西安工業(yè)大學(xué)電信學(xué)院嵌入式課件chapter_2

1、2C H A P T E R嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)本節(jié)提要本節(jié)提要嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)流程嵌入式系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)流程芯片封裝知識(shí)簡(jiǎn)介芯片封裝知識(shí)簡(jiǎn)介嵌入式系統(tǒng)硬件部分嵌入式系統(tǒng)軟件部分如人的大腦，決定了硬件的操作模式。通過(guò)良好的操作系統(tǒng)以及應(yīng)用程序，把硬件功能發(fā)揮到極至。如人的手、腳、神經(jīng)等部位，決定了嵌入式系統(tǒng)的先天功能。如運(yùn)算能力和I/O接口等。nRISC和CISC結(jié)構(gòu)n馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)n流水線n超標(biāo)量及高速緩存 n總線n高速輸入輸出接口n輸入輸出設(shè)備n存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)硬件基礎(chǔ)CISC和RISCCISCC

2、ISC：復(fù)雜指令集（：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式，指令長(zhǎng)度可變具有大量的指令和尋址方式，指令長(zhǎng)度可變8/28/2原則：原則：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運(yùn)行。RISCRISC：精簡(jiǎn)指令集（：精簡(jiǎn)指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令

3、長(zhǎng)度固定只包含最有用的指令，指令長(zhǎng)度固定確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使使CPUCPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開(kāi)始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開(kāi)始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC：Load/Store結(jié)構(gòu)CISC：尋址方式復(fù)雜CISC的背景和特點(diǎn) n背景背景: : 存儲(chǔ)資源緊缺存儲(chǔ)資源緊缺, , 強(qiáng)調(diào)編譯優(yōu)化強(qiáng)調(diào)編譯優(yōu)化n增強(qiáng)指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些增強(qiáng)指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的（微程原來(lái)由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用

4、硬件的（微程序）指令系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)序）指令系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)n為節(jié)省存儲(chǔ)空間，強(qiáng)調(diào)高代碼密度，指令格式不固為節(jié)省存儲(chǔ)空間，強(qiáng)調(diào)高代碼密度，指令格式不固定，指令可長(zhǎng)可短，操作數(shù)可多可少定，指令可長(zhǎng)可短，操作數(shù)可多可少n尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來(lái)自寄存器，也可來(lái)尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來(lái)自寄存器，也可來(lái)自存儲(chǔ)器自存儲(chǔ)器n采用微程序控制，執(zhí)行每條指令均需完成一個(gè)微指采用微程序控制，執(zhí)行每條指令均需完成一個(gè)微指令序列令序列nCPICPI（Cycles Per InstructionCycles Per Instruction） ，指令越復(fù)，指令越復(fù)雜，雜，CPICPI越大。越大。CISC的主要缺點(diǎn)n指令使用頻

5、度不均衡。指令使用頻度不均衡。n高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時(shí)間，擴(kuò)充的高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時(shí)間，擴(kuò)充的復(fù)雜指令往往是低頻度指令。復(fù)雜指令往往是低頻度指令。n大量復(fù)雜指令的控制邏輯不規(guī)整，不適于大量復(fù)雜指令的控制邏輯不規(guī)整，不適于VLSIVLSI工工藝藝nVLSIVLSI的出現(xiàn)，使單芯片處理機(jī)希望采用規(guī)整的硬聯(lián)邏輯的出現(xiàn)，使單芯片處理機(jī)希望采用規(guī)整的硬聯(lián)邏輯實(shí)現(xiàn)，而不希望用微程序，因?yàn)槲⒊绦虻氖褂梅炊萍s實(shí)現(xiàn)，而不希望用微程序，因?yàn)槲⒊绦虻氖褂梅炊萍s了速度提高。了速度提高。( (微碼的存控速度比微碼的存控速度比CPUCPU慢慢5-105-10倍倍) )。n軟硬功能分配

6、軟硬功能分配n復(fù)雜指令增加硬件的復(fù)雜度，使指令執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)，復(fù)雜指令增加硬件的復(fù)雜度，使指令執(zhí)行周期大大加長(zhǎng)，直接訪訪問(wèn)內(nèi)存次數(shù)增多，數(shù)據(jù)重復(fù)利用率低。直接訪訪問(wèn)內(nèi)存次數(shù)增多，數(shù)據(jù)重復(fù)利用率低。n不利于先進(jìn)指令級(jí)并行技術(shù)的采用不利于先進(jìn)指令級(jí)并行技術(shù)的采用n流水線技術(shù)流水線技術(shù)RISC基本設(shè)計(jì)思想n減小減小CPI: CPUtime=Instr_Count CPI: CPUtime=Instr_Count * * CPI CPI * * Clock_cycleClock_cyclen精簡(jiǎn)指令集：保留最基本的精簡(jiǎn)指令集：保留最基本的, ,去掉復(fù)雜、使用頻去掉復(fù)雜、使用頻度不高的指令度不高的指令

7、n采用采用Load/StoreLoad/Store結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式統(tǒng)一存儲(chǔ)器訪問(wèn)方式n采用硬接線控制代替微程序控制采用硬接線控制代替微程序控制RISC:減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)nCPUtime= Instr_Count CPUtime= Instr_Count * *CPI CPI * * Clock_cycle Clock_cyclenICICRISCRISC IC IC CISCCISC, , nCCCCRISCRISC CC CCCISCCISCnCPICPIRISCRISC CPI CPICISC CISC ， 20%20%n超標(biāo)量、

8、超流水線、等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，超標(biāo)量、超流水線、等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 目標(biāo)在于目標(biāo)在于減小減小CPICPI， 可使可使CPI1CPI1CISC與RISC的對(duì)比類別類別CISCCISCRISCRISC指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多指令數(shù)量很多較少，通常少于較少，通常少于100100執(zhí)行時(shí)間執(zhí)行時(shí)間有些指令執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，如有些指令執(zhí)行時(shí)間很長(zhǎng)，如整塊的存儲(chǔ)器內(nèi)容拷貝；或整塊的存儲(chǔ)器內(nèi)容拷貝；或?qū)⒍鄠€(gè)寄存器的內(nèi)容拷貝到將多個(gè)寄存器的內(nèi)容拷貝到存貯器存貯器沒(méi)有較長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間的指令沒(méi)有較長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間的指令編碼長(zhǎng)度編碼長(zhǎng)度編碼長(zhǎng)度可變，編碼長(zhǎng)度可變，1-151-15字節(jié)字節(jié)編碼長(zhǎng)度固定，通常為編碼長(zhǎng)度固定，通常為4 4個(gè)字節(jié)個(gè)

9、字節(jié)尋址方式尋址方式尋址方式多樣尋址方式多樣簡(jiǎn)單尋址簡(jiǎn)單尋址操作操作可以對(duì)存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行可以對(duì)存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作算術(shù)和邏輯操作只能對(duì)寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯只能對(duì)寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作，操作，Load/StoreLoad/Store體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)編譯編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序的目標(biāo)代碼程序 采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序的目標(biāo)代碼程序 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出存儲(chǔ)器程序指令0指令1指令2指令3指令4數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2CPU哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程

10、序存儲(chǔ)器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)流水線技術(shù)流水線技術(shù)流水線流水線(Pipeline)(Pipeline)技術(shù)：幾條指令可以并行執(zhí)行技術(shù)：幾條指令可以并行執(zhí)行 提高了提高了CPUCPU的運(yùn)行效率的運(yùn)行效率 內(nèi)部信息流通暢流動(dòng)內(nèi)部信息流通暢流動(dòng)譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時(shí)間AddSubCmp指令流水線以ARM為例n為增加處理器指令流的速度，ARM7 系列使用3級(jí)流水線.n允許多個(gè)操作同時(shí)處理，比逐條指令執(zhí)行要快。n PC指向正被取指的指令，而非正在執(zhí)行的指令FetchDecodeExecute從存儲(chǔ)器中讀取指令解碼指令寄存器讀（從寄

11、存器Bank）移位及ALU操作寄存器寫(xiě)（到寄存器Bank ）PCPCPC - 4PC-2PC - 8PC - 4ARMThumb 最佳流水線n該例中用6個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行了6條指令n所有的操作都在寄存器中（單周期執(zhí)行）n指令周期數(shù) (CPI) = 1 操作操作周期周期 1 2 3 45 6 ADD SUB MOV AND ORR EOR CMP RSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch超

12、標(biāo)量執(zhí)行超標(biāo)量超標(biāo)量(Superscalar)執(zhí)行：超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)采用多條流水線結(jié)構(gòu) 執(zhí)行1取指指令譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1取指譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)回寫(xiě)高速緩存（CACHE）1 1、為什么采用高速緩存、為什么采用高速緩存 微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以微處理器的時(shí)鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。提高內(nèi)存的平均性能。2 2、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(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)高速緩存是一種小型、快速的存儲(chǔ)器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。容的拷貝。 CPU高速緩存控制

13、器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲(chǔ)器高速設(shè)備鍵盤(pán)低速總線ARM公司提出的AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)總線n總線的主要參數(shù)有總線的主要參數(shù)有n總線的帶寬總線的帶寬n總線的位寬總線的位寬n總線的工作時(shí)鐘頻率總線的工作時(shí)鐘頻率總線機(jī)制n微處理器（微處理器（CPUCPU）是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心構(gòu)）是嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心構(gòu)件，但不是全部。按照馮件，但不是全部。按照馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)思想，諾依曼體系結(jié)構(gòu)思想，計(jì)算機(jī)的硬件是由計(jì)算機(jī)的硬件是由CPUCPU、存儲(chǔ)器和、存儲(chǔ)器和I/OI/O設(shè)備三部分組設(shè)備三部分組成的?？偩€是把成的?？偩€是把CPUCPU與存儲(chǔ)器、與存儲(chǔ)器、I/OI

14、/O設(shè)備相連接的信設(shè)備相連接的信息通道，但總線并不僅僅指的是一束信號(hào)線，而應(yīng)息通道，但總線并不僅僅指的是一束信號(hào)線，而應(yīng)包含相應(yīng)的通信協(xié)議。按照使用場(chǎng)合的不同，總線包含相應(yīng)的通信協(xié)議。按照使用場(chǎng)合的不同，總線分成芯片級(jí)總線（分成芯片級(jí)總線（CPUCPU總線）、板卡級(jí)總線（內(nèi)總總線）、板卡級(jí)總線（內(nèi)總線）和系統(tǒng)級(jí)總線（外總線）。線）和系統(tǒng)級(jí)總線（外總線）。ISAnIBM IBM 公司于公司于1981 1981 年推出的基于年推出的基于8 8 位機(jī)位機(jī)PC/XT PC/XT 的總線，稱為的總線，稱為PC PC 總線?？偩€。nIBM IBM 公司于公司于1984 1984 年推出了年推出了16 16

15、 位位PC PC 機(jī)機(jī)PC/ATPC/AT，其總線稱為其總線稱為AT AT 總線?？偩€。 （ISAISA總線時(shí)鐘頻率：總線時(shí)鐘頻率：6.66MHZ6.66MHZ至至 26.66MHZ 26.66MHZ ，典型，典型8MHz8MHz）nEISAEISA總線，總線，3232位位PCIn1991 1991 年下半年，年下半年，Intel Intel 公司首先提出了公司首先提出了PCI PCI 的概念。的概念。nIntelIntel聯(lián)合聯(lián)合IBMIBM、CompaqCompaq、ASTAST、HPHP、DEC DEC 等等100 100 多家公司成立了多家公司成立了PCI PCI 集團(tuán)，其英文全稱集團(tuán)

16、，其英文全稱為：為：Peripheral Component Interconnect Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(Special Interest Group(外圍部件互連專外圍部件互連專業(yè)組業(yè)組) )，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱PCISIGPCISIG。n9393年發(fā)布年發(fā)布PCI2.0PCI2.0，3232位，位，33MHz33MHz。5 5個(gè)以上個(gè)以上PCIPCI插槽插槽n9090年代后期，年代后期，PCI-XPCI-X，6464位位/66MHz/66MHzCPCInCPCICPCI（Compact PCICompa

17、ct PCI）nPICMGPICMG協(xié)會(huì)于協(xié)會(huì)于19941994提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，提出來(lái)的一種總線接口標(biāo)準(zhǔn)，面向嵌入式設(shè)備面向嵌入式設(shè)備n與與PCIPCI完全兼容完全兼容n高可靠性（高可靠性（99.999%99.999%）、低價(jià)位）、低價(jià)位n熱插拔（熱插拔（hot swaphot swap）PC104nPC104PC104是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工是一種專門(mén)為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的業(yè)控制總線，實(shí)質(zhì)上就是一種緊湊型的IEEE-P996IEEE-P996（ISAISA）。）。nPC104 PC104 有兩個(gè)版本，有兩個(gè)版本，8 8 位和位和16 16

18、位，分別與位，分別與PC PC 和和PC/AT PC/AT 相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。PC104PLUS PC104PLUS 則與則與PCIPCI總總線相對(duì)應(yīng)。線相對(duì)應(yīng)。I2CnPHILIPS 開(kāi)發(fā)了一種用于內(nèi)部IC控制的簡(jiǎn)單的雙向兩線串行總線I2C(Inter-Integrated Circuit )n最高速率100Kbps，25英尺，最多可支持40個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)線時(shí)鐘線CAN（Controller Area Network）n8080年代末，由德國(guó)年代末，由德國(guó)BoschBosch公司最先提出公司最先提出n被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝

19、置電子控制裝置ECU ECU 之間交換信息，形成汽車電子控之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。制網(wǎng)絡(luò)。n發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN CAN 控制裝置?？刂蒲b置。n使用使用CSMA/CDCSMA/CD協(xié)議協(xié)議n4040米以內(nèi)，米以內(nèi)，1Mbps1Mbps；10Km10Km，5Kbps5Kbps；理論上可以支持；理論上可以支持無(wú)限多個(gè)設(shè)備無(wú)限多個(gè)設(shè)備n可靠性高，誤碼率為可靠性高，誤碼率為1010-11-11n抗電磁干擾性強(qiáng)抗電磁干擾性強(qiáng)USB（Universal Serial Bus ）nIBMIBM、CompaqCompaq、NortelNortel、NECNEC、IntelIntel以及以及MicrosoftMicrosoft聯(lián)合聯(lián)合n距離距離5 5 米，米，Hub30Hub100 專用工具（表面安裝設(shè)備SMD ）裝卸 高頻線路使用、可靠性高，封裝面積小芯片封裝知識(shí)簡(jiǎn)介L(zhǎng)QFP(low profile quad flat package)薄型薄型QFP封裝本體厚度為1.4mm。芯片封裝知識(shí)簡(jiǎn)介n引腳網(wǎng)格陣列（Pi