嵌入式系統(tǒng)概論-以S3C2440核心為架構(gòu)

1、嵌入式系統(tǒng)概論-以S3C2440核心為架構(gòu) 第1章 嵌入式系統(tǒng)概念1大綱 1.1嵌入式系統(tǒng)概念1.2嵌入式處理器1.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.4 ARM微處理器的應(yīng)用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel 4004 2大綱 1.1嵌入式系統(tǒng)概念1.2嵌入式處理器1.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.4 ARM微處理器的應(yīng)用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel 4004 P-3/643什麼是嵌入式系統(tǒng)呢根據(jù)英國電機工程師協(xié)會(IEE)的定義，嵌入式系統(tǒng)為“控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器或甚至工廠運作的裝置” 。嵌入式系統(tǒng)是電腦軟體與硬體的綜合體，它是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)。舉例來說，一臺PC的外

2、部設(shè)備中就包含了510個嵌入式微處理器，如鍵盤、滑鼠、掃描器、數(shù)位相機或USB集線器等設(shè)備均由嵌入式處理器來進行控制。1.1嵌入式系統(tǒng)概念4嵌入式系統(tǒng)的三種架構(gòu) IP (Intellectual Property)等級晶片組等級模組等級1.1嵌入式系統(tǒng)概念5大綱 1.1嵌入式系統(tǒng)概念1.2嵌入式處理器1.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.4 ARM微處理器的應(yīng)用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel 4004 P-6/646任何微處理器MPU或微控制器MCU(即常稱的單晶微處理機)都可以作為嵌入式系統(tǒng)的核心。 用X86微處理器架構(gòu)作為嵌入式系統(tǒng)的核心，具有開發(fā)方便和移植容易等優(yōu)點，但是其體積大、功率消

3、耗高和和即時性差等不足也給其帶來應(yīng)用的局限。 P-7/641.2.1嵌入式處理器簡介780386EX則是最早用於SoC型的單晶微處理機型的PC主機，它以80386微處理器為核心，在一個晶片組上整合了PC主機常用的I/O、即時時脈RTC、中斷控制器、DMA控制器、定時/計數(shù)器、並行/串列埠以及VGA的LCD液晶顯示器(驅(qū)動器)等，。RISC(Reduced Instruction Set Computer)型處理器具有結(jié)構(gòu)簡單、處理速度快和處理功能強等優(yōu)點，所以新型的嵌入式系統(tǒng)大多數(shù)都採用RISC型處理器作為核心。 P-8/641.2.1嵌入式處理器簡介8 目前ARM架構(gòu)處理器已在高性能、低功率

4、消耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域佔據(jù)領(lǐng)先地位。 目前普遍對於各種系統(tǒng)強調(diào)需低消耗功率，高執(zhí)行效率的要求之下，使得 ARM微處理器及相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各種不同的領(lǐng)域中。 其中，主要為以下八大領(lǐng)域：1.2.2 ARM架構(gòu)處理器P-9/6491、工業(yè)控制領(lǐng)域：2、無線通訊領(lǐng)域：3、網(wǎng)路應(yīng)用：4、消費性電子產(chǎn)品：5、影像和保全產(chǎn)品：6. 智慧型手機：7.GPS導(dǎo)航機：8. 智慧型機械人：P-10/641.2.2 ARM架構(gòu)處理器10這種採用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般都會具有如下的特點：體積小、低消耗功率、低成本與高性能支援Thumb（16位元）/ARM（32位元）雙指令集，也能相容8位元/

5、16位元元件大量使用暫存器，指令執(zhí)行速度更快大多數(shù)資料操作都在暫存器中完成定址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高指令長度固定P-11/641.2.3 ARM微處理器的特點11Thumb指令集（T變量）Thumb指令集是ARM指令集的子集。這個T變量對於Ver4之前是無效的。而目前有兩種的Thumb指令集：Thumb 版本 v1（適用v4的T變量）與Thumb 版本 V1（適用v5的T變量）長乘法指令（M變量）ARM指令集的M變量包含了4個附加的指令來實現(xiàn)32 x 32 64的乘法與32 x 32 + 6464乘加運算。這些指令意謂著乘法器是需要相當龐大的運算資源。因此，在一些僅需小程式代碼以及不太需要乘

6、法功能所實現(xiàn)的晶片組中，有時是省略這些指令的。P-12/641.2.3 ARM微處理器的特點12增強型DSP指令（E變量）為了實現(xiàn)一般的DSP運算法，提供了一些附加的指令來增強ARM處器的功能。這些指令是意義在v5T版本上，因此在之前的版本是無效的，同時，在不具T變量與M變量的結(jié)構(gòu)中，亦是無效的。將個別的功能特性的字串加以連接起來，以表示完成所支援的功能。 ARM指令集版本號碼變量符號（除了M變量外），因為在這一系列的結(jié)構(gòu)中，v4及以上的版本都將M變量視為標準的配置，所以不加以列出。若在v3以上的版本中，所描述的變量特性沒有出現(xiàn)的話，則以x字母來排除這項代表這變量的字母。P-13/641.2.

7、3 ARM微處理器的特點13ARM7微處理器系列具有如下特點：具有嵌入式ICERT邏輯，除錯開發(fā)非常方便。極低的消耗功率，適合對消耗功率要求較高的應(yīng)用，如手持式或可攜式型產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結(jié)構(gòu)。程式代碼密度高並相容的16位元Thumb指令集。廣泛地支援各種作業(yè)系統(tǒng)，其中，包括了Windows CE、Linux或是Palm OS等作業(yè)系統(tǒng)。P-14/641.2.4 ARM7微處理器系列14ARM9系列微處理器在高性能和低消耗功率特性方面提供了最佳的性能。其中，具有以下的特點：5級整數(shù)管線，指令執(zhí)行效率更高。提供1.1MIPS/MHz的哈佛結(jié)構(gòu)。支援32位元ARM指令集

8、和16位元Thumb指令集。支援32位元的高速AMBA匯流排界面。全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux以及Palm OS等多種主流的嵌入式作業(yè)系統(tǒng)。MPU支援即時操作系統(tǒng)。支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。P-15/641.2.5 ARM9微處理器系列15ARM9E系列微處理器的主要特點：支援DSP指令集，適合於需要高速數(shù)位信號處理的場合。5級整數(shù)管線，指令執(zhí)行效率更高。支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。支援32位元的高速AMBA匯流排界面。支援VFP9浮點處理輔助運算器。全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux

9、以及Palm OS等多種主流嵌入式作業(yè)系統(tǒng)。MPU支援即時操作系統(tǒng)。支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。主頻最高可達300MIPS。P-16/641.2.6 ARM9E微處理器系列16大綱 1.1嵌入式系統(tǒng)概念1.2嵌入式處理器1.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.4 ARM微處理器的應(yīng)用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel 4004 P-17/6417傳統(tǒng)的CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜指令集電腦）結(jié)構(gòu)有其固有的缺點。 RISC體系結(jié)構(gòu)也還沒有嚴格的定義，一般認為，RISC體系結(jié)構(gòu)應(yīng)具有如下特點：採用固定長度的指令格式

10、，指令整齊、簡單、基本定址方式有23種。使用單週期指令，便於管線操作執(zhí)行。大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行操作，只有載入/ 存回（Load/Store）指令可以存取記憶體，以提高指令的執(zhí)行效率。除此以外，ARM系列結(jié)構(gòu)還採用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下，儘量縮小晶片的面積，並降低消耗功率：所有的指令都可根據(jù)前面的執(zhí)行結(jié)果決定是否被執(zhí)行，從而提高指令的執(zhí)行效率?？捎幂d入/存回指令大量傳輸資料，以提高資料的傳輸效率。可在一條資料處理指令中，同時完成邏輯處理和移位元處理。在迴圈處理中，使用位址的自動遞增/遞減來提高執(zhí)行效率。P-18/641.3.1 RISC系列結(jié)構(gòu)18ARM微處

11、理器共有37個暫存器，被分為若干個記憶體組（BANK），這些暫存器包括：31個通用暫存器，包括程式計數(shù)器（PC指標器），均為32位的暫存器。6個狀態(tài)暫存器，用以標識CPU的工作狀態(tài)及程式的運行狀態(tài)，均為32位元，目前只使用了其中的一部分。P-19/641.3.2 ARM微處理器的暫存器結(jié)構(gòu)19ARM微處理器的在較新的體系結(jié)構(gòu)中支援兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。ARM指令為32位元的長度；Thumb指令為16位元長度，為ARM指令集的功能子集。Thumb代碼與相同效能的ARM代碼相比較，可節(jié)省3040以上的儲存空間，同時具備32位元代碼的所有優(yōu)點。P-20/641.3.3 ARM微

12、處理器的指令結(jié)構(gòu)20ARM系列的微處理器是具備范紐曼（Von Neumann）機器。ARM系列包含了記憶體，邏輯運算單元，程式控制單元，輸入/輸出設(shè)備等。ARM系列的CPU可以經(jīng)由匯流排對某個記憶體區(qū)塊來做資料存取的工作，而整個系統(tǒng)的記憶體僅能在同一時間回應(yīng)一個要求而已。ARM微處理器以單一32-bit的資料匯流排同時攜帶了指令與資料。而僅有載入與存回，以及切換指令能夠從記憶體來存取資料。P-21/641.3.4 ARM微處理器的記憶體存取21為了讓可攜式的手持設(shè)備具有最高的電池使用壽命以及使用時間，就提出了智慧型電能管理器（Intelligent Energy Manager (IEM)）功

13、能。而其特性如下所列：IEM動態(tài)地控制ARM處理器與其他晶片上元件，使之執(zhí)行在能量消耗效率最高的水平上，同時保證良好的使用者體驗。IEM增加了電池壽命IEM 在傳統(tǒng)的功率消耗控制方法上，增加性能比例控制硬體，可以減少靜態(tài)和動態(tài)功率消耗P-22/641.3.5 智慧型電能管理器22大綱 1.1嵌入式系統(tǒng)概念1.2嵌入式處理器1.3 ARM微處理器結(jié)構(gòu)1.4 ARM微處理器的應(yīng)用類型選擇第一顆四位元微處理器Intel 4004 P-23/6423ARM微處理器核心的選擇從前面所介紹的內(nèi)容可知，ARM微處理器包含一系列的核心結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域 。系統(tǒng)工作頻率系統(tǒng)工作頻率的規(guī)格大幅地決定了ARM微處理器的處理能力。晶片組內(nèi)的記憶體容量由於大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)記憶體的容量都不太大，因此需要使用者在設(shè)計系統(tǒng)時外部擴充