嵌入式处理器原理及应用

电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式处理器原理及应用嵌入式处理器原理及应用桂盛霖桂盛霖13882205728shenglin_电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心课程简介课程简介 嵌入式系统有广泛的应用领域和应用前嵌入式系统有广泛的应用领域和应用前景，如数字电视、便携式终端、手机、工业景，如数字电视、便携式终端、手机、工业控制、军事电子、汽车、航空航天、仪器仪控制、军事电子、汽车、航空航天、仪器仪表、家用电器等。而以嵌入式处理器为核心表、家用电器等。而以嵌入式处理器为核心构建嵌入式应用系统是当今及未来嵌入式系构建嵌入式应用系统是当今及未来嵌入式系统技术发展的主流。统技术发展的主流。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心课程简介课程简介 本课程讲授微处理器本课程讲授微处理器ARMARM的体系结构、指的体系结构、指令系统及其汇编语言程序设计，令系统及其汇编语言程序设计，SOCSOC嵌入式处嵌入式处理器的内部结构、组成、特点、外围电路，理器的内部结构、组成、特点、外围电路，嵌入式嵌入式C C语言程序设计的特点，以及语言程序设计的特点，以及ARMARM汇编汇编语言和语言和C C语言的混合程序设计；了解嵌入式系语言的混合程序设计；了解嵌入式系统底层软件（包括系统启动加载软件、设备统底层软件（包括系统启动加载软件、设备驱动软件等）的开发方法，并能利用嵌入式驱动软件等）的开发方法，并能利用嵌入式处理器进行软硬件的综合设计和实现。处理器进行软硬件的综合设计和实现。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心课程安排课程安排 学时数：学时数：3232学时学时 (第第8 8周左右结束周左右结束)上机实验：上机实验：8 8学时学时(第第4-54-5周左右周左右)课外实验：提交实验报告和实验过程课外实验：提交实验报告和实验过程 课程考核包含课程考核包含平时作业平时作业、半期考试半期考试、课程课程实验实验、期末考试期末考试等四个部分：等四个部分：平时作业平时作业10%10%+半期考试半期考试10%10%+课程实验课程实验20%20%+期末考试期末考试60%60%电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式处理器原理及应用嵌入式处理器原理及应用第一章第一章 嵌入式硬件系统概述嵌入式硬件系统概述电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的一般定义嵌入式系统的一般定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机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。要求的专用计算机系统。嵌入式系统是将先进的计算机技术、半嵌入式系统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。相结合后的产物。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 通用计算机与嵌入式系统对比通用计算机与嵌入式系统对比 特征特征通用计算机通用计算机嵌入式系统嵌入式系统形式和类型“看得见看得见”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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域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、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：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，2013年1月23日，市场研究公司IC Insights发布报告称，今年全球移动终端、PC、服务器和嵌入式设备使用的微处理器出货量，将增长到21.8亿片左右。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%。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 在消费电子领域：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；固定电话今后会被IP电话所替代；各种家用电器（电视机、冰箱、微波炉、电话等）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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 在通信领域：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：ADSL Modem/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ADSL Router而言，国外现在每月需要600K的数量。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域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：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BMW 7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。IC Insights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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心1 嵌入式系统的应用领域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嵌入式计算机系统的应用示例汽车电子控制系统 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 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结构的支持 嵌入式系统通常有诸多限制，如成本、体积、实嵌入式系统通常有诸多限制，如成本、体积、实时性和可靠性的要求等时性和可靠性的要求等 嵌入式系统使用的操作系统一般是适应多种处理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、可固化的嵌入器、可剪裁、轻量型、实时可靠、可固化的嵌入式操作系统式操作系统 嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法嵌入式系统开发需要专门工具和特殊方法 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心形式多样、面向特定应用形式多样、面向特定应用 一般用于特定的任务或特定的领域，其硬件和软一般用于特定的任务或特定的领域，其硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，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。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。它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点。嵌入式软件是应用程序和操作系统两种软件的一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。体化程序。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心得到多种类型的处理器支持得到多种类型的处理器支持 通用计算机采用少数的处理器类型和体系结构，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。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嵌入式系统可采用多种类型的处理器和处理器体系结构。系结构。在嵌入式微处理器产业链上，在嵌入式微处理器产业链上，IPIP设计、面向应用设计、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。成巨大的产业。大家分工协作，形成多赢模式。现在有上千种的嵌入式微处理器和几十种嵌入式现在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。微处理器体系结构可以选择。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心关注成本关注成本嵌入式系统通常需要注意的成本是系统成本，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。品竞争的关键因素之一。嵌入式的系统成本包括嵌入式的系统成本包括:一次性的开发成本一次性的开发成本NRE(Non-Recurring Engineering)成本成本 产品成本产品成本:硬件硬件BOM、外壳包装和软件版税等、外壳包装和软件版税等 批量产品的总体成本批量产品的总体成本=NRE成本成本+每个产品成本每个产品成本*产品总量产品总量 每个产品的最后成本每个产品的最后成本=总体成本总体成本/产品总量产品总量=NRE成本成本/产品总量产品总量+每个产品成本每个产品成本电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心实时性和可靠性的要求实时性和可靠性的要求大多数嵌入式系统都有实时性的要求，软件一大多数嵌入式系统都有实时性的要求，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。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。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。保护和重启动机制。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式操作系统嵌入式操作系统嵌入式操作系统也是多姿多彩的。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类的嵌入式微处理器。可根据应用的情况进行剪裁、配置。剪裁、配置。嵌入式操作系统规模小，所需的资源有限如内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核规模在几十KBKB，能与应用软件一样固化运行。，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。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、数据隔离高可靠嵌入式操作系统：时、空、数据隔离电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心开发需要专门工具和特殊方法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：计和开发，其开发过程一般分为几个阶段：产品定义产品定义软件与硬件设计与实现软件与硬件设计与实现软件与硬件集成软件与硬件集成产品测试与发布产品测试与发布维护与升级维护与升级 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心开发需要专门工具和方法开发需要专门工具和方法由于嵌入式系统资源有限，一般不具备自主开发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。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（包括编译、调该开发环境包括专门的开发工具（包括编译、调试、测试等工具），采用试、测试等工具），采用交叉开发交叉开发的方式进行：的方式进行：电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成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、存核心，主要由嵌入式微处理器、总线、存储器、输入储器、输入/输出接口和设备组成。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。结合在一起形成系统特定的一体化软件。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 回忆微处理器概念？回忆微处理器概念？微处理器微处理器Microprocessor=?处理器处理器 Processor=？CPU？Amicroprocessorisaprocessorthatusesverysmallintegratedcircuitry,i.e.ititselfisverysmall.BeforethedevelopmentandcontinuedshrinkingofICdevicesaprocessorwasalargemachineaboutthesizeofarefrigerator.Theyhadtobeprogrammedmanuallyandcouldonlyrunoneprogramatatime.Whenyouwantedtorunadifferentprogramyouhadtorewiretheprocessortoreprogramit.电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成ACPUisthemainprocessorinsideacomputer.Itusedtohandleeverything.Nowadaysitslefttohandleonlythemostimportantsystemfunctions,whileotherprocessorsarespecializedtohandleotherthings.AgoodexampleisthegraphicsprocessororGPU.20yearsagotheCPUhandledgraphicswithverylittleoutsidehelp.NowalmostalloftheworkistakencareofbytheGPUinstead.AllmodernCPUsaremicroprocessors.Amicroprocessorissimplyatinyprocessor,soallmicroprocessorsareprocessors.Butnotallprocessorsaremicroprocessors,andnotallmicroprocessorsareCPUs.电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 总线是总线是CPUCPU与与存储器存储器和和设备设备通信的机制，是计通信的机制，是计算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的算机各部件之间传送数据、地址和控制信息的公共通道公共通道。片内总线或内部总线：连接片内总线或内部总线：连接CPUCPU内部各主要内部各主要功能部件，以构成功能部件，以构成SoCSoC片外总线：片外总线：SoCSoC与存储器（与存储器（RAMRAM和和ROMROM）和）和I/OI/O接口之间进行信息交换的通道接口之间进行信息交换的通道数据总线数据总线DbusDbus地址总线地址总线AbusAbus控制总线控制总线CbusCbus总总线线分分类类电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成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、OCP、WISHBONE等 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 嵌入式系统存储器嵌入式系统存储器 嵌入式系统的存储器包括主存和外存。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、Nor Flash、SRAM、DRAM等存储器件。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（Disk On Chip）、NandFlash、CompactFlash、SmartMedia、Memory Stick、MultiMediaCard、SD（Secure Digital）卡等。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 嵌入式系统输入嵌入式系统输入/输出接口及设备输出接口及设备 嵌入式系统的一些输入/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（watchdog timers）、RTC、UARTs、PWM（Pulse width modulator）、AD/DA、显示器、键盘和网络等。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构 ：可以分为冯：可以分为冯诺依曼（诺依曼（Von NeumannVon Neumann）结构或哈佛）结构或哈佛（HarvardHarvard）结构两大类。）结构两大类。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 嵌入式微处理器嵌入式微处理器的指令集的指令集 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和或复杂指令集系统CISC两大类。分类分类比较项目比较项目CISCRISC指令集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控制单元微码直接执行寻址模式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数目寄存器较少寄存器较多性能性能减少代码尺寸，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，增加代码尺寸电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器特点嵌入式微处理器特点体系结构体系结构指令集指令集性能性能功耗和管理功耗和管理成本成本集成度集成度电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的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用于桌面和服务器的微处理器的芯片内部通常只包括只包括CPUCPU核心、核心、CacheCache、MMUMMU、总线接口等部、总线接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、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。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嵌入式微处理器除了集成CPUCPU核心、核心、CacheCache、MMUMMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如和设备，如中断控制器中断控制器、DMADMA、定时器定时器、UARTUART等。等。符合嵌入式系统的低成本和低功耗需求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。价格更低，功耗更少。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器的集成度 嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的的组件的数目和种类组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。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，外设接口外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口串口，并口)LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，中断控制器，DMA控制器，协处理器控制器，协处理器 定时器，定时器，A/D、D/A转换器转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线总线 其他标准接口或外设其他标准接口或外设电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的集成度嵌入式微处理器的集成度华邦华邦W90P710芯芯片的片的内部内部结构结构 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的体系结构嵌入式微处理器的体系结构 算术格式（算术格式（Arithmetic FormatArithmetic Format）由于由于低成本低成本和和低功耗低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定定点运算点运算（fixed-point arithmetic），即数值被表示为整数或在），即数值被表示为整数或在1.0和和1.0之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版本的芯片便宜。本的芯片便宜。当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟软件模拟的方式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。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（功能单元（Functional UnitsFunctional Units）通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个ALU、移位、移位器和器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。，处理器通常用一条指令完成乘法操作。流水线（流水线（PipelinePipeline）通常采用通常采用单周期执行指令单周期执行指令，可能导致比较长的流水线，可能导致比较长的流水线 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的指令集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集一般要针对特定领域的应用进行剪裁和扩充剪裁和扩充。目前很多应用系统需要类似于目前很多应用系统需要类似于DSPDSP的数字处理功的数字处理功能。这些指令主要有：能。这些指令主要有：乘加乘加(MAC)(MAC)操作操作：它在一个周期中执行了一次乘法运算：它在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算。和一次加法运算。SIMDSIMD类操作类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流：允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算。的计算。零开销的循环指令零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。：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。提供循环次数，另一条是循环体。多媒体加速指令多媒体加速指令：像素处理、多边形、：像素处理、多边形、3D操作等指令。操作等指令。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的性能嵌入式微处理器的性能 低端（低价，低性能）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一般低端嵌入式微处理器的性能最多达到50MIPS，应，应用在对性能要求不高但对用在对性能要求不高但对价格和功耗价格和功耗有严格要求的应有严格要求的应用系统中。用系统中。中档，低功耗中档，低功耗 中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如中档的嵌入式微处理器可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加以上），采用增加时钟频率时钟频率、加深流水深度加深流水深度、增加增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持及一些额外的功能块来提高性能，并保持低功耗低功耗。高端高端 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的性能嵌入式微处理器的性能 高端嵌入式微处理器用于高端嵌入式微处理器用于高强度计算高强度计算的应用，的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度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：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。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：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持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(very large instruction word)来实现，这样只需较少的硬件，总体来实现，这样只需较少的硬件，总体价格会更低些。例如价格会更低些。例如TI的的TMS320C6201芯片，通过使用芯片，通过使用VLIW方法，能在每个周期同时执行方法，能在每个周期同时执行8条独立的条独立的32位指令。位指令。使用多核使用多核：采用多核的方式满足应用系统的更高要求。一些：采用多核的方式满足应用系统的更高要求。一些嵌入式微处理器支持多核，如嵌入式微处理器支持多核，如TI的的OMAP730包括了三个处理包括了三个处理器核器核ARM9、ARM7、DSP。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的功耗管理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供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷却设备。却设备。降低工作电压降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，而且这个数值一直在下降。提供不同的时钟频率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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的功耗管理嵌入式微处理器的功耗管理 提供功耗管理机制提供功耗管理机制 运行模式运行模式（Running Mode）：处理器处于全速运行状态下。待命模式待命模式（Standby Mode）：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。时钟关闭模式时钟关闭模式（clock-off mode）：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影响功耗的其他因素还有总线总线（特别是总线转（特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）和和存储器的大小存储器的大小（如果使用（如果使用DRAM，它需要不，它需要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存储器断的刷新）。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要保持在应用系统可接受的最小规模。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的成本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。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价格受如下因素影响:处理器的特点处理器的特点：功能块的数目、总线类型等。片上存储器的大小片上存储器的大小。芯片的引脚数引脚数和封装形式封装形式：如PQFP(Plastic Quad Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜。芯片大小芯片大小（die size）：取决于制造的工艺水平。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式微处理器的成本嵌入式微处理器的成本 代码密度代码密度（code density）：同样的一段代码，对于不同的单片机来说，编译之后多数情况下占用的空间是不相同的。占用的空间越大，则说明代码密度越低，反之异然。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；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，因为其指芯片拥有简单的结构，代码密度低，因为其指令集简单；令集简单；VLIW代码密度最低，因为它的指令字倾向于采用多代码密度最低，因为它的指令字倾向于采用多字节。字节。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器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。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种总量已经超过千种，有几十种嵌入式微处理器体系体系 主流的体系有主流的体系有ARMARM、MIPSMIPS、PowerPCPowerPC、SHSH、X86X86等。等。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 ARMARM系列嵌入式微处理器系列嵌入式微处理器 ARM(Advanced RISC Machine)是一种32位RISC结构的CPU ARM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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 ARMARM系列嵌入式微处理器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系列的CPU目前仍然是ARM芯片的主要开发版本。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 MIPSMIPS系列嵌入式微处理器系列嵌入式微处理器 MIPS是由斯坦福（Stanford）大学John Hennery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”(Microprocessor without interlocked piped stages)，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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 MIPSMIPS系列嵌入式微处理器系列嵌入式微处理器 MIPS的指令集体系从最早的MIPS I ISA开始发展，到MIPS V ISA，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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 MPC/PPCMPC/PPC系列嵌入式微处理器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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 SHSH系列嵌入式微处理器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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 X86X86系列微处理器系列微处理器 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。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心主要内容主要内容 1 1 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统的应用领域 2 2 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点 3 3 嵌入式硬件系统的组成嵌入式硬件系统的组成 4 4 嵌入式微处理器概述嵌入式微处理器概述 5 5 主流的嵌入式微处理器主流的嵌入式微处理器 6 6 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心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：系统技术，提出新的挑战：支持日趋增长的功能密度支持日趋增长的功能密度灵活的网络联接灵活的网络联接轻便的移动应用轻便的移动应用多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好多媒体的信息处理、低功耗、人机界面友好互动互动支持二次开发和动态升级等支持二次开发和动态升级等电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大嵌入式系统联网成为必然趋势，驱动了大量新的应用量新的应用针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接针对外部联网要求，嵌入系统必需配有通信接口，需要口，需要TCP/IP协议簇软件支持。协议簇软件支持。针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具针对内部联网要求，新一代嵌入式系统还需具备备IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或或IrDA通信接口，同时也需要提供相应的通信组通信接口，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。网协议软件和物理层驱动软件。为了支持网络交互的应用，还需内置为了支持网络交互的应用，还需内置XML浏览浏览器和器和Web Server。电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心互联的价值互联的价值 嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、嵌入式设备的互联性可提高对各种服务、内容和信息的访问能力内容和信息的访问能力 为动态修改嵌入式软件提供了可能，如为动态修改嵌入式软件提供了可能，如:修改系统代码或修改系统代码或“固件固件”增添新的应用软件模块增添新的应用软件模块 增强了系统和设备的可管理性增强了系统和设备的可管理性电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 面向应用领域的、高度集成的、以面向应用领域的、高度集成的、以3232位嵌入式位嵌入式微处理器为核心的微处理器为核心的SOCSOC（System On ChipSystem On Chip）将）将成为应用主流成为应用主流 SoCSoC给系统带来高性能之外更多更重要的好处给系统带来高性能之外更多更重要的好处 稳定性、体积、散热、功耗稳定性、体积、散热、功耗 处理器处理器外设外设存储器存储器I/O“System on board”“System on chip”USB以太网以太网memory电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式应用软件的开发需要强大的开发嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持工具和操作系统的支持采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。保障软件质量和缩短开发周期。嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采嵌入式操作系统将在现有的基础上，不断采用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的用先进的操作系统技术，结合嵌入式系统的需求向需求向:可适应不同的嵌入式硬件平台可适应不同的嵌入式硬件平台具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好具有可移植、可伸缩、功能强大、可配置、良好的实时性、可靠性、高可用方向发展的实时性、可靠性、高可用方向发展 电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式开发工具嵌入式开发工具支持多种硬件平台支持多种硬件平台覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段覆盖嵌入式软件开发过程各个阶段高效高效高度集成的工具集方向发展高度集成的工具集方向发展Requirement AnalysisSoftware DesignCodingTestRelease嵌入式软件开发基本过程嵌入式软件开发基本过程电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台形成行业的标准：行业性嵌入式软硬件平台嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象嵌入式系统是以应用为中心的系统，不会象PC一样只一样只有一种平台。有一种平台。吸取吸取PC的成功经验，形成不同行业的标准。的成功经验，形成不同行业的标准。统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重统一的行业标准具有开放、设计技术共享、软硬件重用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强用、构件兼容、维护方便和合作生产的特点，是增强行业性产品竞争能力的有效手段。行业性产品竞争能力的有效手段。如欧共体汽车产业联盟规定以如欧共体汽车产业联盟规定以OSEK标准作为开发汽车标准作为开发汽车嵌入式系统的公用平台和应用编程接口嵌入式系统的公用平台和应用编程接口电子科技大学嵌入式软件工程中心电子科技大学嵌入式软件工程中心嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展嵌入式系统向新的嵌入式计算模型方向发展 支持自然的人机交互和互动的、图形化、多支持自然的人机交互和互动的、图形化、多媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、媒体的嵌入式人机界面。操作简便、直观、无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主无须学习。如司机操纵高度自动化的汽车主要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。要还是通过习惯的方向盘、脚踏板和操纵杆。支持分布式、网络化、云计算等。与其他嵌支持分布式、网络化、云计算等。与其他嵌入式系统和通用计算机系统互联构成分布式入式系统和通用计算机系统互联构成分布式计算环境。计算环境。高性能、高可靠、低功耗、低成本是永恒的高性能、高可靠、低功耗、低成本是永恒的主题。主题。