微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計課件：chap1 概述

1、1祝崇今電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院EMAIL: Office:(清水河)科B5262計算機是什么3后PC時代：通用計算機、嵌入式計算機計算機的分類4嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學(xué)科，涉及計算機、微電子、網(wǎng)絡(luò)、通信、信號處理、傳感器等諸多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微機電系統(tǒng)MEMS、片上系統(tǒng)SoC、納米材料、無線通信技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。嵌入式(計算機)系統(tǒng)5 CPU90% 10%無所不在的計算(普適計算)6789 1946年，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士Mauchley和電氣工程師Eckert領(lǐng)導(dǎo)的小

2、組研制成功世界上第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC 。 著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家Von Neumann參加了為改進ENIAC而舉行的一系列專家會議，研究了新型計算機的體系結(jié)構(gòu)。 1949年，英國劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在EDSAC 機上實現(xiàn)了馮諾依曼模式。 直至今天馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕大多數(shù)數(shù)字計算機的基礎(chǔ)。計算機的體系結(jié)構(gòu)10計算機的組成(1)11同步數(shù)字系統(tǒng)計算機的組成(2)12核心系統(tǒng)架構(gòu)軟件基礎(chǔ)本課程涉及主要內(nèi)容： 計算機體系結(jié)構(gòu)與組成原理； 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；硬件基礎(chǔ)計算機專業(yè)課程13考核方式考核方式：有限開卷成績構(gòu)成平時成績：10實驗成績：15期中考試：15期末

3、考試：6014教材微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，李廣軍等，電子工業(yè)出版社，2009.8微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，李廣軍等，電子工業(yè)出版社（第2版），20011.815參考書目郭新房等譯. Stephen D. Burd著. 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（第5版），清華大學(xué)出版社，2007年張晨曦、王志英等編著. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高等教育出版社，2008年 潘松，潘明編著. 現(xiàn)代計算機組成原理，科學(xué)出版社，2007年張昆藏等譯. William Stallings著. 計算機組織與體系結(jié)構(gòu)-性能設(shè)計（第七版），清華大學(xué)出版社，2006年杜春雷編著. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，清華大學(xué)出版社，2007年任

4、哲等編著. ARM體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式處理器，北京航空航天大學(xué)出版社，2007 16學(xué)時分配課堂教學(xué)：64學(xué)時概述（2學(xué)時）計算機系統(tǒng)組成與工作原理（10學(xué)時）微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)（6學(xué)時）總線技術(shù)與總線標準（6學(xué)時）存儲器系統(tǒng)（8學(xué)時）輸入/輸出接口（8學(xué)時）ARM微處理器編程模型（4學(xué)時）ARM匯編指令（4學(xué)時）ARM程序設(shè)計（4學(xué)時）基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計（5學(xué)時）基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計（5學(xué)時）基于ARM微處理器核的SoC設(shè)計（2學(xué)時）17學(xué)時分配實驗：16學(xué)時基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境建立ARM平臺下多線程應(yīng)用程序設(shè)計實驗基于ARM的SCI/SPI串

5、行通訊實驗基于ARM的觸摸屏驅(qū)動程序設(shè)計實驗基于ARM的AC97音頻驅(qū)動及應(yīng)用實驗多平臺兼容的ARM9硬件開發(fā)環(huán)境搭建基于ARM的模塊方式驅(qū)動程序設(shè)計實驗基于ARM的SD卡讀寫及文件系統(tǒng)設(shè)計實驗基于ARM的USB OTG接口實驗基于ARM的GPRS通訊實驗基于ARM的以太網(wǎng)通訊實驗基于ARM的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗18實驗設(shè)備19課程簡介是電子類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程之一，研究微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)原理及設(shè)計方法前修課程：數(shù)字邏輯電路設(shè)計，計算機技術(shù)基礎(chǔ)后修課程：嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)控制課程目標：理解微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理，具備初步設(shè)計微處理器硬件系統(tǒng)、編寫較簡單程序的能力，熟悉使用微處理

6、器系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)工具課程主要內(nèi)容微處理器芯片結(jié)構(gòu)、模塊功能及作用微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理微處理器系統(tǒng)接口ARM指令系統(tǒng)及編程嵌入式系統(tǒng)設(shè)計20第一章 概述第一章概述1.1 計算機發(fā)展概述（了解）電子計算機發(fā)展概述普適計算與泛在通信1.2 集成電路與SoC設(shè)計（理解）集成電路技術(shù)的發(fā)展基于IP的SoC設(shè)計1.3 先進的處理器技術(shù)（了解）片上多核處理器(CMP)流處理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重構(gòu)計算處理器1.4 嵌入式系統(tǒng)（了解）嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)中的處理器嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢學(xué)習(xí)嵌入

7、式系統(tǒng)的意義2122現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分，計算機在信息的后五部分都起到關(guān)鍵作用計算機的發(fā)展一直和數(shù)字電路設(shè)計的發(fā)展相輔相成，互相促進 從計算機學(xué)科的角度分析，嵌入式系統(tǒng)在一定程度上代表了未來計算機發(fā)展的方向23IT行業(yè)的四大定律 Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個月翻一番； Bell定律：如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半； Gilder定律：未來25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍； Metcalfe定律：網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比241.1計算機發(fā)展概述機

8、械式計算機的啟蒙時代 公元前3000年，中國古代使用珠子計數(shù)后來發(fā)明算盤25中世紀（1822）Charles Babbage (1791-1871）出生于英國，父親是銀行家提出分析引擎的設(shè)計，用于差分運算difference engine26分析引擎照片Difference Engine Number 2 4,000個部件7英尺高, 11英尺長, 18英寸厚500,000磅重analytical engine, 1834271.1.1 電子計算機發(fā)展概述美國發(fā)明家佛斯特（Lee de Forest）于1906年發(fā)明了電子管1909年起，BELL實驗室相繼發(fā)明電子管收音機、電子管錄放機、電子管電

9、視機、唱片機、無線電發(fā)報機 1920年在美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾電子工程學(xué)院開始研究大規(guī)模數(shù)字計算機1943年Mauchly and Eckert 等給美國軍方建議研制數(shù)字積分器，每秒能計算一個軌道參數(shù)1943年5月， ENIAC開始設(shè)計，1944年初，提出程序存儲的概念1944年7月，2個累加器正常工作1945年春，ENIAC研制成功累加器：28個真空管1電子管時代28ENIAC18,000電子管1500個繼電器70,000電阻5M個焊點占地1,800平方英尺功率180,000瓦重量30噸運算速度5000次/秒29ENIAC30英國 Manchester Mark I (1948)開發(fā)成功固體

10、電子存儲器程序存儲存儲器：32字32位1949年10月全部完成31EDSAC英國劍橋，1945年322晶體管(transistor)時代1947年12月，肖克萊、巴丁和布拉頓 鍺點接觸型晶體管1950年面結(jié)型硅晶體管1953年半導(dǎo)體材料區(qū)域提純1958年第一塊集成電路德克薩斯儀器公司(TI) - Ge IC仙童公司(Fairchild) - Si IC1960年MOS場效應(yīng)管33第一個點接觸型鍺晶體管巴丁(左)肖克萊(中)布拉頓1947年12月，3人研制出點接觸型晶體管1948年1月肖構(gòu)思了面結(jié)型晶體管，直到1950年4月研制成功34第一臺集成電路的計算機IBM360(第三代)1964年4月，

11、IBM研制第一臺采用集成電路的計算機，兼顧科學(xué)計算和事務(wù)處理35中、小規(guī)模集成電路計算機第三代計算機是中、小規(guī)模集成電路計算機時代，它是以集成電路作為基礎(chǔ)元件，這是微電子與計算機技術(shù)相結(jié)合的一大突破，并且有了操作系統(tǒng)。36INTEL40041971.11.15集成2250個元件第1個微處理器37INTEL80081972.4集成了3500第1個8位微處理器38集成度的迅猛發(fā)展 半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的事實像Moore定律所預(yù)言的一樣，科學(xué)家和工程師解決了一個又一個的技術(shù)障礙，使MOS工藝每隔幾年現(xiàn)款就縮小二分之一計算機進入是大規(guī)模集成電路(Large Scale Integration)和超大規(guī)模集成

12、電路(VLSI)時代，軟件方面發(fā)展了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)軟件等39集成度的迅猛發(fā)展 40INTEL處理器處理器時間 寬度 存儲器 速度MIPS4004197141K80081972816K80801974864K8088198081M.33802861982161M3803861985324G11804861989324G41Pentium 1993 64 4G 11141奔騰系列處理器奔騰處理器1994,100 MHz, 3.3V,集成3M 元件奔騰II:1997.5.7, 266 MHz, 3.3V,集成7.5M個元件42Intel Pentium (IV) Microproc

13、essor:1999,1.2 GHz, 1.8V,42M Components43Intel core i7 四核處理器44新型的計算機生物計算機模糊計算機光計算機量子計算機超導(dǎo)計算機思考：還有哪些公司的什么處理器和計算機？請舉例說明計算機發(fā)展過程示意圖1.1.2 普適計算與泛在通信普適計算（Ubiquitous computing）：45小型、便宜、網(wǎng)絡(luò)化的處理設(shè)備廣泛分布在日常生活的各個場所，計算設(shè)備將不只依賴命令行、圖形界面進行人機交互，而更依賴“自然”的交互方式泛在通信(無所不在的計算機)46無線傳感器網(wǎng)絡(luò)47物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)48物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)49501.2 集成電路與SoC設(shè)計美國德州儀器杰克

14、，基爾比（Jack,Kilby）1958年9月，集成了5個元件，鍺材料，相移振蕩器第一塊集成電路1.2.1集成電路技術(shù)的發(fā)展51第一塊集成電路1959年7月，美國仙童公司諾伊斯(Robert Royce)二氧化硅屏蔽的擴散技術(shù)和PN結(jié)的隔離技術(shù)，硅平面上的集成電路，更具商業(yè)化都申請了專利，且諾伊斯的先批準，都認為是集成電路的發(fā)明者Robert Royce集成電路工藝年 度199920022005200820112014特征尺寸(m)0.180.130.090.0650.500.035集成規(guī)模(transistors)120M330M880M2.5G7.1G19.9G521.2.2 基于IP的S

15、OC設(shè)計系統(tǒng)知識 (硬件與軟件)電路設(shè)計知識 (DAC、ADC 等)制造工藝知識(90nm, 65nm, 45nm)晶圓工藝知識(300mm 晶圓)A/DA/D數(shù)字射頻處理器數(shù)字濾波與控制混合信號處理器 數(shù)字 基帶混合信號處理器軟硬件協(xié)同設(shè)計設(shè)計及驗證技術(shù)IP核生成和復(fù)用技術(shù)超深亞微米工藝及納米IC設(shè)計技術(shù)53片上網(wǎng)絡(luò)(NOC) 技術(shù)P處理器 M存儲器 C緩存 rni網(wǎng)絡(luò)接口S交換開關(guān)Dsp核 re可重構(gòu)邏輯L專用邏輯541.3 先進的處理器技術(shù)多核處理器5556多核處理器并行結(jié)構(gòu) 提高計算機性能的方法提高時鐘頻率，以加快CPU的執(zhí)行速度流水線技術(shù)并行處理技術(shù)計算機系統(tǒng)模型單指令單數(shù)據(jù)SISD

16、單指令多數(shù)據(jù)SIMD多指令單數(shù)據(jù)MISD多指令多數(shù)據(jù)MIMD多處理器組織方式對稱多處理機(Symmetric MultiProcessor，SMP)機群系統(tǒng)(cluster)57用單總線連接的多處理器 58通過網(wǎng)絡(luò)連接的多處理器 59片內(nèi)多處理器和多線程技術(shù) 多個微處理器通過互連網(wǎng)絡(luò)連接共享的一種替代方式是片內(nèi)處理器在這種設(shè)計中，處理器通常共享一些高速緩存和外部內(nèi)存接口。很明顯，當所有的部件都在同一芯片上時，芯片間通信的延遲就會小得多601.4 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)或嵌入式計算機系統(tǒng)，是專用的計算機系統(tǒng)，隨著技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)無處不在 .61按應(yīng)用來分類信息家電類移動終端類通信類汽車電子類

17、工業(yè)控制類62一、嵌入式系統(tǒng)的概念 IEEE定義:嵌入式系統(tǒng)(embeded system)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機器和車間運行的裝置”(devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants)國內(nèi)普遍認同的定義：以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，即“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”63二、嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應(yīng)用的，如ARM系列多用于移動電話中，PowerP

18、C用于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中。嵌入式系統(tǒng)是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散并不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用不容易在市場上形成壟斷。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計。嵌入式處理器的應(yīng)用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，和通用計算機有以下不同點：軟件要求固件化，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的軟件固化在只讀存儲器中；要求高質(zhì)量、高可靠性的軟件代碼；許多應(yīng)用中要求系統(tǒng)軟件具有實時處理能力。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，就具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)需要有一套開發(fā)工具和環(huán)境以應(yīng)用為中心 軟、硬件可裁剪 對體積、功耗、實時性、可靠性、功能、成本等有嚴格約束嵌入式系統(tǒng)的特點65三、嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)分為如下三大部分 嵌入式系統(tǒng)的硬件,嵌入式系統(tǒng)的硬件包括嵌入式核心芯片、存儲器系統(tǒng)及外部接口。 嵌入式系統(tǒng)的軟件。嵌入式系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分：嵌入式操