嵌入式處理器

1、1嵌入式處理器東北大學信息學院遼寧省嵌入式軟件技術工程中心鄧慶緒2內容1. 嵌入式系統(tǒng)的硬件組成2. 嵌入式處理器的技術指標3. 典型的嵌入式處理器4. 如何選擇嵌入式處理器5. 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計方法34嵌入式處理器處理器的種類1. 通用處理器2. 嵌入式微控制器3. 嵌入式微處理器4. 數(shù)字信號處理器5. SOC6. 可編程器件1. PLD集成了處理器/控制器/DSP單元2. FPGA7. 多核處理器（ARM和DSP 集成在一起的，SMP）5其它子系統(tǒng)1. 存儲器子系統(tǒng)2. IO子系統(tǒng)3. 附屬電路子系統(tǒng)4. 調試子系統(tǒng)6嵌入式處理器 嵌入式微處理器嵌入式微處理器(Embedded

2、Microprocessor Unit, EMPU) 嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求。 在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。 7嵌入式處理器 嵌入式微處理器嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點

3、。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等 它結合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，像ARM RISC、MIPS RISC或其他的微處理器核心，加上通信接口單元，像通用串行端口（USB）、TCP/IP通信單元、GPRS通信接口、WIFI藍牙模塊接口等等，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。 8嵌入式處理器 嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般

4、以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。 和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。 9嵌入式處

5、理器 數(shù)字信號數(shù)字信號處理器處理器( Digital Signal Processor, DSP) DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)展來源，一是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000 /C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和I

6、nfineon(Siemens)的TriCore。 推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤， ADSL 接入、實時語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP 處理器的長處所在。 10嵌入式處理器 數(shù)字信號處理器( Digital Signal Processor, DSP) DSP處理器比較有代表性的產品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。 TMS320系列處理器包括

7、用于控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上制造的R. E. A. L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產品。 11嵌入式處理器馮馮.諾依曼結構諾依曼結構VS 哈佛結構：哈佛結構： 12嵌入式處理器馮馮.諾依曼結構：諾依曼結構： 將數(shù)據(jù)和指令都存儲在一個存儲器的計算機稱為馮.諾依曼機。這種

8、計算機由一個中央處理單元（CPU）和一個存儲器組成。存儲器擁有數(shù)據(jù)和指令，并且可以根據(jù)所給的地址對它進行讀寫。如ARM的ARM7就是這種結構的,大多數(shù)的通用處理器和微處理器都是這種結構。哈佛結構：哈佛結構： 哈佛結構為數(shù)據(jù)和程序提供各自獨立的存儲器，程序計數(shù)器只指向程序存儲器而不指向數(shù)據(jù)存儲器。這樣做可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度，但是，其結果是不能在哈佛機上編寫一個自修改的程序（寫入數(shù)據(jù)然后使用這些值作為指令的程序）。 哈佛體系結構被廣泛使用的原因簡單，即獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，為數(shù)字信號處理提高了較高的性能。 目前使用哈佛結構的中央處理器和微控制器有很多，如51系列和各類DSP。

9、13嵌入式處理器 嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip) 隨著EDA的推廣和VLSI設計的普及化，及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為 VLSI設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性

10、非常有利。 SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048 位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網如Internet安全方面。 14嵌入式處理器 可編程器件PLD：PLD是可編程邏輯器件（Programable Logic Device）的

11、簡稱，F(xiàn)PGA是現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programable Gate Array）的簡稱，兩者的功能基本相同，只是實現(xiàn)原理略有不同，所以我們有時可以忽略這兩者的區(qū)別，統(tǒng)稱為可編程邏輯器件或PLD/FPGA。 PLD是電子設計領域中最具活力和發(fā)展前途的一項技術，它的影響絲毫不亞于70年代單片機的發(fā)明和使用。PLD能做什么呢？可以毫不夸張的講，PLD能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74電路，都可以用PLD來實現(xiàn)。PLD如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在PC

12、B完成以后，還可以利用PLD的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用PLD來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與一或”表達式來描述，所以，PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能.這一階段的產品主要有PAL(可編程陣列邏輯)和GAL(通用陣列邏輯)。 FPGA：現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Arrays，F(xiàn)PGA）技術。在可重構計算系統(tǒng)中，硬件的結構配置信息可以像軟件程序一樣被動態(tài)調用或修改，這樣既保留了用ASIC方法（硬件方法）

13、實現(xiàn)計算的性能，又具有用處理器方法（軟件方法）實現(xiàn)計算的靈活性。15如何選擇處理單元 1選擇哪一類處理單元通用微處理器嵌入式微控制器（定義、概念）嵌入式處理器（定義、概念）嵌入式DSPSOC可編程器件PLD、FPGA16如何選擇處理單元 1選擇哪一類處理單元通用微處理器嵌入式微控制器（定義、概念）嵌入式處理器（定義、概念）嵌入式DSPSOC可編程器件PLD、FPGA17如何選擇處理單元 1選擇哪一類處理單元 通用微處理器、 嵌入式微控制器（定義、概念） 嵌入式處理器（定義、概念） 嵌入式DSP SOC 可編程器件PLD22選擇哪個廠家的產品 1成本，包括處理器本身的成本和外圍電路的成本。 2處

14、理器的技術指標。 3開發(fā)工具的支持。 4制造商的持續(xù)生產情況。 5集成度和功能，通常采用高度集成的處理器設計的嵌入式系統(tǒng)的成本不一定低，需要考慮外部電路的成本。182嵌入式處理器的技術指標1.功能2.字寬3.處理速度4.工作溫度5.功耗6.尋址能力7.平均無故障工作時間（可靠性）8.性能價格比9.工藝10. 電磁兼容性指標193如何選擇嵌入式處理器l 選擇嵌入式處理器的總原則l 選擇嵌入式處理器的具體方法20嵌入式處理器的選擇總原則 8位微控制器-可以不使用操作系統(tǒng) 需要使用嵌入式操作系統(tǒng)-16位以上處理器 涉及到數(shù)學運算、信號處理-選擇DSP 涉及到圖形處理-高性能的處理器21選擇處理器的方

15、法 夠用原則 成本原則 考慮技術指標參數(shù) 體系結構 處理速度-MIPS 尋址能力 總線寬度 片上存儲器的集成情況 工作溫度 封裝形式 操作系統(tǒng)、開發(fā)工具的支持 調試接口 行業(yè)用途和使用情況 功耗特性mW/MHz 電源管理功能 價格-批量價格22閱讀手冊1. 32位處理器手冊2. 閱讀features: 幾頁3. 決定是否選用4. 列出候選的處理器特性比較表-next23嵌入式處理器參數(shù)比較選擇表特性ARMPowerPCColdfire字長速度片上存儲器中斷DMA以太網支持存儲器功耗行業(yè)用途價格243典型的嵌入式微控制器1.Microchip系列嵌入式微控制器2.特點1.RISC結構2.高性能，

16、低價格，小包裝 3.應用：工業(yè)應用，消費，辦公自動化設備4.OPT，低電壓，低功率選擇，并帶有多種封裝選擇3.系列產品 1.PIC12-8位系列2.PIC16-12位結構3.PIC16-14位系列4.PIC17-16位結構5.PIC18-16位結構253典型的嵌入式微控制器目前國內仍然是Intel的MCS51系列及其兼容的單片機占決對主流地位，MCS51系列單片機采用CISC結構（集中指令集）其數(shù)據(jù)線和指令線分時復用，它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格亦高。隨著各領域的應用需求不斷增加，美國Microchip技術公司率先推出PIC單片機系列產品，該產品采用RI

17、SC結構（精簡指令集）其數(shù)據(jù)線和指令線分離，這使得取指令和取數(shù)據(jù)可以同時進行，由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類CISC單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度更快。同時，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。其高速度、低工作電壓、低功耗、較大的輸入輸出直接驅動LED能力，一次編程芯片的低價位、小體積、指令簡單易學易用等，都體現(xiàn)了微控制器工業(yè)發(fā)展的新趨勢。Microchip公司生產的PIC16C74是PIC16xx系列微控制器中的一種，一款基于EPROM的8位高性能微控制器。與其它價格相當?shù)奈⒖刂破飨啾?，它在?zhí)行速度和代碼壓縮方面都有很大的

18、改進。由于隨時可以買到需要的OPT（一次性編程）產品，因而縮短了利用PIC16C74進行產品設計開發(fā)的周期。263典型的嵌入式處理器lPHILIPS LPC系列1.OTP型2.與MCS51兼容的指令系統(tǒng)3.豐富的IO功能1.模擬比較器、Watchdog、I2C總線、A/D、D/A、PWM 4.運行速度20MHz5.片內RC振蕩器6.工作電壓2.7-6V7.工業(yè)品:4085 273典型的嵌入式微控制器lMotorola的MC68HC08系列微控制器l有通用的GP、JL和XL型，l汽車控制的AZ型，l模糊控制的KX、KJ型，l馬達控制的MR型，l電話用的W型等各種微控制器。l以后還將推出電話控制型

19、、家用消費型、智能IC卡型、LCD驅動及VFD驅動型微控制器，MC68HC08將會逐步覆蓋MC68HC05的應用范疇。 283典型的嵌入式微控制器1. MCS51系列293典型的嵌入式微控制器1.ATMEL AVR90系列（89/90/91)1.以EEPROM電可擦除及Flash技術為主導2.多種封裝形式和高的質量 3.用途商業(yè)C檔，工業(yè)I檔，汽車A檔，軍用M檔4.RISC結構，高的MIPS/mW資源：1K128K字節(jié)可下載的Flash存儲器、644K字節(jié)EEPROM、1284K字節(jié)RAM、548條通用的I/O線、32個通用工作寄存器、帶模擬比較器的定時器/計數(shù)器、可編程的異步UART串行口、

20、內部及外部中斷、帶內部晶振的可編程看門狗定時器、一個為下載程序而設計的SPI串行口、10位A/D轉換器以及2個可通過軟件選擇的省電模式。 303典型的嵌入式微處理器Intel and AMD1. 80186系列1. CISC結構2. 80 x86結構3. intel和AMD公司提供產品，目前AMD大量提供4. AMD系列1. AM186Ex系列：DRAM（動態(tài)隨機存取存儲器）控制器2. Am186Cx系列：4通道的HDLC，USB313典型的嵌入式微處理器1. MC68HC12系列1. 16位的CPU2. FLASH, EEPROM集成3. 多種外設接口4. BDM調試方式5. 支持模糊指令3

21、23典型的嵌入式微處理器1.PowerPC系列-MPC5551.32位嵌入式處理器2.特點：1.帶有浮點單元的PowerPC內核2.26K字節(jié)的快速RAM和6K字節(jié)的TPU微碼RAM3.5V編程電壓的448K字節(jié)的flash EEPROM4.5V I/O系統(tǒng)5.串行系統(tǒng)：基于隊列的串行多通道模塊，兩個CAN2.0B控制器模塊6.50-通道定時器系統(tǒng)：雙定時處理單元（TPU3），模塊化I/O系統(tǒng)7.32個模擬量輸入：兩個基于隊列的A/D轉換器（QADC64）8.272引腳的PBGA封裝9.工作頻率40MHz，40125，雙電源供電33MPC555343典型的嵌入式微處理器1. ColdFire系

22、列-68000系列改進內核1. 存儲器：支持緩存，與多種存儲器無縫連接2. 調試-JTAG3. 網絡：以太網，CAN總線4. I/O2. 框圖-35 ColdFire框圖363典型的嵌入式微處理器-ARM系列1. ARM72. ARM93. ARM9E4. ARMl05. SecurCore6. 未來。37ARM7系列 ARM7TDMI T: Thumb D:debug M:乘法器 I：嵌入式ICE硬件提供片上斷點和調試點支持 ARM7-S ARM720T ARM7EJ 應用38ARM9系列 5級流水線； 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。 應用 引擎管理、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機頂盒、高端

23、打印機、PDA、網絡電腦和智能電腦 39ARM9E系列 DSP擴充； 嵌入式ICE-RT調試邏輯； 提供1.1MIPS/MH2的5級流水線和哈佛結構； 緊耦合存儲器（TCM）接口，可使存儲器以最高的處理器速度運轉，可直接連接到內核上，非常適用于必須有確定性能和快速訪問時間的代碼。40ARM10系列 ARM10系列為硬宏單元，帶有： DSP擴展； 嵌入式ICE-RT； 全性能MMU； Cache； 對于指令和數(shù)據(jù)，64位AHB接口； 6級流水線； 內部64位數(shù)據(jù)通路； 25MIPS/MHz； 在實際應用中，與同等ARM9器件相比，在同樣的時鐘速度下，性能提高了50。41SecurCore SC1

24、00 SecurCore SC100系列專為安全需要而設計，具有特定的抗竄改（resisit tampering）和反工程（reverse engineering）特性。它還有靈活的保護單元，以確保操作系統(tǒng)和應用數(shù)據(jù)的安全。 42基于ARM內核的產品 ATMEL公司帶ARM核的芯片 Cirrus Logic公司帶ARM核的芯片 Intel公司帶ARM核的芯片 NetSilicon公司帶ARM核的芯片 Samsung公司帶ARM核的芯片 Triscend公司帶ARM核的芯片43ARM的合作伙伴 Agere Systems、Agilent、AKM、Alcatel、AnalogDevices Inc

25、、Atmel、Basis、Cirrus Logic，Conexant Systems Inc、Epson、Ericsson、Fujitsu、Global UniChip、Hynix、IBM、Intel、LinkUp、LSI Logic、Micronas、Mitel、Semiconductor、Mitsubishi Electric Corporation、Motorola、National Semiconductor、NEC、Netsilicon、Oki、Panasonic、Philips、Qualcomm、Rohm、Sanyo、Samsung、Sharp、Sony、ST Microeletr

26、onics、Texas Instruments、3Com、Toshiba、Triscend、Yamaha、Zeevo 44Atmel公司帶ARM核的芯片 應用 通用 工業(yè)應用45型號ARM核用途備注AT91M40400ARM7TDMI通用AT91M40800ARM7TDMI通用低成本AT91M40807ARM7TDMI通用128KB掩膜ROM為32位，低功耗AT91M43300ARM7TDMI通用AT91M42800AARM7TDMI通用RTC、OSC和PLLAT91M55800AARM7TDMI通用極低功耗，8通道10位ADC，2通道10位DAC、RTC、OSC和PLLAT91M63200A

27、RM7TDMI多處理器具有多處理器接口MPIAT91R40807ARM7TDMI通用SRAM位32位，單周期訪問AT91R40008ARM7TDMI通用SRAM位32位，單周期訪問AT91F40416ARM7TDMI通用AT91F40816ARM7TDMI通用AT91FR4081ARM7TDMI通用高集成度AT75C310ARM7TDMIInternet處理器AT75C220ARM7TDMIInternet設備處理器46Cirrus Logic公司帶ARM核的芯片 通信-internet 手持計算 多媒體應用-音頻47型號ARM核用途備注EP7211ARM720T手持計算超低功耗片上系統(tǒng)EP7

28、212ARM720T手持計算，數(shù)字音頻帶LCD控制器和數(shù)字音頻接口DAI（Digital Audio Interface）的高性能、低功耗片上系統(tǒng)EP7312ARM720T手持計算、數(shù)字音頻帶SDRAM和改進數(shù)字音頻接口的高性能、低功耗片上系統(tǒng)EP7209ARM720T音頻解碼超低功耗音頻解碼片上系統(tǒng)EP7309音頻解碼超低功耗音頻解碼SOCEP7339ARM720T安全音頻解碼EP9312ARM920T數(shù)字音頻處理器Internet音頻Jukebox處理器CLPS6700手持計算用于CLPS7111的低功耗PC卡控制器CLPS7110ARM710A手持計算手持應用的超低功耗器件CLPS711

29、1ARM710A手持計算帶LCD控制器的超低功耗片上系統(tǒng)CLPS7500FEARM710AInternet電器設備帶CRT/LCD控制器的片上系統(tǒng)CS89712ARM720T通信處理器48Intel公司帶ARM核的芯片 型號ARM核用途備 注SA110StrongARM處理器超低功耗片上系統(tǒng)SA1100StrongARM處理器帶LCD控制器和數(shù)字音頻接口DAI的高性能、低功耗片上系統(tǒng)SA1110StrongARM處理器帶SDRAM和改進數(shù)字音頻接口的高性能、低功耗片上系統(tǒng)SA1111StrongARM處理器IXP1200StrongARM網絡處理器80200XscaleI/O處理器49NetS

30、ilicon公司帶ARM核的芯片 型號ARM核用途NET15ARM7TDMI通用以太網NET40ARM7TDMI通用以太網NET50ARM7TDMI通用以太網50Samsung公司帶ARM核的芯片 應用-辦公室產品應用1. 通用2. 以太網3. PDA溫度范圍主要商用51器件名ARM核用途S3C3400AARM7TDMI通用，PDAS3C3410XARM7TDMI通用，PDA，游戲，GPSS3C44A0AARM7TDMI通用，PDAS3C44B0ARM7TDMI通用，PDA，電子書，LCD游戲，GPSS3C44B0AARM7TDMI通用，PDAS3C4510ARM7TDMIEthernet H

31、ub/交換器，xDSL路由器/WLAN AP，VoIP電話/網關，家庭PNA路由器S3C4530ARM7TDMIEthernet Hub/交換器，xDSL路由器/WLAN AP，VoIP電話/網關，家庭PNA路由器S3C4520ARM7TDMIModem路由器S3C4909AARM7TDMIFlash產品S3C49F9XARM7TDMIFlash產品52Triscend公司帶ARM核的芯片 型號ARM核專用資源系統(tǒng)RAM可配置系統(tǒng)邏輯單元CSI地址選擇器PIO引腳（最大）TA7S05ARM7TDMI存儲器接口單元4通道DMA控制器2個16C550型UART2個16位定時器32位看門狗定時器電源

32、管理上電復位硬件斷點單元JATG口4K32位51232124TA7S12115272188TA7S202048128252TA7S32320020031653基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特點1.指令的兼容性，便于軟件移植2.功能豐富，廠家支持豐富3.低功耗: MIPS/mW4.高效率：MIPS/MHz5.操作系統(tǒng)支持豐富6.各行各業(yè)的解決方案7.支持片上系統(tǒng)設計8.基于IP的系統(tǒng)設計9.大廠的加入（intel, freescale)543典型的嵌入式處理器-我國1. 方舟系列 1. 方舟1號2. 方舟2號2. 龍芯系列1. 兼顧通用和嵌入式應用 55方舟 RISC技術 應用：網絡、終端、工控56方舟1號性能166MHz功耗1.2瓦166MHz工