硬件基礎(chǔ)第二次課課件

1、2C H A P T E R嵌入式硬件基礎(chǔ)2C H A P T E R嵌入式硬件基礎(chǔ)本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系統(tǒng)實(shí)例本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為核心，主要由嵌入式處理器、存儲器、總線、通信接口和輸入/輸出設(shè)備組成。嵌入式處理器存儲器總線 通信接口輸入輸出設(shè)備 電源及輔助設(shè)備嵌入式系統(tǒng)的硬件是以嵌入式處理器為核心，主要由嵌入式處理器、本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系統(tǒng)實(shí)例本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系

2、按指令集分：CISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer）RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)EPIC：并行指令集VLIW：超長指令集按體系結(jié)構(gòu)分：馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)嵌入式處理器分類按指令集分：嵌入式處理器分類CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（Complex Instruction Set Computer）具有大量的指令和尋址方式，指令種類多，指令長度可變RISC：精簡指令集（Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令長度固定確保數(shù)據(jù)通

3、道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單CISC和RISCCISC：復(fù)雜指令集（Complex InCISC的背景和特點(diǎn) 背景: 增強(qiáng)指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來由軟件實(shí)現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的指令系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)存儲資源緊缺, 為節(jié)省存儲空間，強(qiáng)調(diào)高代碼密度，指令格式不固定，指令可長可短，操作數(shù)可多可少,尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來自寄存器，也可來自存儲器CISC的背景和特點(diǎn) 背景: CISC的主要缺點(diǎn)指令使用頻度不均衡。高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時間，擴(kuò)充的復(fù)雜指令往往是低頻度指令。大量復(fù)雜指令的控制邏輯不規(guī)整，不適于VLSI工藝VLSI的出現(xiàn)，使單芯片處

4、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了速度提高。(微碼的存控速度比CPU慢5-10倍)。軟硬功能分配復(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。不利于先進(jìn)指令級并行技術(shù)的采用流水線技術(shù)CISC的主要缺點(diǎn)指令使用頻度不均衡。RISC基本設(shè)計思想減小指令執(zhí)行周期減少指令種類采用硬接線控制代替微程序控制針對流水線化的處理器優(yōu)化RISC基本設(shè)計思想減小指令執(zhí)行周期RISC的提出與發(fā)展RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801處理器是公認(rèn)體現(xiàn)RISC思想的機(jī)器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名詞，并

5、研制了RISC-,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC: MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)RISC的提出與發(fā)展RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫CISC與RISC的對比(1)（1）指令系統(tǒng)：RISC 設(shè)計者把主要精力放在常用指令上，使它們有簡單高效的特色。對不常用的功能，常通過組合指令來完成。因此，在RISC機(jī)器上實(shí)現(xiàn)特殊功能時，效率較低。而CISC 指令系統(tǒng)比較豐富，有專用指來完成特定的功能。因此，處理特殊任務(wù)效率較高。（2）存儲器操作：RISC 對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC 機(jī)器的存儲器

6、操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC 匯編語言程序一般需要較大內(nèi)存空間，實(shí)現(xiàn)特殊功能時程序復(fù)雜，不易設(shè)計；而CISC 匯編語言程序編程相對簡單，科學(xué)計算及復(fù)雜操作的程序社設(shè)計相對容易，效率較高。CISC與RISC的對比(1)（1）指令系統(tǒng)：RISC 設(shè)計CISC與RISC的對比(2)（4）中斷：RISC 機(jī)器在一條指令執(zhí)行的適當(dāng)?shù)胤娇梢皂憫?yīng)中斷；而CISC 機(jī)器是在一條指令執(zhí)行結(jié)束后響應(yīng)中斷。（5）CPU：RISC CPU 包含有較少的單元電路，因而面積小、功耗低；而CISC CPU 包含有豐富的電路單元，因而功能強(qiáng)、面積大、功耗大。（6）設(shè)計周期：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，布局緊湊，

7、設(shè)計周期短；CISC 微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計周期長。（7）用戶使用：RISC 微處理器結(jié)構(gòu)簡單，指令規(guī)整，性能容易把握，易學(xué)易用；CISC微處理器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能強(qiáng)大，實(shí)現(xiàn)特殊功能容易。（8）應(yīng)用范圍：由于RISC 指令系統(tǒng)的確定與特定的應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)，故RISC更適合于專用機(jī)；而CISC則更適合于通用機(jī)。CISC與RISC的對比(2)（4）中斷：RISC 機(jī)器在一馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器存儲器程序指令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)2馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制器數(shù)據(jù)通道輸入輸出中央處理器哈佛體系結(jié)構(gòu)指令寄存器控制

8、器數(shù)據(jù)通道輸入輸出CPU程序存儲器指令0指令1指令2數(shù)據(jù)存儲器數(shù)據(jù)0數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2地址指令地址數(shù)據(jù)哈佛結(jié)構(gòu)是不同于馮。諾依曼結(jié)構(gòu)的一種并行體系結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，每個存儲器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問。與之對應(yīng)的是系統(tǒng)中設(shè)置的兩條總線（程序總線和數(shù)據(jù)總線），使數(shù)據(jù)吞吐量大大提高。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程序存儲器嵌入式處理器有許多不同的體系，在同一體系中又可能具有不同的時鐘速度和總線數(shù)據(jù)寬度、集成不同的外部接口和設(shè)備。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前嵌入式處理器的品種總量已超過千種，流行體系結(jié)構(gòu)有30多個系列、主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86、SH等

9、。嵌入式處理器有許多不同的體系，在同一體系中又可能具有不同的時硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件調(diào)查市場上已有的CPU 供應(yīng)商；處理器的處理速度； 技術(shù)指標(biāo)； 處理器的低功耗； 處理器的軟件支持工具； 處理器是否內(nèi)置調(diào)試工具； 處理器供應(yīng)商是否提供評估板； 嵌入式處理器的選擇調(diào)查市場上已有的CPU 供應(yīng)商；嵌入式處理器的選擇本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系統(tǒng)實(shí)例本節(jié)提要1324PC機(jī)的硬件基礎(chǔ)嵌入式處理器外圍電路嵌入式系嵌入式系統(tǒng)外圍電路 存儲器 總線 通信接口 輸入/輸出設(shè)備 電源及輔助設(shè)備嵌入式系統(tǒng)外圍電路存儲器存儲器 按存儲介質(zhì)分半導(dǎo)體存儲器、磁存儲器、

10、光存儲器； 按存取方式分 隨機(jī)存儲器（RAM）：靜態(tài)存儲器（SRAM）、 動態(tài)存儲器（DRAM）。只讀存儲器（ROM）： ROM、PROM、EPROM和EEPROM串行訪問存儲器（SAM）：磁帶、光盤 按信息的可保存性分 非永久記憶的存儲器、永久記憶性存儲器； 按在計算機(jī)系統(tǒng)中的作用分 主存儲器、輔助存儲器、高速緩沖存儲器、閃爍存儲器等。存儲器分類 按存儲介質(zhì)分存儲器分類硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件RAM：隨機(jī)存取存儲器， SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器， DRAM：動態(tài)隨機(jī)存儲器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗電多 3）DRAM存儲密度比SRAM

11、高得多 4）DRAM需要周期性刷新RAM：隨機(jī)存取存儲器， SRAM：靜態(tài)隨機(jī)存儲器， DRA閃速存儲器(FLASH) 相對傳統(tǒng)的EPROM芯片，這種芯片可以用電氣的方法快速地擦寫 由于快擦寫存儲器不需要存儲電容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM 它使用方便，既具有SRAM讀寫的靈活性和較快的訪問速度，又具有ROM在斷電后可不丟失信息的特點(diǎn)，所以快擦寫存儲器技術(shù)發(fā)展十分迅速 閃速存儲器(FLASH) 相對傳統(tǒng)的EPROM芯片，這種芯片RAMRAM硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件

12、基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件硬件基礎(chǔ)第二次課課件總線總線總線總線是把處理器與存儲器、I/O設(shè)備相連接的信息通道；總線是數(shù)據(jù)、地址和控制信息的公共通路；總線并不僅僅指的是一束信號線，而應(yīng)包含相應(yīng)的通信協(xié)議。總線總線是把處理器與存儲器、I/O設(shè)備相連接的信息通道；總線總線總線總線總線總線總線典型PC總線總線典型PC總線總線PC總線分類(1)片內(nèi)總線局部總線內(nèi)部總線系統(tǒng)總線外部總線現(xiàn)場總線PC總線分類總線PC總線分類(1)PC總線分類

13、總線系統(tǒng)總線(1)PC總線ISA總線、EISA總線PCI總線PCIExpress(PCI-E)、HyperTransport工業(yè)：STD總線、 VME總線、PC/104總線、Compact PCI（CPCI）總線?？偩€系統(tǒng)總線(1)總線系統(tǒng)總線(2) ISA總線IBM 公司于1981 年推出的基于8 位機(jī)PC/XT 的總線，稱為PC 總線。1984 年IBM 公司推出了16 位PC 機(jī)PC/AT，其總線稱為AT 總線。為了能夠合理地開發(fā)外插接口卡，由Intel 公司，IEEE 和EISA 集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)了與IBM/AT 原裝機(jī)總線意義相近的ISA 總線，即8/16 位的“工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)”(ISA-

14、Industry Standard Architecture)總線。總線系統(tǒng)總線(2) I總線系統(tǒng)總線(2) ISA 總線的主要性能指標(biāo)如下：（1） I/O 地址空間0100H-03FFH（2） 24 位地址線可直接尋址的內(nèi)存容量為16MB（3） 8/16 位數(shù)據(jù)線（4） 62+36 引腳（5） 最大位寬16 位(bit)（6） 最高時鐘頻率8MHz（7） 最大穩(wěn)態(tài)傳輸率16MB/s（8） 中斷功能（9） DMA 通道功能（10） 開放式總線結(jié)構(gòu)，允許多個CPU 共享系統(tǒng)資源總線系統(tǒng)總線(2) 總線系統(tǒng)總線(3) PCI總線1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。Inte

15、l聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集團(tuán)，其英文全稱為：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外圍部件互連專業(yè)組)，簡稱PCISIG。PCI 有32 位和64 位兩種，32位PCI 有124 引腳，64 位有188 引腳，目前常用的是32 位PCI。32 位PCI 的數(shù)據(jù)傳輸率為133MBs，大大高于ISA。總線系統(tǒng)總線(3) 總線系統(tǒng)總線(3) PCI 總線的主要性能指標(biāo)如下：（1) 支持10 臺外設(shè)（2） 總線時鐘頻率33.3MHz/66MHz（3） 最大數(shù)據(jù)傳輸速率1

16、33MB/s（4） 時鐘同步方式（5） 與CPU 及時鐘頻率無關(guān)（6） 總線寬度 32 位（5V）/64 位（3.3V）（7） 能自動識別外設(shè)總線系統(tǒng)總線(3) 總線系統(tǒng)總線(3) PC104總線PC104是一種專門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IEEE-P996。PC104 有兩個版本，8 位和16 位，分別與PC 和PC/AT 相對應(yīng)。PC104PLUS 則與PCI總線相對應(yīng)。8 位PC104 共有64 個總線管腳，單列雙排插針和插孔，P1：64 針，P2：40 針，合計104 個總線信號，PC104 因此得名。當(dāng)8 位模塊和16 位模塊連接時，16 位模塊必須在

17、8 位模塊得下面。P2 總線連結(jié)在8-位元模塊中是可選的。PC104PLUS 與PC104 相比有以下3 個特點(diǎn)：（1） 相對PC/104 連接，增加了第三個連結(jié)接口支持PCI 總線（2） 改變了組件高度的需求，增加模塊的柔韌性（3） 加入了控制邏輯單元，以滿足高速總線的需求總線系統(tǒng)總線(3) PC104總線 I2C總線PHILIPS公司開發(fā)，一種用于內(nèi)部IC控制的簡單的雙向兩線串行總線，負(fù)責(zé)IC相互之間以及與外界的通信。早期模式100Kbits/s，7位尋址快速模式400Kbits/s，10位尋址高速模式3.4Mbits/s，10位尋址總線 I2C總線總線外部總線(1) I2S總線PHILI

18、PS公司開發(fā)，一種為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)?？偩€外部總線(1) I2S總線 SPI總線串行外圍設(shè)備接口SPI（serial peripheral interface）總線技術(shù)是Motorola 公司推出的一種同步串行接口。SPI 總線是一種三線(時鐘、數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)輸入）同步總線，硬件功能很強(qiáng)，軟件簡單；SPI 是全雙工的，即主機(jī)在發(fā)送的同時也在接收數(shù)據(jù)，傳送的速率由主機(jī)編程決定；系統(tǒng)可以簡單，也可以復(fù)雜，主要有以下幾種形式：（1） 一臺主機(jī)MCU 和若干臺從機(jī)MCU。（2） 多臺MCU 互相連接成一個多主機(jī)系統(tǒng)。（3） 一臺主機(jī)MCU 和若干臺從機(jī)外圍設(shè)備。總線外

19、部總線(2) SPI總線總線外部總總線現(xiàn)場總線 CAN總線全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，由德國Bosch公司最先提出，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN 是一種多主方式的串行通訊總線40米以內(nèi)，1Mbps；10Km，50Kbps；理論上可以支持無限多個設(shè)備可靠性高，誤碼率為10-11抗電磁干擾性強(qiáng)總線現(xiàn)場總線 總線嵌入式系統(tǒng)總線(1)總線嵌入式系統(tǒng)總線(1)總線嵌入式系統(tǒng)總線(2)總線嵌入式系統(tǒng)總線(2)總線嵌入式系統(tǒng)總線(3)總線嵌入式系統(tǒng)總線(3)通信接口通信接口 并行口（Parallel Port) RS-232/RS485接口（串口UA

20、RT） USB接口（通用串行總線接口） IrDA（Infra Red Data Association）紅外線接口） Bluetooth（藍(lán)牙接口） Ethernet（以太網(wǎng)接口） IEEE1394接口 I2S (音頻數(shù)據(jù)傳輸總線) SPI(串行外圍設(shè)備接口)、GPIO(通用可編程接口)、 CAN總線接口等硬件基礎(chǔ)第二次課課件并口（parallel port） “并行”，是指8 位數(shù)據(jù)同時通過并行線進(jìn)行傳送，這樣數(shù)據(jù)傳送速度大大提高。并行傳送的線路長度受到限制，因?yàn)殚L度增加，干擾就會增加，容易出錯。常見用途，打印機(jī)接口并口三種工作模式：SPP、EPP、ECP并口（parallel port）

21、“并行”，是指8 位數(shù)據(jù)并口（parallel port）并口（parallel port）串口嵌入式系統(tǒng)使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制，常常采用串口。RS232C 及其兼容插口 傳輸速率低、傳輸距離近、抗共模干擾能力差 RC232C 的最高傳輸速率為20 kb/s, 最大傳輸線長為30 米RS485 高抗共模干擾驅(qū)動能力，并且提供多點(diǎn)應(yīng)用，同一線上最多可接32 個驅(qū)動器和接收器 最大傳輸速率10Mb/s (12m)，最大傳輸距離為1200m（10kb/s）串口嵌入式系統(tǒng)使用上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)試及現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和控制USB（Universal Serial Bus ）USB1.

22、1 12 Mb/s（1.5MB/s）串行總線 即插即用 最多可支持127個外部設(shè)備 主機(jī)供電小功率設(shè)備主機(jī)可以直接供電大功率設(shè)備仍然需要外部供電USB 2.0 480 Mb/s串行總線VddGndD+ D-USB（Universal Serial Bus ）USB1紅外芯片接口 紅外芯片接口 IrDA/FastIrDA（Infrared Data Association ）紅外線發(fā)光二極管發(fā)射硅晶PIN光檢二極管接受控制電路IrDA 1.0和1.1裝置的通訊距離可達(dá)1公尺，誤碼率為10-9，光源外圍的最大亮度為10klux （勒克斯）IrDA/FastIrDA（Infrared Data As

23、紅外傳輸特點(diǎn)距離小于一米低速9.6115K bps高速14M bps工業(yè)高速16M bps紅外傳輸特點(diǎn)距離Bluetooth 接口功耗低100M，100mW10M，2.5mW1M，1mW2.4-2.4835 GHz (使用ISM頻段)優(yōu)勢: 世界范圍內(nèi)可用劣勢: 與IEEE 802.11b產(chǎn)品相互干擾聲音和數(shù)據(jù)傳輸，總帶寬為1Mbps成本低低于US$5/藍(lán)牙芯片Bluetooth 接口功耗低藍(lán)牙和紅外線的比較：籃牙接口紅外接口傳輸距離10米1米傳輸特性可以以任何角度傳輸只能在一定角度(15度)內(nèi)進(jìn)行傳輸安全機(jī)制具有完整安全機(jī)制安全性底移動性可以在嵌入式系統(tǒng)移動時進(jìn)行傳輸需要在靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行傳輸

24、傳輸速率1Mbps4Mbps價格5美元12美元藍(lán)牙和紅外線的比較：籃牙接口紅外接口傳輸距離10米1米傳輸特IEEE1394起源于APPLE公司1986年提出的FireWireMPU與多媒體設(shè)備連接接口20400M bps，高速串行總線P1394b 1.6Gbps, 100米支持63個器件，長度4.5米熱插拔，即插即用Sony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWireIEEE1394起源于APPLE公司1986年提出的Fire輸入輸出設(shè)備輸入輸出設(shè)備 顯示屏 觸摸屏 語言輸入輸出設(shè)備 鍵盤硬件基礎(chǔ)第二次課課件LCD顯示器LCD顯示器觸摸屏觸摸屏硬件基礎(chǔ)第二次課課件電源電源電源分類（1） 線性穩(wěn)壓電源 低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器 （噪聲小，靜態(tài)電流?。?）開關(guān)穩(wěn)壓電源 升壓式 （效率高，功耗低） 降壓式（常用于工作電流大于1A的場合） 反相式 （用的較少）（3）電荷泵電源（常用于需要負(fù)電源的場合）電源分類（1） 線性穩(wěn)壓電源電源IC特點(diǎn)（1）工作電壓低：一般為3.03.6V，少數(shù)5V、12V、28V；（2）工作電流不大：303