嵌入式微处理器系统

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2008.10,*,嵌入式微处理器系统,概论,主要参考书：,微处理器,(CPU),的结构与性能 易建勋，清华大学出版社，,2003,嵌入式系统开发圣经,（第二版），探硅工作室，中国铁道出版社,概论,了解处理器的必要性,微处理器概况,处理器工作过程,嵌入式微处理介绍,小结,概论 -必要性（1）,必要性,汽车和发动机,选择最合适的发动机,从份发挥发动机的性能,系统设计的需要,概论 -必要性（,2,）,必要性（续）,手机和处理器,选择最合适的处理器,从份发挥处理的性能,系统设计的需要,概论 -必要性（,3,）,必要性（续）,用好处理器！,概论,了解处理器的必要性,微处理器概况,处理器工作过程,嵌入式微处理介绍,小结,概论 -处理器概况（1）,计算机系统的,发展历程,概论 -处理器概况（,2,）,摩尔定律（,Gordon Moore),每18个月，集成电路的性能将提高一,倍，而其价格将减低一半。,概论 -处理器概况（,3,）,1. CPU (Center Processing Unit),的发展,第一台通用电子计算机,设计者：,J. Presper Eckert & Jon Mauchly,(University of Pennsylvania,),名称：,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator and Calculator,）,时间：二次大战（,1946,年公开）,性能,18000,个真空管、,100 feet * 8.5 feet,20,个,10,位寄存器,“+”,，,200us,用途：计算大炮发射表,概论 -处理器概况（,4,）,1. CPU (Center Processing Unit),的发展,第一个微处理器,4004, Intel, 1971.11,性能,主频：108,kHz,最大寻址：640,K,RAM: 4096 bits for Program,1KX4bits for Data,规模：2250个晶体管,工艺：10,um,价格：200 $,发明人:,Ted Hoff,1968,加盟,Intel,1982,离开,概论 -处理器概况（,5,）,1. CPU,的发展（续）,Pentium 4,性能,主频：3,GHz,数据总线：64,bits,地址总线：36,bits,RAM: 512KB Cache,规模：400,0,多万个晶体管,工艺：0.13,um,价格：,$180,概论 -处理器概况（,6,）,1. CPU,的发展（续）,Core,TM,2 DUO E6700,性能,双核,主频：,2.66GHz,数据总线：64,bits,地址总线：36,bits,RAM: 2MB smart Cache,规模：,1,亿个晶体管,工艺：0.,065um,价格：,$200,概论 -处理器概况（,7,）,1. CPU,的发展（续）,不同阶段的处理器（,X86,）,概论 -处理器概况（,8,）,1. CPU,的发展（续）,X86,发展之路,-,主频,（）,概论 -处理器概况（,9,）,1. CPU,的发展（续）,X86,发展之路,-,规模,（）,概论 -处理器概况（,10,）,1. CPU,的发展（续）,X86,发展之路,-,工艺,（）,概论 -处理器概况（,11,）,2. CPU,的分类,指令系统,CISC,（,Complex Instruction Set Computer,）,Intel X86,AMD K6,TMS320XXX,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,）,PowerPC,ARM,AVR,MIPS,概论 -处理器概况（,12,）,2. CPU,的分类,处理器字长,8,bits,8088, 89C51,16 bits,8086, Ti 54X,32 bits,80486, Ti C3X, C6X,64 bits,Itanium，PowerPC 970,概论 -处理器概况（,13,）,2. CPU,的分类,总线（,BUS,）结构,Von Neumann,（,1944-6,）,定义：指令和数据在同一个物理空间,例：,X86,Harvard,（,Howard Aiken,，,1949,）,定义：指令和数据在不同的物理空间,例：,DSP,概论 -处理器概况（,14,）,2. CPU,的分类（续）,应用方式,MPU,MCU,DSP,应用领域,台式机,CPU,笔记本,CPU,服务器,CPU,嵌入式,CPU,概论 -处理器概况（,15,）,3. CPU,的性能评测,CPI,：执行一条指令所需的平均时钟周期,CPI=,一个程序的,CPU,时钟周期,/,该程序的指令数,CPU,时间,=IC,（指令数）,X CPI /,时钟频率,时钟频率（周期）：由硬件技术决定,CPI,：由处理器组成和指令系统决定,指令数：由指令系统和编译器决定,概论 -处理器概况（,16,）,3. CPU,的性能评测,MIPS,：每秒百万条指令,MIPS=,指令数,/,（指令的执行时间,X 10,6,）,=,时钟频率,/,（,CPI X 10,6,）,执行时间,=,指令数,/,（,MIPS X 10,6,）,MIPS,依赖于指令集,同一台机器的,MIPS,可能因程序而异,MIPS,可能不能反映处理器的性能,概论 -处理器概况（,17,）,3. CPU,的性能评测,MFLOPS,：每秒百万次浮点运算次数,MFLOPS=,浮点运算次数,/,（浮点运算的时间,X 10,6,）,MFLOPS,不能反映处理器的实际性能,通常用来比较浮点运算器的性能,Instruction,数 和,Operation,数可能不一致,概论 -处理器概况（,18,）,4. CPU,制造工艺,工艺发展,加工精度提高-从10,um,到 0.05,um,硅片尺寸进一步加大-从3英寸,到 18英寸,连接材料改变 ,Al,到,Cu,生产环境,每20,cm,2,只,能有一粒微,尘（医院手,术室的100,00倍）,概论 -处理器概况（,19,）,4. CPU,制造工艺（续）,制造材料,硅原料,硅晶体棒 在圆晶上生成的芯片,圆晶规格,目前的标准圆晶直径为200,mm,正在向300,mm,发展,概论 -处理器概况（,20,）,4. CPU,制造工艺（续）,光刻技术,光刻原理,光刻原理和光刻机,目前 0.,045um,技术已经成熟,概论 -处理器概况（,21,）,4. CPU,制造工艺（续）,基本工艺流程,掩模生成,将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感光材料的玻璃上。,光刻与刻蚀工艺,在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。,掺杂工艺,在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器件。,氧化及热处理,将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化硅。,气相沉积工艺,通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形成薄膜层。,概论 -处理器概况（,22,）,5.,提高,CPU,性能的方法,改进指令系统,X86,MMX,3DNow,改进体系结构,流水线,超标量,高速缓存,超线程,多核,概论 -处理器概况（,23,）,5.,提高,CPU,性能的方法,改进加工工艺,减少,CPU,线宽,改进硅材料,采用铜线技术,改进工作环境,降低工作温度,概论 -处理器概况（,24,）,6.,电气参数,工作电压,概论 -处理器概况（,25,）,6.,电气参数,功率,概论 -处理器概况（,26,）,7.,处理器规格,内核,最高主频,总线结构,指令集,数据总线宽度,最大寻址空间,片内外设,中断,定时器,通信单元,数据控制,概论 -处理器概况（,27,）,7.,处理器规格,片内资源,RAM,ROM,片外,封装,电压,功耗,I/O,数据总线,地址总线,概论 -处理器概述（,28,）,8.,主要厂商及产品,Intel X86,，,MSC51,，,Xscale,AMD X86 Compatible,，,K6,VIA -X86 Compatible,Ti DSP,（,TMS320CXXX,）,ADI-DSP,（,ADSP,，,Blackfin),Atmel (AVR),RENESAS (SHXX),概论 -处理器概述（,29,）,8.,主要厂商及产品,Motorola (Freescale) MC6800, PowerPC,IBM- PowerPC 970 (64bits),HP PA,（,DEC MIPS,）,ZIGLOG,（,Z80,，,rabbits4000,）,SUN - UltraSPARC,ARM ARM V3-6,中科院计算所-,Godson（,龙芯）,北大微处理器中心,众志,概论 -处理器概述（,30,）,9.,如何使用处理器手册？,Datasheet,指令集介绍,使用手册,参考设计,概论,了解处理器的必要性,微处理器概况,处理器工作过程,嵌入式微处理介绍,小结,概论,工作过程（,1,）,处理器的基本结构？,概论,工作过程（,1,）,1. CPU,数字部件,ALU,加法器,减法器,比较器,逻辑运算单元,寄存器,D,锁存器,寄存器,移位寄存器,RAM,乘法器,概论,工作过程（,2,）,1. CPU,数字部件,数字部件示意图,概论,工作过程（,3,）,1. CPU,数字部件（续）,加法器,全加器,多位加法如何实现？,如何用加法器实现减运算？,X-Y=X+Y,的补码,Y,的补码=,not Y + 1,概论,工作过程（,4,）,1. CPU,数字部件（续）,乘法器,计算方法（2,X2),计算过程 乘法器结构,概论,工作过程（,5,）,1. CPU,数字部件（续）,D,锁存器,D,触发器的驱动方程？,概论,工作过程（,6,）,1. CPU,数字部件（续）,寄存器,如何访问寄存器中的数据？,概论,工作过程（,7,）,1. CPU,数字部件（续）,移位寄存器,概论,工作过程（,8,）,1. CPU,数字部件（续）,SRAM,概论,工作过程（,9,）,2.,计算机的基本模型,概论,工作过程（,10,）,3. CPU,工作过程（续）,CPU,程序执行过程,概论,工作过程（,11,）,3. CPU,工作过程（续）,CPU,指令执行过程,取指（,IF）-,译码 （,ID） -,执行（,IE） -,写回（,WB）,概论,工作过程（,12,）,3.,CPU,工作过程（续）,CPU,中一条指令执行过程（续）,取指令（,IF),概论,工作过程（,13,）,3.,CPU,工作过程（续）,CPU,中一条指令执行过程（续）,指令译码,（ID),概论,工作过程（,14,）,3. CPU,工作过程（续）,CPU,中一条指令执行过程（续）,指令执行（,IE),概论,工作过程（,15,）,3.,CPU,工作过程（续）,CPU,中一条指令执行过程（续）,写回（,WB),所有指令执行时都有,wb,吗？,概论,了解处理器的必要性,微处理器概况,微处理器工作过程,嵌入式微处理介绍,小结,概论 嵌入式微处理器（,1,）,1.,典型的嵌入式系统,Microprocessor,Address Bus,Data Bus,Status Bus,Glue Logic and,Address Decode,Clock Generation,and Distribution,Real Time Clock,Random Access,Memory - RAM,Read Only,Memory - ROM,( FLASH ),Minimally Requirement for an Embedded System,I/O Interface,( D/A, A/D, Digital ),Communications,Other,Peripheral,Devices,To Outside World,To outside world,To other devices,To host Computer,To User,Watchdog Timer,NMI,概论,嵌入式微处理器（,2,）,2.,嵌入式微处理器？,用与嵌入式系统的处理器！,CPU,MCU,（单片机）,DSP,SOC,嵌入式系统微处理器,（狭义）,概论 -嵌入式微处理器（,3,）,3.,嵌入式系统微处理器的发展,第一个嵌入式处理器：,TMS1000,TI,公司,4,位,ROM,：,1024,字节,RAM: 64 X 4 bits,Input: 4bits,Output: 19,位,成功,8,位嵌入式处理器,8048 -8051,Intel,公司,RAM: 512K,三个,16,位计数,24M Hz,32,个 可编程,I/O,概论 -嵌入式微处理器（,4,）,3.,嵌入式系统微处理器的发展,位宽,4,位,TMS1000, COPS,计算器、遥控器、玩具,8,位,8048, Z8,马达控制、电话录音,16,位,8096,68200,手机、,mp3 .,32,位,ARM, MIPS32 Core,掌上电脑、,PDA,64,位,MIPS 64 Core,多媒体,概论 -嵌入式微处理器（,5,）,3.,嵌入式系统微处理器的发展,复杂度,CPU - MCU (,单片机）,(8086) (8096),MCU - SoC,(c51) (Xscale),Single Core - Multi Core,(C55) (OMAP),概论 -嵌入式微处理器（,6,）,3.,嵌入式系统微处理器的发展,发行方式,CPU,器件 传统处理器,IP Core ARM, MIPS, NIOS,可定制,IP Core Xtensa,(Tensilica),概论 嵌入微处理器（,7,）,4.,特点,速度快,I/O,功能强,功率低,稳定性好,实时性好,体积小,概论 嵌入微处理器（,8,）,设想一下，普通手机电池能够维持,P4,工作,多长时间？,概论 嵌入微处理器（,9,）,5.,主要的嵌入式微处理器,MCU,（传统单片机）,优点,应用广,开发资源丰富,使用方便,成本低,缺点,性能低,概论 嵌入微处理器（,10,）,5.,主要的嵌入式微处理器,X86 (EIA),优点,软件移植方便，开发快捷,软件资源多,功能强大,缺点,体积大,功耗高,实时性差,概论 嵌入微处理器（,11,）,5.,主要的嵌入式微处理器（续）,DSP,优点,速度快,信号处理能力强,缺点,IO,能力弱,开发平台使用不方便,概论 嵌入微处理器（,12,）,5.,主要的嵌入式微处理器（续）,SoC,优点,功能全面,系统设计方便,系统体积小,功耗低,缺点,可裁减性差,概论 嵌入微处理器（,13,）,6. ARM （Advanced RISC Machine),ARM,是什么？,嵌入式,RISC,处理器核。,为什么,ARM,被广泛应用？,简单,便于和各种不同系统结合,成熟,被广泛掌握,低成本,利于市场推广,概论 嵌入微处理器（,14,）,6. ARM （Advanced RISC Machine),（续）,发展历史,第一个,ARM,原型，英国剑桥,Acorn,公司。,基于,ARM,的台式机产品，20世纪80年代后期。,成立,Advanced RISC Machine Limited, 1990,20,世纪90年代，,ARM 32bit,嵌入式,RISC,处理器扩展到世界范围。,提供的解决方案,无线、消费电子和图像应用方面的开放平台。,存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统。,智能卡和,SIM,卡的安全应用。,概论 嵌入微处理器（,15,）,6. ARM （Advanced RISC Machine)（,续）,ARM,的版本,V1, V2, V3, V4 (ARM 7，8，9),V5 (ARM 10),V6 (ARM 11),名称含义,T:,内含16位压缩指令集,Thumb,D:,支持片内,Debug,调试,M:,采用增强型乘法器（,Multiplier),I:,内含嵌入式,ICE,宏单元,E:,具有,DSP,功能,S:,可综合的软核,Software,J: Jazeller,允许直接执行,Java,字节码,概论 嵌入微处理器（,16,）,6. ARM （Advanced RISC Machine)（,续）,ARM,处理器系列特点,V1,基本数据处理（无乘法）,字节、半字和字的,Load/Store,指令,转移指令，软件中断指令,寻址空间：64,MB,V2,乘法和乘加指令,支持协处理器操作指令,快速中断模式,存储器和寄存器交换指令,V3,增加程序状态寄存器和程序状态保存寄存器,异常处理,寻址空间:4,GB,概论 嵌入微处理器（,17,）,6. ARM （Advanced RISC Machine)（,续）,ARM,处理器系列特点（续）,V4-,目前应用最为广泛,增加了16位,Thumb,指令集,完善了软件中断,SWI,的功能,处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作,V5,带有连接和交换的转移,BLX,指令,计数前导零,CLZ,指令,增加了数字信号处理指令,为协处理器提供更多可选择的指令,V6,THUMB,TM,:35%,代码压缩,DSP,扩充：高性能定点,DSP,功能,Jazelle,TM,: Java,性能优化，可提高8倍,Media,扩充：音/视频性能优化，可提高4倍,。,概论 嵌入微处理器（,18,）,6. ARM （Advanced RISC Machine) (,续）,生产,ARM,的厂商及产品,ATMEL,AT91,系列,MCU (ARM7TDMI),Samsung,S3C,系列,PDA,用,MCU(ARM7TDMI),Intel,SA-1110 (strong ARM), Xscale (V5TE),OKI,ML67000,系列,MCU,TI,OMAP ARM7+TMS5510,Sharp,公司,LH77790,手持式产品中的,MPU,Philips,VWS22100 GSM Processor,Hyundai,HMS31C2816 Flash Card Controller,概论 嵌入微处理器（,19,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,Semiconductor Dis-aggregation,概论 嵌入微处理器（,20,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,ARM,最大的,IP,提供商,概论 嵌入微处理器（,21,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,应用广泛,概论 嵌入微处理器（,22,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,发展迅速,概论 嵌入微处理器（,23,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,资源多,概论 嵌入微处理器（,24,）,7.,为什么选择,ARM,作为目标,国内首选,概论 嵌入微处理器（,25,）,7.,如何为嵌入式系统选择处理器,原则：满足系统的最大需求,考虑因素,器件速度,外围接口,片内资源,开发难易程度,体积,功耗,价格,概论,了解处理器的必要性,微处理器概况,微处理器工作过程,嵌入式微处理介绍,小结,概论 小结,学习和应用嵌入式系统必须掌握处理器的相关知识。,CPU,的指令执行过程可以分为四个步骤。,RISC,和,CSIC,各有其优缺点。,CPU,有一些基本的数据部件组成。,嵌入式处理器有其自身的特点。,ARM,时目前应用最为广泛的嵌入式处理器之一。,作业,选择（详细）介绍一款微处理器芯片：,（结合所确定的综合项目）,特点,性能,体系结构,总线,封装,应用领域,本月,10,日前提交到助教（,DOC,），,12,日课堂报告（,PPT,）（挑选,6,种）,