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第二部分 嵌入式硬件系统 第 2章 嵌入式处理器 第 3章 ARM内核与 ARM处理器 第 4章 嵌入式系统的外围设备 第 2章 嵌入式处理器 2.1 嵌入式处理器的基本特征 2.2 嵌入式处理器的种类 2.3 典型嵌入式处理器 2.4 嵌入式处理器的选型方法 2.5 嵌入式处理器的发展趋势 2.6 本章小结 习题 相对通用处理器， 嵌入式处理器 有 5个特点 体积小、集成度高、价格较低 这一特性与嵌入式系统的有限空间约束和较低的成本价格需求 相适应 可扩展的处理器结构 能迅速开发出满足各种应用的最高性能嵌入式系统 功耗很低 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供 电的嵌入式系统时，要求嵌入式处理器的功耗只有 mW甚至 W级 2.1 嵌入式处理器基本特征 2.1 嵌入式处理器基本特征 对实时多任务有很强的支持能力 能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使 内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度 具有功能很强的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为避免 在软件模块之间出现错误后的交叉影响，需要设计强 大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 2.2 嵌入式处理器的种类 对 全 球 嵌入式处理器 的不完全统计： 品种数量超过 1000多种 流行的体系结构达 30余 种 2.2 嵌入式处理器的种类 总体而言， 嵌入式 处理器 分 为四大类型： 图 2-1 嵌入式处理器种类 2.2 嵌入式处理器的种类 1. 嵌入式微处理器 (Micro-Processor Unit， MPU) 由 通用计算机中的 CPU演变而来 MPU与 通用计算机中的 CPU不同之处 在 嵌入式应用中， 将微处理器装配在专门设计的 电路板上 ，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬 件，去除其它的冗余功能部分，这样就以最低的功 耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。 为了满足嵌入式应用的特殊要求 ， 嵌入式微处理 器在 工作温度 、 抗电磁干扰 、 可靠性 等方面 相对 通 用计算机中的 CPU都做了各种增强 。 2.2 嵌入式处理器的种类 2. 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit， MCU)， 又称 为 单片机 MCU特点 单片化 一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了 ROM/EPROM/FLASH 、 RAM 、 总线、总线逻辑、 定时 / 计数器、看门狗、 I/O、 串行口、脉宽调制输出、 A/D、 D/A等各种必要的功能和外设 。 由于单片机 的片上外设资源一般比较丰富 ， 适合于控 制 ， 因此称为微控制器 。 该特点 大大减小了体积 ， 降低了功耗和成本 ， 提高了 可靠性 ，因而成为 目前嵌入式系统的主流 ， 占据 了 嵌 入式系统大约 70%的市场份额 。 2.2 嵌入式处理器的种类 每种 具有多种衍生产品 每种衍生产品的处理器内核一样 ， 不同的是 存储器和外设的配置及封装 使嵌入式微控制器最大限度地 与不同的 应用 需求相匹配 ， 功能齐全又不浪费 ， 减少了功 耗及成本 2.2 嵌入式处理器的种类 MCU种类 通用系列 代表性的包括 8051 、 P51XA 、 MCS-96 /196/296、 C166/167、 MC68HC05/11/12/16、 MC68300等 。 半通用系列 例如，支持 USB接口 、 I2C 、 CAN等 众多专用 MCU 和兼容系列 。 2.2 嵌入式处理器的种类 其它 提供 X86微处理器的著名厂商 AMD公司，将 Am186CC/ CW 等嵌入式处理器称之为 Microcontroller Motorola 公司把以 PowerPC为基础的 PPC505 和 PPC555 亦列入单片机行列 TI 公司亦将其 TMS320C2XXX 系列 DSP作为 MCU 进行推广 2.2 嵌入式处理器的种类 3. 嵌入式 DSP 处理器 (Digital Signal Procssor， DSP ) DSP特点 系统结构 采用 Harvard（ 哈佛）结构和专用的硬件乘法器 指令 系统 快速 DSP指令（属 RISC精简指令集） 适合于对处理器运算速度要求较高 、 向量运算 较 多 的应用领域 。 2.2 嵌入式处理器的种类 DSP典型应用 数字信号处理领域 数字滤波、 快速傅立叶变换 、频谱分析等方面 多媒体信号处理 移动电话、语音识别 MPEG-1、 MPEG-2、 MPEG-4等多媒体播放 系统 智能化嵌入式系统 生物特征识别的终端 带有加密解密算法的键盘等 2.2 嵌入式处理器的种类 DSP种类 一种是 DSP处理器经过单片化、适当改造、增加 片上外设而成 。 例如： TI的 TMS320，它 包括用于控制的 C2000系列 、 移 动通信的 C5000系列 、 以及性能更高的 C6000和 C8000 系 列 另一 种 是在通用单片机或 SOC(System On Chip) 中增加 DSP协处理器 。 例如 ： Intel 的 MCS-296 和 Siemens的 TriCore 。 2.2 嵌入式处理器的种类 4. 嵌入式片上系统 随着电子数据交换 (EDI) 的推广和 VLSI设计的普 及化 ， 以及半导体工艺的迅速发展 ， 在一个硅片上 实现一个更为复杂的系统的时代已经来临 ， 这就是 System On Chip(SOC) 2.2 嵌入式处理器的种类 SOC设计制造 各种通用处理器内核 （包括 IP核） 将作为 SOC设 计公司的标准库 ， 和许多其它嵌入式系统外设一样 ， 成为 VLSI设计中一种标准 器件， 用标准的 VHDL等 语言描述， 存储在器件库中 用户只需定义出其整个应用系统 ， 仿真通过后就 可以将设计图交给半导体工厂制作样品 2.2 嵌入式处理器的种类 SOC优点 系统级集成、 体积减小 一个或多个微处理器核（如 RISC+DSP）输入 /输 出 USB/IEEE 1394/以太网 /GSM/GPRS等通信接口。 功耗 降低 通过改变内部工作电压。 可靠性提高 利用内嵌电路，避免外部电路板在信号传 递时产生 的系统噪声。 2.2 嵌入式处理器的种类 SOC种类 通用系列 包括 Siemens的 TriCore、 Motorola 的 M-Core、 某些 ARM 系列器件、 Echelon和 Motorola 联合研制 的 Neuron芯片等 。 专用系列 代表性的产品是 Philips的 Smart XA， 它将 XA单片 机内核和支持超过 2048位复杂 RSA算法的 CCU单元制 作在同一块硅片上 ， 形成一个可加载 Java 或 C语言专 用 SOC， 可用于公众互如 Internet安全方面 。 2.2 嵌入式处理器的种类 多核 系列 例： TI的 OMAP 组成（见下图） TI的 DSP ARM的 ARM RISC两个核 二维图形加速器 外围控制电路 应用领域 多媒体影音数据处理、语音识别系统、无限通讯、 电子商务等 2.2 嵌入式处理器的种类 多核 系列 例： TI的 OMAP 图 2-2 TI的 OMAP硬件结构图 2.3 典型嵌入式处理器 8051单片机 ARM 68K/Coldfire PowerPC MIPS X86 国产嵌入式处理器 2.3 典型嵌入式处理器 1 8051单片机 经典的 8位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但 功能、性能和片上资源相对 16位 /32位 /64位嵌入式微 控制器也较简单。 最早由 Intel公司推出，其后多家公司购买了 8051的 内核，使得以 8051为内核的 MCU系列单片机在世界 上产量最大、应用也最广泛（ 20个生产厂家， 350个 衍生产品）。 常见型号包括： Intel的 MCS-51系列、 Atmel 的 89C51/52、 89C1051/2051 。 2.3 典型嵌入式处理器 2 ARM ASIC与 IP ASIC:专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit） IP: 知识产权 (Intellectual Property） 或称为 SIP（硅 /半导体知识产权 ) 指芯片电 路 的制作方式或电路图等方面的知识产权。 厂商向拥有技术的 IP Provider直接购买 IP 以缩短 Time-to-Market。 2.3 典型嵌入式处理器 ARM（ Advanced RISC Machines）公司 英国公司 90年代初， ARM率先推出 32位 RISC微处理器芯 片系统 SoC知识产权公开授权概念。 ARM通过出售芯片技术授权而非生产或销售芯 片，建立起新型的微处理器设计生产和销售商业 模式。 IP Provider：出售 ARM RISC构架的微处理器 核心、外围和系统芯片设计技术。 2.3 典型嵌入式处理器 ARM内核及 ARM处理器的特点 小体积、低功耗、高性能而低成本 RISC(Reduced Instruction Set Computer )体系 结构 目前： ARM7 ￥ 70， ARM9 ￥ 100 16/32位双指令集 16位 Thumb指令集：密度高，所占存储空间较 小 32位的 ARM指令集：处理 32位数据时性能较高 全球众多的合作伙伴（见下图） 2.3 典型嵌入式处理器 图 2-3 ARM全球合作伙伴 2.3 典型嵌入式处理器 ARM产品系列 包括 ARM7、 ARM9、 ARM10和 SecurCore、 StrongARM、 XScale等 ARM7：低功耗的 32位核，适用于对价位和功耗敏 感的产品。 ARM9：集成度较高，集成了 TFT LCD控制器、 USB Host以及各种存储卡接口，其功能已相当于嵌 入式微控制器。 SecurCore：是专为安全需要而设计 XScale ： Intel目前主要推广的一款 ARM微处理器 系统，提供较强的多媒体功能和网络通讯功能。 2.3 典型嵌入式处理器 ARM应用领域 已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消 费嵌入式解决方案的 RISC标准。 例： PDA:Compaq的 iPAQ H3630、 HP的 Jornada 720、联想的天玑 5100均采用 Intel 的 StrongARM SA-1110（ 206MHz） 移动通信： HP iPAQ hw6515 GPS 全智能 手机采用 Intel的 PXA270处理器（ 312MHz ） 2.3 典型嵌入式处理器 3 68K/Coldfire Motorola 68000(68K)比 INTEL的 8088还要早。 Coldfire是 68K的低成本替代产品 68K/Coldfire主要应用于对实时性和可靠性要求较高 的工业控制领域 2.3 典型嵌入式处理器 4 PowerPC PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活 品种多，通用处理器 &嵌入式控制器和内核 例如 IBM公司的 PowerPC 405 GP是一个集成 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的高性能嵌入式处理器 Motorola MPC823e微处理器是一个高度综合的片 上系统（ SOC）设备。 2.3 典型嵌入式处理器 PowerPC应用范围 非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算 机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所 不包。 2.3 典型嵌入式处理器 5 MIPS MIPS公司 Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages技术公司，是一家设计制造高性能、高档次及 嵌入式 32位和 64位处理器的厂商，在 RISC处理器方 面占有重要地位。 MIPS公司设计 RISC处理器始于 80 年代初，后来 MIPS公司的战略发生变化，把重点放 在嵌入式系统， 1999年 MIPS公司发布 MIPS 32和 MIPS 64架构标准，为未来 MIPS处理器的开发奠定了 基础 。 2.3 典型嵌入式处理器 MIPS特点 属于高性能、高处理能力的高端嵌入式处理器。 目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵。 2.3 典型嵌入式处理器 6 X86 众所周知的微处理器，起源于 Intel架构的 8080。 常见的 X86系列有 386EX和 486DX，板级形式如 PC104。 特点： CPU处理能力很强，适用于高端应用领域。 2.3 典型嵌入式处理器 7国产嵌入式处理器 方舟： (ARCA) 2001年 7月， 中芯微系统公司研制 出“方舟一号” 主要应用于网络计算机、宽带智能终端、交换机等， 如神州数码、联想、美国慧智公司等的网络计算 机 。与国外其它指令集不兼容，不支持高级的 OS。 龙芯： (GODSON ， 小名狗剩 ) 2002年 9月 28号，中科院计算所研制。与 MIPS 有些渊源。 通知 周五停课 结课时间顺延到 12周的周五。 2.4 嵌入式处理器的选型方法 主要包括以下 4项选型原则： (1)根据具体应用领域选择 MPU/MCU/DSP/ SoC中的 一种。例如： 在高端数据处理应用领域，常选用嵌入式微处 理器。 在实时控制领域，多选用嵌入式微控制器。 在数字图像处理、多媒体信息设备等领域，往 往选用嵌入式 DSP处理器或带有 DSP内核的嵌入 式片上系统 。 2.4 嵌入式处理器的选型方法 (2)根据具体应用功能需求、性能指标、运行环境和成 本预算等查找厂商提供的该类嵌入式处理器芯片的 Datasheet等资料，选择芯片的具体型号和配置参数。 2.4 嵌入式处理器的选型方法 (3)关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评 估板。 ICE等调试工具有助于很大程度缩短调试周期、 降低调试难度。 评估板用于验证自己的选型决策是否正确。 (4)对于 32位及以上 嵌入式处理器 ，关注是否有合适的 嵌入式操作系统支持。 2.5 嵌入式处理器的发展趋势 (1) 集成化与微型化 体现在片上资源及功能的集成化、体积的微型化 例如 : 嵌入式微处理器 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器 嵌入式片上系统 2.5 嵌入式处理器的发展趋势 (2) 高性能与低成本 高性能 嵌入式 处理器 主频 将 越来越高 加强 对多媒体方面的支持 多核体系结构的发展 另一方面成本将越来越低 。 2.5 嵌入式处理器的发展趋势 (3) 低功耗 低功耗的发展趋势将与移动通信设备、手持设备、 多媒体数字消费产品等嵌入式系统日益增长的市场 需求相适应 例如： 低工作电压（ 5V 3.3V） 动态调整电压与频率 2.5 嵌入式处理器的发展趋势 (4) 硬件功能实现的可编程化 例如：采用 FPGA实现嵌入式处理器的某些功能， 其优点包括 应用领域广泛 调试修改方便 实现成本低 2.6 本章小结 嵌入式处理器： 嵌入式 硬件 系统核心部件 基本特征 种类与典型系列 选型方法 发展趋势 习题 1.嵌入式处理器通常划分为哪四大类型？列举出每种 类型的典型嵌入式处理器的型号系列名称。 2.自己使用的手机通讯工具中使用的是何种类型型号 的嵌入式处理器？ 3.如何进行嵌入式处理器的选型？ ARM Advanced RISC Machines IP（ Intellectual Property） 知识产权。硅知识产权核是用于 ASIC、 ASSP、 PLD等当中， 并且是预先设计好的电路功能模块。 IP核分为软核、硬核 和固核 Fabless (无生产线） RISC Reduced Instruction Set Computer 精简指令集计算机 ARM： RISC处理器 IP核 Fabless ARM微处理器的特点 体积小、低功耗、低成本、高性能 支持 Thumb（ 16位） /ARM（ 32位）双指令集 大量使用寄存器，指令执行速度更快 大多数数据操作都在寄存器中完成 寻址方式灵活简单，执行效率高 指令长度固定 ARM微处理器系列 ARM7 ARM9 ARM9E ARM10E ARM11 SecurCore Intel的 StrongARM、 Xscale 目前仍在不断发展 ARM7系列微处理器 (1) 特点： 低功耗 嵌入式 ICE RT逻辑 0.9MIPS/MHz的 3级流水线 结构 32位 ARM指令集和 16位的 Thumb指令集 主频最高可达 130MHz ICE： In Circuit Emulation，在电路仿真 MIPS： Million Instruction Per Second 每秒百万条指令 ARM7系列微处理器 (2) 类型： ARM7TDMI ARM7TDMI-S ARM720T ARM7EJ TDMI的基本含义为： T： 支持 16位压缩指令集 Thumb D： 支持片上 Debug M：内嵌硬件乘法器（ Multiplier） I： 嵌入式 ICE，支持片上断点和调试点 ARM7系列微处理器 (3) 典型芯片： ATMEL: AT91M40800/55800A Samsung: S3C44B0/4510B ST: STR710 x ARM9系列微处理器 (1) 特点： 1.1MIPS/MHz的哈佛结构， 5级流水线 32位 ARM指令集和 16位 Thumb指令集 支持 32位的高速 AMBA总线接口 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS等多种主流嵌入式操作系统 支持数据 Cache和指令 Cache，具有更高的指令 和数据处理能力 MMU： Memory Management Unit ARM9系列微处理器（ 2） 类型： ARM920T ARM922T ARM940T ARM9系列微处理器（ 3） 典型芯片： ATMEL: AT91RM9200（ ARM920T） Samsung： S3C2410（ ARM920T） TI: OMAP5910（ ARM925 + C55x） DaVinci（ ARM926EJ-S + C64x） ARM9E系列微处理器 ARM9E系列微处理器为可综合处理器，使用单 一的处理器内核提供了微控制器、 DSP、 Java应用系 统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复 杂程度。 ARM9E系列微处理器提供了增强的 DSP处理 能力，很适合于那些需要同时使用 DSP和微控制器的 应用场合。 ARM9系列微处理器主要应用于下一代无线设备、 数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络 设备等领域。 ARM9E系列微处理器包含 ARM926EJ-S、 ARM946E-S和 ARM966E-S三种类型，以适用于不同 的应用场合。 ARM9E系列微处理器 ARM9E系列微处理器的主要特点如下： 支持 DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的 场合。 5级流水线，指令执行效率更高。 支持 32位 ARM指令集和 16位 Thumb指令集。 支持 32位的高速 AMBA总线接口。 支持 VFP9浮点处理协处理器。 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS等多种主流嵌入式操作系统。 MPU支持实时操作系统。 支持数据 Cache和指令 Cache，具有更高的指令和数 据处理能力。 主频最高可达 300MIPS。 ARM10E系列微处理器 ARM10E系列微处理器具有高性能、低功耗的特 点，由于采用了新的体系结构，与同等的 ARM9器 件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近 50 ，同时， ARM10E系列微处理器采用了两种先进 的节能方式，使其功耗极低。 ARM10E系列微处理器主要应用于下一代无线设 备、数字消费品、成像设备、工业控制、通信和信 息系统等领域。 ARM10E系列微处理器包含 ARM1020E、 ARM1022E和 ARM1026EJ-S三种类型，以适用于不 同的应用场合。 ARM10E系列微处理器 ARM10E系列微处理器的主要特点如下： 支持 DSP指令集，适合于需要高速数字信号处理的场合。 6级整数流水线，指令执行效率更高。 支持 32位 ARM指令集和 16位 Thumb指令集。 支持 64位的高速 AMBA总线接口。 支持 VFP10浮点处理协处理器。 全性能的 MMU，支持 Windows CE、 Linux、 Palm OS 等多种主流嵌入式操作系统。 支持数据 Cache和指令 Cache，具有更高的指令和数据 处理能力 主频最高可达 400MIPS。 内嵌并行读 /写操作部件。 ARM11E系列微处理器 ARM公司在 2003年 4月 29日宣布了其下一代 ARM 架构的 CPU ARM11（又名 Jaguar），基于 ARM11 的微处理器具有更强的性能，尤其是多媒体处理能力。 ARM11微处理器采用 0.13微米工艺，低端产品运 行在 350MHz 500MHz，高端产品运行在 533 750MHz，如果将加工工艺减小到 0.10微米，那么芯片 速度将达 1GHz。 目前的 ARM7和 ARM9内核的芯片最大速度只能到 400MHz。目前最快的嵌入式处理器为 Intel的 Xscale， 最高主频为 500MHz。 SecurCore系列微处理器 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，因此， SecurCore系列微处理器除了具有 ARM体系结构的低 功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提 供了对安全解决方案的支持。 SecurCore系列微处理器主要应用于一些对安全 性要求较高的应用产品及应用系统，如电子商务、电 子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 SecurCore系列微处理器包含 SecurCore SC100、 SecurCore SC110、 SecurCore SC200和 SecurCore SC210四种类型，以适用于不同的应用场合。 SecurCore系列微处理器 SecurCore系列微处理器除了具有 ARM体系结构各种 主要特点外，还在系统安全方面具有如下的特点： 带有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据 的安全。 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。 Intel的 StrongARM、 Xscale系列微处理器 Intel公司推出的面向无线移动终端开发的体系结构 “ Personal Internet Client Architecture (PCA)” 是一个开放的 嵌入式系统开发应用平台，它以 XSCALE系列嵌入式处理器为 核心，支持 Linux、 WinCE NET和 VxWorks等操作系统，是 一个理想的面向无线互连的应用平台。 Xscale 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 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。 Intel这款芯片技术已出售给 Marvell公司。 典型芯片： PXA250/255/270/272 ARM微处理器的体系结构（ 1） RISC体系结构特点： 在进行指令系统设计时，只选择使用频率很高的指令， 在此基础上增加少量能有效支持操作系统和高级语言 实现以及其他功能的指令，使指令条数大大减少 采用固定长度的指令格式，指令归整、简单、基本寻 址方式有 2 3种 使用单周期指令，便于流水线操作执行 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器进行操作， 只有加载 /存储指令可以访问存储器，以提高指令的 执行效率 为提高指令执行速度，大部分指令直接采用硬件电路 实现，少量采用微码实现 ARM微处理器的体系结构（ 2） ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保 证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低 功耗。 大多数的指令都可根据前面的执行结果决定是否 被执行，从而提高指令的执行效率 可用加载 /存储指令批量传输数据，以提高数据 的传输效率 可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移 位处理 在循环处理中使用地址的自动增减来提高运行效 率 ARM微处理器的应用选型 ARM微处理器内核的选择 运行 Windows CE、 Linux ARM720T以上带有 MMU ARM720T、 ARM920T、 ARM922T、 ARM946T、 Xscale 运行 uCLinux、 RTLinux、 uC/OS II ARM7TDMI 无操作系统时，不受此限制。 ARM微处理器的应用选型 系统的工作频率 片内存储器的容量 片内外围电路 USART（ UART/SCI）、 IIC、 SPI、 USB （ HOST/DEVICE)、 IrDA、 Ethernet（ MAC）、 IIS/AC97、 LCD、 Keypad、 RTC、 ADC、 DAC、 DSP协处理器等 生产商的选择 ARM应用系统开发工具 CodeWarrior for ARM Developer Suite（ ADS) Editor|Compiler|Linker|Debugger ARM Multi-ICE In Circuit Emulator Multi-ICE Server 建立工程，编辑源 文件 配置汇编器、编译器、链接器、调试器 AXD调试器 ARM应用系统软件开发过程 指令集模拟器 (Armulator) 驻留监控软件 (Angel) 在线调试器 (AXD) ARM应用系统软件调试方法 ARM7TDMI体系结构图 ARM7TDMI引脚图 S3C4510框图 进一步阅读 ARM微处理器系列 ARM体系结构版本和变量 指令流水线 ARM7TDMI处理器 ARM920T处理器