场规模是30亿美元，而2004年达到46亿美元，这些系统将成为所有新型轿车的标准设备。1嵌入式系统的应用领域嵌入式计算机系统的应用示例－汽车电子控制系统主要内容1嵌入式系统的应用领域2嵌入式系统的特点

3嵌入式硬件系统的组成4嵌入式微处理器概述5主流的嵌入式微处理器6嵌入式系统的发展趋势2嵌入式系统的特点嵌入式系统通常是形式多样、面向特定应用的嵌入式系统得到多种类型的处理器和处理器体系结构的支持嵌入式系统通常极其关注成本嵌入式系统有实时性和可靠性的要求嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法形式多样、面向特定应用一般用于特定的任务，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，而通用计算机则是一个通用的计算平台。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用微处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一体化程序。处理器和处理器体系结构类型多通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，而且主要掌握在少数大公司手里。嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。在嵌入式微处理器产业链上，IP设计、面向应用的特定嵌入式微处理器的设计、芯片的制造已相成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。关注成本嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，特别是量大的消费类数字化产品，其成本是产品竞争的关键因素之一。嵌入式的系统成本包括:一次性的开发成本NRE(Non-RecurringEngineering)成本产品成本:硬件BOM、外壳包装和软件版税等批量产品的总体成本=NRE成本+每个产品成本*产品总量每个产品的最后成本=总体成本/产品总量=NRE成本/产品总量+每个产品成本实时性和可靠性的要求一方面大多数实时系统都是嵌入式系统另一方面嵌入式系统多数有实时性的要求，软件一般是固化运行或直接加载到内存中运行，具有快速启动的功能。并对实时的强度要求各不一样，可分为硬实时和软实时。嵌入式系统一般要求具有出错处理和自动复位功能，特别是对于一些在极端环境下运行的嵌入式系统而言，其可靠性设计尤其重要。在大多数嵌入式系统的软件中一般都包括一些机制，比如硬件的看门狗定时器，软件的内存保护和重启动机制。适应多种处理器、可剪裁、轻量型、

实时可靠、可固化的嵌入式操作系统由于嵌入式系统应用的特点，像嵌入式微处理器一样，嵌入式操作系统也是多姿多彩的。大多数商业嵌入式操作系统可同时支持不同种类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内核规模在几十KB，能与应用软件一样固化运行。一般包括一个实时内核，其调度算法一般采用基于优先级的可抢占的调度算法。高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离开发需要专门工具和特殊方法多数嵌入式系统开发意味着软件与硬件的并行设计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义软件与硬件设计与实现软件与硬件集成产品测试与发布维护与升级

开发需要专门工具和特殊方法由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发能力，产品发布后用户通常也不能对其中的软件进行修改，必须有一套专门的开发环境。该开发环境包括专门的开发工具（包括设计、编译、调试、测试等工具），采用交叉开发的方式进行，交叉开发环境如图所示。主要内容1嵌入式系统的应用领域2嵌入式系统的特点3嵌入式硬件系统的组成

4嵌入式微处理器概述5主流的嵌入式微处理器6嵌入式系统的发展趋势3嵌入式硬件系统的组成嵌入式系统的硬件是以嵌入式微处理器为核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入/输出接口和设备组成。嵌入式系统的软件是由初始化代码及驱动、嵌入式操作系统和应用程序等软件有机地结合在一起形成系统特定的一体化软件。3嵌入式硬件系统的组成嵌入式微处理器嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，其基础是通用的微处理器，但是具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、工作温度宽、抗电磁干扰、可靠性强等特点，在集成度、体系结构、指令集、性能、功耗管理和成本等方面都有适应嵌入式系统应用的特性。3嵌入式硬件系统的组成总线是CPU与存储器和设备通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道。片内总线或内部总线：连接CPU内部各主要功能部件，以构成SoC片外总线：SoC与存储器（RAM和ROM）和I/O接口之间进行信息交换的通道数据总线Dbus地址总线Abus控制总线Cbus按相对于CPU位置划分按功能和信号类型总线分类3嵌入式硬件系统的组成嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微处理器中，从微处理器的角度来看，总线可分为片外总线和片内总线片外总线：PCI、ISA、AMBA的APB等片内总线：AMBA的AHB和ASB、AVALON（altera开发）、OCP、WISHBONE等注：ARM公司研发的AdvancedMicrocontrollerBusArchitectureAHB(AdvancedHigh-performanceBus),ASB(AdvancedSystemBus),APB(AdvancedPeripheralBus)OpenCoreProtocol；WISHBONESilicon公司提出现已交由OCP组织3嵌入式硬件系统的组成嵌入式系统存储器嵌入式系统的存储器包括主存和外存（又称为辅存）。大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理器可直接访问的存储空间即主存中，系统上电后在主存中的代码直接运行。主存储器的特点是速度快，一般采用ROM、EPROM、NorFlash、SRAM、DRAM等存储器件。目前有些嵌入式系统除了主存外，还有外存。外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存放各种信息，相对主存而言具有速度慢、价格低、容量大的特点。在嵌入式系统中一般不采用硬盘而采用电子盘做外存，电子盘的主要种类有DOC（DiskOnChip）、NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、MemoryStick、MultiMediaCard、SD（SecureDigital）卡等。3嵌入式硬件系统的组成嵌入式系统输入/输出接口及设备嵌入式系统的大多数输入/输出接口和部分设备已经集成在嵌入式微处理器中，输入/输出接口主要有中断控制器、DMA、串行和并行接口等，设备主要有定时器（Timers）、计数器（counters）、看门狗（watchdogtimers）、RTC、UARTs、PWM（Pulsewidthmodulator）、AD/DA、显示器、键盘和网络等。主要内容1嵌入式系统的应用领域2嵌入式系统的特点3嵌入式硬件系统的组成4嵌入式微处理器概述

5主流的嵌入式微处理器6嵌入式系统的发展趋势4嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器的体系结构：可以分为冯•诺依曼（VonNeumann）结构或哈佛（Harvard）结构两大类。4嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器的指令集按指令系统进行分类，嵌入式微处理器可分为精简指令集系统RISC（ReducedInstructionSetComputer）和或复杂指令集系统CISC（ComplexInstructionSetComputer）两大类。分类比较项目CISCRISC指令集大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合HLL（highlevellanguage）简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应的CISC微代码指令控制单元微码直接执行寻址模式复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址简单的寻址模式，仅允许LOAD和STORE指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器寄存器数目寄存器较少寄存器较多性能减少代码尺寸，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，增加代码尺寸高级语言支持硬件完成软件完成价格由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低嵌入式微处理器特点体系结构指令集性能功耗和管理成本集成度嵌入式微处理器的集成度用于桌面和服务器的微处理器的芯片内部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、外部总线和外部设备独立在其他芯片和电路内。嵌入式微处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、DMA、定时器、UART等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求，一块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：片内存储器：部分嵌入式微处理器外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口)LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器中断控制器，DMA控制器，协处理器定时器，A/D、D/A转换器多媒体加速器：当高级图形功能需要时总线其他标准接口或外设嵌入式微处理器的集成度华邦W90P710芯片的内部结构嵌入式微处理器的体系结构算术格式（ArithmeticFormat）由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定点运算（fixed-pointarithmetic），即数值被表示为整数或在－和＋之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版本的芯片便宜。当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处理器时间。

功能单元（FunctionalUnits）通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。

流水线（Pipeline）通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线

嵌入式微处理器的指令集为满足应用领域的需要，嵌入式微处理器的指令集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充。目前很多应用系统需要类似于DSP的数字处理功能。这些指令主要有：乘加(MAC)操作：它在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算。SIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算。零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。仅使用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并提供循环次数，另一条是循环体。多媒体加速指令：像素处理、多边形、3D操作等指令。

嵌入式微处理器的性能低端（低价，低性能）一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应用在对性能要求不高但对价格和功耗有严格要求的应用系统中。

中档，低功耗中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加时钟频率、加深流水深度、增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持低功耗。

高端嵌入式微处理器的性能高端嵌入式微处理器用于高强度计算的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(verylargeinstructionword)来实现，这样只需较少的硬件，总体价格会更低些。例如TI的TMS320C6201芯片，通过使用VLIW方法，能在每个周期同时执行8条独立的32位指令。使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如TI的OMAP730包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。嵌入式微处理器的功耗管理大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷却设备。

降低工作电压：、甚至更低，而且这个数值一直在下降。提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的时钟分频。关闭暂时不使用的功能块：如果某功能块在一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以节约能量。嵌入式微处理器的功耗管理提供功耗管理机制

运行模式（RunningMode）：处理器处于全速运行状态下。待命模式（StandbyMode）：处理器不执行指令，所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内返回运行模式。时钟关闭模式（clock-offmode）：时钟完全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。影响功耗的其他因素还有总线（特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）和存储器的大小（如果使用DRAM，它需要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。嵌入式微处理器的成本为降低价格，需要在嵌入式微处理器的设计中考虑不同的折衷方案。处理器的价格受如下因素影响:处理器的特点：功能块的数目、总线类型等。片上存储器的大小。芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(PlasticQuadFlatPackage)通常比BGA(BallGridArrayPackage)便宜。芯片大小（diesize）：取决于制造的工艺水平。嵌入式微处理器的成本代码密度（codedensity）：代码存储器的大小将影响价格，不同种类的处理器有不同的代码密度：CISC芯片代码密度高，但结构复杂，其额外的控制逻辑单元使价格变得很高；RISC芯片拥有简单的结构，代码密度低，因为其指令集简单；VLIW代码密度最低，因为它的指令字倾向于采用多字节。VLIW(VeryLongInstructionWord，超长指令字)

主要内容1嵌入式系统的应用领域2嵌入式系统的特点3嵌入式硬件系统的组成4嵌入式微处理器概述5主流的嵌入式微处理器

6嵌入式系统的发展趋势5主流的嵌入式微处理器嵌入式微处理器有许多不同的体系即使在同一体系中也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，因而形成不同品种的嵌入式微处理器。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器的品种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理器体系主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、SH、X86等。5主流的嵌入式微处理器ARM系列嵌入式微处理器ARM(AdvancedRISCMachine)是一种32位RISC结构的CPUARM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。ARM公司()提供CPU内核的设计，然后授权给芯片厂商生产具体的产品。ARM芯片的主要特点就是功耗小（一般为几个mW/MIPS）、代码密度高、性价比高。5主流的嵌入式微处理器ARM系列嵌入式微处理器ARM芯片主要适用于移动通信、手持计算、数字多媒体设备、以及其它的一些需要低功耗和小体积的嵌入式应用。经过近20年的发展，ARM体系结构有七个主要的版本：ARMv1,ARMv2,ARMv3,ARMv4,ARMv5，ARMv6,ARMv7其中ARMv4,ARMv5(对应ARM7,9,10)系列的CPU目前仍然是ARM芯片的主要开发版本(V6,V7对应ARM11和Cortex)。5主流的嵌入式微处理器MIPS系列嵌入式微处理器MIPS是由斯坦福（Stanford）大学JohnHennery教授领导的研究小组研制出来的，是一种RISC处理器。MIPS的意思是“无互锁流水级的微处理器”(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。和ARM公司一样，MIPS公司本身并不从事芯片的生产活动（只进行设计），不过其他公司如果要生产该芯片的话必须得到MIPS公司的许可。5主流的嵌入式微处理器MIPS系列嵌入式微处理器MIPS的指令集体系从最早的MIPSIISA开始发展，到MIPSVISA，再到现在的MIPS32和MIPS64结构，其所有版本都是与前一个版本兼容的。MIPS32和MIPS64体系是为满足高性能、成本敏感的需求而设计的。MIPS系列的嵌入式微处理器大量应用在通信网络设备、办公自动化设备、游戏机等消费电子产品中。5主流的嵌入式微处理器MPC/PPC系列嵌入式微处理器主要由Motorola（后来为freescale）和IBM推出：Motorola推出了MPC系列，如MPC8XX；IBM推出了PPC系列，如PPC4XX。MPC/PPC系列的嵌入式微处理器主要应用在通信、消费电子及工业控制、军用装备等领域。5主流的嵌入式微处理器SH系列嵌入式微处理器SuperH是一种性价比高、体积小、功耗低的32位、64位RISC嵌入式微处理器核，它可以广泛的应用到消费电子、汽车电子、通信设备等领域。SuperH产品线包括SH1、SH2、SH2-DSP、SH3、SH3-DSP、SH4、SH5及SH6。其中SH5、SH6是64位的。5主流的嵌入式微处理器X86系列微处理器X86系列的微处理器主要由AMD、Intel、NS、ST等公司提供，如：Am186/88、Elan520、嵌入式K6，386EX、STPC、Intel®AtomTM系列等。主要应用在工业控制、通信等领域，而Intel最近推出的AtomTM处理器则主要在移动互联网设备中得到了应用。主要内容1嵌入式系统的应用领域2嵌入式系统的特点3嵌入式硬件系统的组成4嵌入式微处理器概述5主流的嵌入式微处理器6嵌入式系统的发展趋势

影响嵌入式系统发展的因素基于摩尔定律的大规模集成电路的不断推进互联网技术的飞跃无线通信技术的突破计算机及通信相关软件技术的不断发展完善

嵌入式系统的发展趋势什么是嵌入式系统从定义说起

维基百科(Wikipedia): “Anembeddedsystemisacomputersystemdesignedtoperformoneorafewdedicatedfunctions

oftenwithreal-timecomputingconstraints.”

补充： “Anembeddedsystemisaconnectedcomputersystem

designedtointelligentlyperformoneormorededicatedfunctions

oftenwithreal-timecomputingconstraints.”嵌入式系统的新特性丰富智能互联

不同设备间以IP的方式互联更复杂的数据输入更智能的数据处理更完善的输出反馈更多创新的应用更多灵活的功能组合嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势以信息家电、移动终端、汽车电子、网络设备等为代表的互联网时代的嵌入式系统，不仅为嵌入式市场展现了美好前景，注入了新的生命，同时也对嵌入式系统技术，提出新的挑战：支持日趋增长的功能密度灵活的网络联接轻便的移动应用多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动支持二次开发和动态升级等嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用针对外部联网要求，嵌入系统必需