3 第二章 嵌入式硬件系統(tǒng)-處理器

1、第二章第二章 嵌入式硬件系統(tǒng)嵌入式硬件系統(tǒng)-嵌入式處理器嵌入式處理器接下來介紹本章第二節(jié)內容接下來介紹本章第二節(jié)內容v嵌入式硬件架構嵌入式硬件架構 v嵌入式處理器嵌入式處理器v嵌入式存儲技術嵌入式存儲技術 接下來介紹接下來介紹v處理器結構體系處理器結構體系v影響影響CPU性能的因素性能的因素v嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類v知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v處理器選型原則和方法處理器選型原則和方法1. 處理器結構處理器結構v典型的微處理器的組成包括：典型的微處理器的組成包括： 控制單元控制單元 程序計數器（程序計數器（PC） 指令寄存器（指令

2、寄存器（IR） 數據通道數據通道 存儲器等存儲器等1. 處理器結構處理器結構 處理器處理器控制單元控制單元控制器控制器 存儲器存儲器程序計數器程序計數器PC指令寄存器指令寄存器IR程序存儲器程序存儲器數據存儲器數據存儲器數據通道數據通道算術邏輯單元算術邏輯單元通用寄存器通用寄存器R0Rn 處理器處理器控制單元控制單元指令寄存器指令寄存器load R0, M500程序計數器程序計數器100控制器控制器 存儲器存儲器I/O控制控制/狀態(tài)狀態(tài)load R0, M500100inc R1, R0101store M501, R110210.500501數據通道數據通道算術邏輯單元算術邏輯單元通用寄存器

3、通用寄存器R0R11. 處理器結構處理器結構 處理器處理器控制單元控制單元控制器控制器 存儲器存儲器I/O控制控制/狀態(tài)狀態(tài)程序計數器程序計數器PC指令寄存器指令寄存器IR程序存儲器程序存儲器數據存儲器數據存儲器數據通道數據通道算術邏輯單元算術邏輯單元通用寄存器通用寄存器R0Rn處理器各部分功能處理器各部分功能v程序計數器（專用寄存器）程序計數器（專用寄存器） 跟蹤微處理器要執(zhí)行的下一條指令的地跟蹤微處理器要執(zhí)行的下一條指令的地址址v指令寄存器指令寄存器 用于從程序存儲器讀入需要處理器處理用于從程序存儲器讀入需要處理器處理的指令以供控制機器訪問的指令以供控制機器訪問v控制器控制器 根據程序計數

4、器中的指令地址將指令從根據程序計數器中的指令地址將指令從指令寄存器讀入到控制器中進行分析指令寄存器讀入到控制器中進行分析處理器各部分功能處理器各部分功能v算術邏輯單元算術邏輯單元 接收控制單元提供的分析結果接收控制單元提供的分析結果 通過通用寄存器從數據存儲器中讀入需通過通用寄存器從數據存儲器中讀入需要的數據要的數據 進行算術運算進行算術運算 將結果通過通用寄存器保存到相應的數將結果通過通用寄存器保存到相應的數據存儲器單元據存儲器單元v通用寄存器的作用通用寄存器的作用 存放處理器正在計算的值存放處理器正在計算的值處理器各部分功能處理器各部分功能v控制單元控制單元 程序控制程序控制 指令解析指令

5、解析 將指令解析結果傳遞給數據通道將指令解析結果傳遞給數據通道2. 處理器指令執(zhí)行過程處理器指令執(zhí)行過程v指令執(zhí)行過程一般分為：指令執(zhí)行過程一般分為： 取指取指從存儲器獲得下一條執(zhí)行的指令讀入指令寄存器從存儲器獲得下一條執(zhí)行的指令讀入指令寄存器PC: 程序計數器程序計數器, 指向下一條要執(zhí)行的指令指向下一條要執(zhí)行的指令IR: 指令寄存器，保存已取得指令指令寄存器，保存已取得指令 譯碼譯碼 解釋指令，決定指令的執(zhí)行意義解釋指令，決定指令的執(zhí)行意義 執(zhí)行執(zhí)行從存儲器向數據通道寄存器移動數據從存儲器向數據通道寄存器移動數據通過算術邏輯單元通過算術邏輯單元ALU進行數據操作進行數據操作 存儲存儲 從寄

6、存器向存儲器寫數據從寄存器向存儲器寫數據3.3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系v（1）按存儲結構分：）按存儲結構分： 馮馮諾依曼體系結構諾依曼體系結構 哈佛體系結構哈佛體系結構3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系v馮馮諾依曼體系結構諾依曼體系結構 馮馮諾伊曼結構也稱普林斯頓結構諾伊曼結構也稱普林斯頓結構 是一種將程序指令存儲器和數據存儲器是一種將程序指令存儲器和數據存儲器合并在一起的存儲器結構合并在一起的存儲器結構 處理器經由同一個傳輸總線來訪問程序處理器經由同一個傳輸總線來訪問程序和數據存儲器和數據存儲器 程序指令和數據的寬度相同程序指令和數據的寬度相同 如如C51、X86系列、系

7、列、ARM7等。等。3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系 指令寄存器指令寄存器控制器控制器數據通道數據通道輸入輸入輸輸出出中央處理器中央處理器存儲器存儲器程序程序指令指令0 0指令指令1 1指令指令2 2指令指令3 3指令指令4 4數據數據數據數據0 0數據數據1 1數據數據2 2地址地址/數據數據馮馮諾依曼體系結構模型諾依曼體系結構模型 3.3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系v哈佛結構哈佛結構 哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據哈佛結構是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構存儲分開的存儲器結構 目的是為了減輕程序運行時的訪存瓶頸目的是為了減輕程序運行時的訪存瓶頸 哈佛結構的

8、微處理器通常具有較高的執(zhí)哈佛結構的微處理器通常具有較高的執(zhí)行效率行效率 如如ARM9、TI的的DSP等。等。3.3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系指令寄存器指令寄存器控制器控制器數據通道數據通道輸入輸入輸出輸出中央處理器中央處理器程序存儲器程序存儲器指令指令0指令指令1指令指令2數據存儲器數據存儲器數據數據0數據數據1數據數據2地址地址指令指令地址地址數據數據哈佛體系結構哈佛體系結構3.3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系v（2）按指令類型可分為：）按指令類型可分為： 復雜指令集（復雜指令集（CISC）處理器）處理器 精簡指令集（精簡指令集（RISC）處理器）處理器vCISC：復雜指

9、令集（：復雜指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和尋址方式，那么就需具有大量的指令和尋址方式，那么就需要更多的解釋器。要更多的解釋器。 8/2原則：原則：80%的程序只使用的程序只使用20%的的指令指令 大多數程序只使用少量的指令就能夠運大多數程序只使用少量的指令就能夠運行。行。3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系vCISC具有如下顯著特點：具有如下顯著特點： (1) 指令格式不固定，指令長度不一致，指令格式不固定，指令長度不一致，操作數可多可少；操作數可多可少； (2) 尋址方式復雜多樣，以利于程序的尋址方式復雜多樣，以利于程序的編寫

10、；編寫； (3) 采用微程序結構，執(zhí)行每條指令均采用微程序結構，執(zhí)行每條指令均需完成一個微指令序列；需完成一個微指令序列； (4) 每條指令需要若干個機器周期才能每條指令需要若干個機器周期才能完成，指令越復雜，花費的機器周期越完成，指令越復雜，花費的機器周期越多。多。3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系3.微處理器的結構體系微處理器的結構體系vRISC：精簡指令集（：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer) 指令數目少，在通道中只包含最有用的指令數目少，在通道中只包含最有用的指令指令 執(zhí)行時間短，確保數據通道快速執(zhí)行每執(zhí)行時間短，確保數據通道快速執(zhí)行每

11、一條指令一條指令 使使CPU硬件結構設計變得更為簡單硬件結構設計變得更為簡單 每條指令都采用標準字長每條指令都采用標準字長CISC與與RISC的對比的對比采用優(yōu)化編譯技術，生成采用優(yōu)化編譯技術，生成高效的目標代碼程序高效的目標代碼程序 難以用優(yōu)化編譯器生成難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標代碼程序高效的目標代碼程序 編譯編譯僅僅Load/Store指令可對指令可對存儲器操作，其余指令只存儲器操作，其余指令只對寄存器進行運算和操作對寄存器進行運算和操作可以對存儲器和寄存器可以對存儲器和寄存器進行運算和操作進行運算和操作操作操作尋址方式較簡單尋址方式較簡單尋址方式多樣尋址方式多樣尋址方式尋址方式編碼長

12、度固定，通常為編碼長度固定，通常為4個字節(jié)個字節(jié)編碼長度可變，編碼長度可變，1-15字節(jié)字節(jié)編碼長度編碼長度多為單周期指令多為單周期指令有些指令執(zhí)行時間很長，有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊存儲器內容拷貝；如整塊存儲器內容拷貝；或將多個寄存器內容拷或將多個寄存器內容拷貝到存儲器貝到存儲器執(zhí)行時間執(zhí)行時間相對較少相對較少指令數量很多指令數量很多指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)RISCCISC類別類別接下來介紹接下來介紹v微處理器結構體系微處理器結構體系v影響影響CPU性能的因素性能的因素v嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類v知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v處理器選型

13、原則和方法處理器選型原則和方法提高提高CPU性能的方法性能的方法v影響影響CPU性能的因素：性能的因素： 流水線流水線 超標量超標量 緩存緩存 總線總線v對于任何處理器來說，要提高其效率，在對于任何處理器來說，要提高其效率，在設計上都是要：設計上都是要： 減少數據的等待時間減少數據的等待時間 減少處理單元的空閑時間。減少處理單元的空閑時間。v流水線技術：將一個任務分解成多個連續(xù)的流水線技術：將一個任務分解成多個連續(xù)的子任務，在處理前一個子任務的同時就開始準子任務，在處理前一個子任務的同時就開始準備下一個子任務的數據并進行子處理器單元的備下一個子任務的數據并進行子處理器單元的初始化。初始化。譯碼

14、譯碼取指取指執(zhí)行執(zhí)行addadd譯碼譯碼取指取指執(zhí)行執(zhí)行subsub譯碼譯碼取指取指執(zhí)行執(zhí)行cmpcmp時間時間AddAddSubSubCmpCmp（1）流水線技術）流水線技術v超標量執(zhí)行：超標量執(zhí)行：就是在處理器內部設置多個平就是在處理器內部設置多個平行的處理單元，將多個相互無關的任務在這些行的處理單元，將多個相互無關的任務在這些處理部件中分別進行獨立處理。處理部件中分別進行獨立處理。（2） 超標量執(zhí)行超標量執(zhí)行執(zhí)行執(zhí)行1預取預取指令指令CACHE譯碼譯碼2譯碼譯碼1執(zhí)行執(zhí)行2流水流水線線1流水流水線線2數據數據執(zhí)行執(zhí)行1預取預取譯碼譯碼2譯碼譯碼1執(zhí)行執(zhí)行2（3） 高速緩存（高速緩存（CA

15、CHE）v1、為什么采用高速緩存、為什么采用高速緩存 微處理器的時鐘頻率比內存速度提高快微處理器的時鐘頻率比內存速度提高快得多，高速緩存可以提高內存的平均性得多，高速緩存可以提高內存的平均性能。能。v2、高速緩存的工作原理、高速緩存的工作原理 高速緩存是一種小型、快速的存儲器，高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內容的拷貝。它保存部分主存內容的拷貝。（3） 高速緩存（高速緩存（CACHE）CPU高高速速緩緩存存控控制制器器CACHE主存主存數據數據數據數據地址地址（3） 高速緩存（高速緩存（CACHE）v通常用靜態(tài)通常用靜態(tài)RAM來設計來設計 因此，速度快但比較貴因此，速度快但比較

16、貴v通常和處理器同在一個芯片上通常和處理器同在一個芯片上v高速緩存的操作方式高速緩存的操作方式: 要求對主存儲器進行訪問要求對主存儲器進行訪問 (讀或寫讀或寫) 檢查高速緩存是否有相應的拷貝檢查高速緩存是否有相應的拷貝如果有，稱為高速緩存命中如果有，稱為高速緩存命中拷貝拷貝在緩存中，可以快速訪問在緩存中，可以快速訪問如果沒有，稱為高速緩存失誤如果沒有，稱為高速緩存失誤拷拷貝沒在緩存中，需要將該地址及其相貝沒在緩存中，需要將該地址及其相鄰的多個地址的數據讀入高速緩存鄰的多個地址的數據讀入高速緩存（4） 高速總線和總線橋高速總線和總線橋CPU低速設備低速設備橋橋數據數據高速總線高速總線存儲存儲器器

17、高速設高速設備備低速設備低速設備低速總線低速總線5. 處理器信息存儲的字節(jié)順序處理器信息存儲的字節(jié)順序v 處理器信息存儲的字節(jié)順序主要分為：處理器信息存儲的字節(jié)順序主要分為：大端存儲法大端存儲法小端存儲法小端存儲法 5. 處理器信息存儲的字節(jié)順序處理器信息存儲的字節(jié)順序v大端模式大端模式u字數據的高位字節(jié)存儲在低地址中字數據的高位字節(jié)存儲在低地址中u字數據的低字節(jié)則存放在高地址中字數據的低字節(jié)則存放在高地址中v小端模式小端模式u低地址中存放字數據的低字節(jié)低地址中存放字數據的低字節(jié)u高地址中存放字數據的高字節(jié)高地址中存放字數據的高字節(jié)5. 處理器信息存儲的字節(jié)順序處理器信息存儲的字節(jié)順序v將一個

18、將一個32位的整數位的整數0 x12345678存放到存放到一個整型變量（一個整型變量（int）中，按照大端模式存）中，按照大端模式存儲，其格式如下：儲，其格式如下：v地址偏移地址偏移 大端模式大端模式 0 x00 12 0 x01 34 0 x02 56 0 x03 78 v地址偏移地址偏移 小端模式小端模式 0 x00 78 0 x01 56 0 x02 34 0 x03 12 接下來介紹接下來介紹v微處理器結構體系微處理器結構體系v影響影響CPU性能的因素性能的因素v嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類v知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v處理

19、器選型原則和方法處理器選型原則和方法嵌入式處理器分類嵌入式處理器分類v嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件中的最核心的部分，嵌入式處理器有多種功能。心的部分，嵌入式處理器有多種功能。v按照處理器功能分類，主要如下五種：按照處理器功能分類，主要如下五種： 通用型嵌入式微處理器（簡稱：通用型嵌入式微處理器（簡稱：MPU） 微控制器（微控制器（MCU） 數字信號處理器（數字信號處理器（DSP） 混合處理器和片上系統(tǒng)（混合處理器和片上系統(tǒng)（SOC） 嵌入式雙核或者多核處理器嵌入式雙核或者多核處理器通用型嵌入式微處理器通用型嵌入式微處理器v英文全稱英文全稱 General P

20、urpose Embedded Micro Processorv也稱為嵌入式微處理單元也稱為嵌入式微處理單元 Embedded Micro Processor Unitv縮略語：縮略語：EMPU，或者，或者MPU通用型嵌入式微處理器通用型嵌入式微處理器v特點：體積小、重量輕、成本低、可靠性特點：體積小、重量輕、成本低、可靠性高高v板內電路：必須包含板內電路：必須包含ROM、RAM、總線、總線接口等接口等通用型嵌入式微處理器有兩種類型通用型嵌入式微處理器有兩種類型v一類是嵌入式系統(tǒng)中使用的通用處理器一類是嵌入式系統(tǒng)中使用的通用處理器 x86處理器（從處理器（從80186、80386到到Penti

21、um M）是這一類的典型代表。）是這一類的典型代表。v另一類是專門為嵌入式系統(tǒng)設計的處理器另一類是專門為嵌入式系統(tǒng)設計的處理器 屬于這一類的通用型嵌入式微處理器目前屬于這一類的通用型嵌入式微處理器目前主要有主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、ColdFire、68000、MIPS、ARM系列等。系列等。v使用通用型嵌入式微處理器要在工作溫度、使用通用型嵌入式微處理器要在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面采取各種措施?？闺姶鸥蓴_、可靠性等方面采取各種措施。微控制器微控制器v又稱單片機（又稱單片機（SCM，Single Chip Microcomputer）v將整個

22、計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中，體積將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中，體積減小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度減小，功耗和成本下降，可靠性提高，速度更快，性能更好，電磁輻射更少。更快，性能更好，電磁輻射更少。v通常以某種微處理器內核為核心，芯片內部通常以某種微處理器內核為核心，芯片內部集成集成ROM、RAM、總線、總線邏輯、定時、總線、總線邏輯、定時/計數器、計數器、WatchDog、I/O、串行口、串行口、脈寬調制輸出、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能部件和外設。等各種必要功能部件和外設。微控制器微控制器v應用應用 占嵌入式市場占嵌入式市場70%，工

23、業(yè)主流；不同應，工業(yè)主流；不同應用不同配置用不同配置v代表性的通用微控制器系列包括代表性的通用微控制器系列包括 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。等。微控制器微控制器v特點特點 體積小、功耗低、成本下降、可靠性高、體積小、功耗低、成本下降、可靠性高、資源豐富資源豐富數字信號處理器數字信號處理器v信息化的基礎是數字化。數字化的核心技術信息化的基礎是數字化。數字化的核心技術之一是數字信號處理。之一是數字信號處理。v數字信號處理的任務在很大程度上需要由數字信號處理的任務在很大程度上需要由DSP器件來

24、完成。器件來完成。 vDSP有兩個意思，既指數字信號處理理論有兩個意思，既指數字信號處理理論（Digital Signal Processing）；也是）；也是數字信號處理器（數字信號處理器（Digital Signal Processor）。）。v兩者結合就成為解決實際問題和實現方案的兩者結合就成為解決實際問題和實現方案的手段即數字信號處理解決方案（手段即數字信號處理解決方案（DSPS）。）。 數字信號處理器數字信號處理器v本課程討論的本課程討論的DSP是專門用于嵌入式系統(tǒng)是專門用于嵌入式系統(tǒng)的數字信號處理器，它是系統(tǒng)結構和指令的數字信號處理器，它是系統(tǒng)結構和指令集做了特殊設計的處理器。集做

25、了特殊設計的處理器。 vDSP是在模擬信號變換成數字信號以后進是在模擬信號變換成數字信號以后進行行高速實時處理高速實時處理的專用處理器，其處理速的專用處理器，其處理速度比最快的度比最快的CPU還快還快1050倍。倍。v在當今的數字化時代背景下，在當今的數字化時代背景下，DSP已成為已成為通信、計算機、消費（通信、計算機、消費（3C）類電子產品等）類電子產品等領域的基礎器件。領域的基礎器件。 數字信號處理器數字信號處理器v應用目標應用目標 嵌入式設備智能化，如實時語言處理、嵌入式設備智能化，如實時語言處理、ADSL接入、信息識別終端等接入、信息識別終端等vDSP處理器分為兩大類：處理器分為兩大類

26、： 定點定點DSP 浮點浮點DSPv有代表性的產品是有代表性的產品是 德州儀器公司的德州儀器公司的TMS320系列系列 Motorola公司的公司的DSP56000系列系列數字信號處理器數字信號處理器vTMS320系列系列DSP的演化過程的演化過程 數字信號處理器數字信號處理器vC6000平臺，追求至高性能，速度高達平臺，追求至高性能，速度高達1GHZ，適合寬帶網絡、圖像、影像、雷，適合寬帶網絡、圖像、影像、雷達等處理應用。達等處理應用。 vC5000 平臺，提供性能、外圍設備、小平臺，提供性能、外圍設備、小型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜式上網、語音處

27、理及對功耗有嚴格要求的式上網、語音處理及對功耗有嚴格要求的地方。地方。vC2000針對控制領域做了優(yōu)化配置，集成針對控制領域做了優(yōu)化配置，集成了眾多的外設，適合逆變器、馬達、機器了眾多的外設，適合逆變器、馬達、機器人、數控機床、電力等應用領域。人、數控機床、電力等應用領域。 數字信號處理器數字信號處理器vDSP的傳統(tǒng)設計往往采取主從式結構：的傳統(tǒng)設計往往采取主從式結構： 在一塊電路板上，在一塊電路板上，DSP做從機，負責數做從機，負責數字信號處理運算；字信號處理運算； 外加一塊嵌入式微處理器做主機，來完成外加一塊嵌入式微處理器做主機，來完成輸入、控制、顯示等其他功能。輸入、控制、顯示等其他功能

28、。 vTI專門推出一款雙核處理器專門推出一款雙核處理器OMAP，包含，包含一個一個ARM和一個和一個C5000系列系列DSP，OMAP處理器把主從式設計在芯片級上合處理器把主從式設計在芯片級上合二為一，一個典型的應用實例為諾基亞手機。二為一，一個典型的應用實例為諾基亞手機。 片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)v把一個或多個把一個或多個CPU單元以及功能部件集成單元以及功能部件集成在單個芯片上。這種芯片就是所謂的片上在單個芯片上。這種芯片就是所謂的片上系統(tǒng)系統(tǒng)SoC。v為了解決為了解決SoC設計中遇到的難題，設計方設計中遇到的難題，設計方法必須進一步優(yōu)化。因此，人們提出了基法必須進一步優(yōu)化。因此，人們提出了基于于

29、FPGA的的SoC設計方案設計方案可編程片上可編程片上系統(tǒng)（系統(tǒng)（System On a Programmable Chip，稱為，稱為SOPC）片上系統(tǒng)片上系統(tǒng)vAltera公司、公司、Xilinx公司、公司、Lattice公司、公司、QuickLogic公司等全球最重要的公司等全球最重要的FPGA及及EDA公司都分別推出了公司都分別推出了SoPC系統(tǒng)解決系統(tǒng)解決方案。方案。 嵌入式雙核處理器嵌入式雙核處理器v雙核（雙核（Dual Core）處理器就是基于單個）處理器就是基于單個半導體的一個處理器芯片上擁有兩顆一樣半導體的一個處理器芯片上擁有兩顆一樣功能的處理器核心，即將兩顆物理處理器功能的

30、處理器核心，即將兩顆物理處理器核心整合入一個內核中通過協(xié)同運算來提核心整合入一個內核中通過協(xié)同運算來提升性能。升性能。v其優(yōu)勢在于克服了傳統(tǒng)處理器通過提升工其優(yōu)勢在于克服了傳統(tǒng)處理器通過提升工作頻率來提升處理器性能而導致耗電量和作頻率來提升處理器性能而導致耗電量和發(fā)熱量越來越大的缺點。發(fā)熱量越來越大的缺點。嵌入式多核處理器嵌入式多核處理器v嵌入式多核處理器往往用于音頻或者視頻嵌入式多核處理器往往用于音頻或者視頻處理。這些處理。這些DSP處理器的主要結構是一個處理器的主要結構是一個或多個的微控制器（或多個的微控制器（MCU）核外加一個）核外加一個DSP核。核。接下來介紹接下來介紹v微處理器結構體

31、系微處理器結構體系v影響影響CPU性能的因素性能的因素v嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類v知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v處理器選型原則和方法處理器選型原則和方法知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v知識產權（知識產權（IP：Intellectual Property）包含版權、商標、專利權、）包含版權、商標、專利權、集成電路布圖設計和植物品種權等。集成電路布圖設計和植物品種權等。v本課程講解的知識產權主要涉及集成電路本課程講解的知識產權主要涉及集成電路布圖設計。通常稱這一類知識產權為硅知布圖設計。通常稱這一類知識產權為硅知識產權（識產權

32、（Silicon Intellectual Property）。）。v下面對術語下面對術語IP如果不特別說明，均指硅知如果不特別說明，均指硅知識產權或者集成電路布圖設計的知識產權。識產權或者集成電路布圖設計的知識產權。IP歷史溯源歷史溯源vIP的最初出現大約在的最初出現大約在20世紀世紀90年代初。年代初。v為了降低成本，減少重復開發(fā)工作量，集為了降低成本，減少重復開發(fā)工作量，集成電路制造商將合格的經過驗證的電路設成電路制造商將合格的經過驗證的電路設計結果文件存儲在所謂函數庫的數據庫中，計結果文件存儲在所謂函數庫的數據庫中，供設計師在日后進行類似設計中再利用。供設計師在日后進行類似設計中再利用

33、。v目前，集成電路設計行業(yè)中廣泛使用了函目前，集成電路設計行業(yè)中廣泛使用了函數庫，從而有效地提高了工作效率。數庫，從而有效地提高了工作效率。知識產權核與處理器核知識產權核與處理器核v核庫文件是集成電路的布圖設計，屬于知核庫文件是集成電路的布圖設計，屬于知識產權的范疇，于是核庫中各種核文件以識產權的范疇，于是核庫中各種核文件以及它們的集合稱為知識產權及它們的集合稱為知識產權（Intellectual Property），簡稱），簡稱IP；v又由于單個知識產權是不可再分解的，所又由于單個知識產權是不可再分解的，所以核文件也稱為知識產權核或者以核文件也稱為知識產權核或者IP核核（ IP Core：I

34、ntellectual Property Core ）。通常，人們把處理器的核庫文）。通常，人們把處理器的核庫文件稱為處理器核（件稱為處理器核（Processor Core）。）。 IP核的五個基本特征核的五個基本特征v第三方使用；第三方使用；v按照復用原則設計；按照復用原則設計；v可讀性強；可讀性強；v完備的可測性；完備的可測性；v端口定義標準化。端口定義標準化。系統(tǒng)芯片（系統(tǒng)芯片（SoC）v也稱為片上系統(tǒng)也稱為片上系統(tǒng) SoC，System on chip，或者，或者 System on a chip。 基本定義：以基本定義：以知識產權核知識產權核為設計基礎，為設計基礎，在單個芯片上集成處

35、理器、存儲器、各在單個芯片上集成處理器、存儲器、各種接口等部件，組成一個部分完整的計種接口等部件，組成一個部分完整的計算機系統(tǒng)，可以完成特定的應用功能。算機系統(tǒng)，可以完成特定的應用功能。 系統(tǒng)芯片是單功能集成電路芯片的跨越系統(tǒng)芯片是單功能集成電路芯片的跨越式發(fā)展。式發(fā)展。 目前，大多數目前，大多數32位的嵌入式處理器芯片位的嵌入式處理器芯片都是都是SoC。系統(tǒng)芯片的主要優(yōu)點系統(tǒng)芯片的主要優(yōu)點v豐富的系統(tǒng)功能；豐富的系統(tǒng)功能；v客戶定制；客戶定制；v提高速度；提高速度；v降低功耗；降低功耗；v減少體積。減少體積。IP核的三種形態(tài)核的三種形態(tài)v軟核軟核 用用 HDL（Hardware Descri

36、ption Language,硬件描述語言）文本形式硬件描述語言）文本形式提交給用戶提交給用戶v硬核硬核 電路物理結構掩模版圖和全套工藝文件電路物理結構掩模版圖和全套工藝文件提供給用戶提供給用戶v固核固核 介于軟核和硬核之間，以門級電路網表介于軟核和硬核之間，以門級電路網表的形式提供給用戶的形式提供給用戶IP核形態(tài)的優(yōu)選原則核形態(tài)的優(yōu)選原則v從可被重用頻度、可向其它工藝移植可能從可被重用頻度、可向其它工藝移植可能性、重用靈活性等方面考慮，三種性、重用靈活性等方面考慮，三種IP核的核的優(yōu)選次序是：優(yōu)選次序是： 上策選軟核上策選軟核 中策選固核中策選固核 下策選硬核下策選硬核IP核形態(tài)的優(yōu)選原則核

37、形態(tài)的優(yōu)選原則v從高性能、規(guī)范化、有較短上市時間、自從高性能、規(guī)范化、有較短上市時間、自行開發(fā)工作量盡量少、有支付高價能力的行開發(fā)工作量盡量少、有支付高價能力的角度考慮，優(yōu)選次序是：角度考慮，優(yōu)選次序是： 硬核為上策硬核為上策 固核為中策固核為中策 軟核為下策軟核為下策接下來介紹接下來介紹v微處理器結構體系微處理器結構體系v影響影響CPU性能的因素性能的因素v嵌入式處理器的分類嵌入式處理器的分類v知識產權與硅知識產權知識產權與硅知識產權v主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v處理器選型原則和方法處理器選型原則和方法主流嵌入式微處理器主流嵌入式微處理器v幾種嵌入式處理器概覽幾種嵌入式處理器概覽A

38、RMPowerPCMIPSARM處理器簡介處理器簡介vARM 即即Advanced RISC Machines的縮寫。的縮寫。vARM公司是設計公司，是公司是設計公司，是知識產權（知識產權（IP: Intellectual Property）供應商，靠供應商，靠轉讓設計許可由合作伙伴來生產各具特色轉讓設計許可由合作伙伴來生產各具特色的芯片。的芯片。 有有30多家半導體公司與多家半導體公司與ARM簽訂了硬簽訂了硬件技術使用許可協(xié)議。件技術使用許可協(xié)議。ARM處理器簡介處理器簡介vARM處理器的處理器的3大特點：大特點： 小體積、低功耗、成本低、高性能小體積、低功耗、成本低、高性能 16位位32位

39、雙指令集位雙指令集 全球眾多的合作伙伴全球眾多的合作伙伴ARM公司以知識產權核為主營業(yè)務公司以知識產權核為主營業(yè)務vIP核以三種形式存在。核以三種形式存在。 硬核硬核 軟核軟核 固核固核vARM公司研發(fā)的處理器核以上面的三種形公司研發(fā)的處理器核以上面的三種形式銷售式銷售ARM公司的公司的IP銷售與服務銷售與服務ARM公司大學/研究所/企業(yè)IC制造商OEM生產商圖例：服務付款技術支持ARM發(fā)展簡史發(fā)展簡史v1985年年4月月26日，第一個日，第一個ARM原型在英原型在英國劍橋的國劍橋的Acorn計算機有限公司誕生，由計算機有限公司誕生，由美國加州美國加州San Jose VLSI技術公司制造。技

40、術公司制造。v20世紀世紀80年代后期，年代后期，ARM很快開發(fā)成很快開發(fā)成Acorn的臺式機產品，形成英國的計算機的臺式機產品，形成英國的計算機教育基礎。教育基礎。v1990年成立了年成立了Advanced RISC Machines Limited（簡稱簡稱ARM公司）。公司）。ARM發(fā)展簡史發(fā)展簡史v20世紀世紀90年代，年代，ARM 32位嵌入式位嵌入式RISC處理器擴展到世界范圍，占據了低功耗、低處理器擴展到世界范圍，占據了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應用領域的領先地位。地位。ARM體系結構的擴充體系結構的擴充vARM 32位位處理器體系結

41、構是市場占有率高處理器體系結構是市場占有率高的的32位嵌入式位嵌入式RISC微處理器結構微處理器結構 市場占有率大約為市場占有率大約為75%v所有所有ARM處理器共享同一個體系結構。處理器共享同一個體系結構。vARM體系結構的擴充包括：體系結構的擴充包括： Thumb：16位指令集，用以改善代碼密位指令集，用以改善代碼密度；度； DSP：用于用于DSP應用的算術運算指令集；應用的算術運算指令集； Jazeller：允許直接執(zhí)行允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼的字節(jié)碼的擴充擴充。ARM處理器應用處理器應用vARM系列處理器提供的解決方案包括：系列處理器提供的解決方案包括： 在無線、消費電子和圖像應用方

42、面的開放在無線、消費電子和圖像應用方面的開放平臺平臺 智能卡和智能卡和SIM卡的安全應用卡的安全應用 嵌入式系統(tǒng)教學實驗設備嵌入式系統(tǒng)教學實驗設備 網絡設備：路由器、調制解調器等網絡設備：路由器、調制解調器等 移動電話、智能手機等移動電話、智能手機等ARM核的技術優(yōu)勢核的技術優(yōu)勢vARM核的優(yōu)點包括：核的優(yōu)點包括： 引入新穎的稱為引入新穎的稱為Thumb的壓縮指令格的壓縮指令格式，降低了小型系統(tǒng)的成本和電源消耗；式，降低了小型系統(tǒng)的成本和電源消耗； ARM9、ARM10和和StrongARM處理處理器系列的性能得到了顯著提高；器系列的性能得到了顯著提高； 具有先進的軟件開發(fā)和調試環(huán)境；具有先進

43、的軟件開發(fā)和調試環(huán)境； 基于基于ARM處理器核的芯片得到了廣泛的處理器核的芯片得到了廣泛的嵌入式應用。嵌入式應用。ARM處理器系列產品概況處理器系列產品概況vARM處理器當前有處理器當前有6個產品系列：個產品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和和Cortex。 ARM7、ARM9、ARM10和和ARM11是是4個通用處理器系列，每個系列提供一個通用處理器系列，每個系列提供一套特定的性能來滿足設計者對功耗、性能套特定的性能來滿足設計者對功耗、性能和體積的需求。和體積的需求。 SecurCore是第是第5個產品系列，是專門個產品系列，是專門為安全設備而設計的。為安

44、全設備而設計的。ARM處理器系列產品概況處理器系列產品概況v來自于合作伙伴的產品來自于合作伙伴的產品 例如：例如：Intel XScale微體系結構和微體系結構和StrongARM產品。產品。Intel公司生產的公司生產的ARM系列處理器系列處理器v眾所周知，眾所周知，Intel公司是公司是PC平臺的平臺的x86系系列微處理器生產商。列微處理器生產商。v但是，它也生產嵌入式處理器，不過該公司但是，它也生產嵌入式處理器，不過該公司生產的嵌入式處理器并不是自主知識產權的生產的嵌入式處理器并不是自主知識產權的產品。產品。vIntel公司購買了公司購買了ARM的的IP核先后生產出核先后生產出了兩種嵌入

45、式處理器：了兩種嵌入式處理器：StrongARM和和XScale。Intel公司生產的公司生產的ARM系列處理器系列處理器v除了維持指令集不變之外，除了維持指令集不變之外，Intel公司憑借公司憑借自身強大的技術開發(fā)實力，在功能上和性能自身強大的技術開發(fā)實力，在功能上和性能上對這兩款嵌入式處理器做了改進和提高，上對這兩款嵌入式處理器做了改進和提高，使得它們成為性能優(yōu)秀的嵌入式處理器。使得它們成為性能優(yōu)秀的嵌入式處理器。ARMARM的發(fā)展歷程的發(fā)展歷程ARM8,810ARM7D,7DMARM2,31985 - 90 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997ARM7TD

46、MIARM6,60,610ARM7,710MIPS204060801000StrongARMARM9,920PowerPC處理器處理器v由由IBM（國際商業(yè)機器公司）（國際商業(yè)機器公司） Motorola（摩托羅拉公司）（摩托羅拉公司） 和和Apple (蘋果公司蘋果公司)聯(lián)聯(lián)合開發(fā)的高性能合開發(fā)的高性能32位和位和64位位RISC微處理器微處理器系列系列 。vPower PC家族有三條產品線，分別是嵌入家族有三條產品線，分別是嵌入式的式的Power PC 400系列，系列，Power PC 700和和Power PC 900系列。系列。 PowerPC處理器處理器v特點特點 兼容性；兼容性；

47、 開放性；（公開指令集，允許任何廠商開放性；（公開指令集，允許任何廠商設計設計Power PC的兼容處理器，的兼容處理器，Power PC的一些軟件的源代碼也可以的一些軟件的源代碼也可以下載到）下載到） 內核非常小，可以在同一芯片上安置許內核非常小，可以在同一芯片上安置許多其他的輔助電路，例如緩存、協(xié)處理多其他的輔助電路，例如緩存、協(xié)處理器，大大增加了芯片的靈活性。器，大大增加了芯片的靈活性。 MIPS嵌入式微處理器嵌入式微處理器vMIPS處理器處理器 MIPS計算機公司研發(fā)計算機公司研發(fā) 一種高端嵌入式內核標準一種高端嵌入式內核標準 MIPS的英文原文：的英文原文：Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages 中文意義是內部無互鎖流水級微處理器中文意義是內部無互鎖流水級微處理器盡量利用軟件辦法避免流水線的數據盡量利用軟件辦法避免流水線的數據相關問題相關問題MIPS計算機公司簡史計算機公司簡史vMIPS處理器最早是在處理器最早是在80年代初期由斯坦年代初期由斯坦福福(Stanfor