嵌入式系統(tǒng)硬件設計方法課件

1、嵌入式處理器 嵌入式處理器 學習目的及主要內(nèi)容學習目的： 通過本章學習主要掌握嵌入式系統(tǒng)的硬件（重點是嵌入式處理器子系統(tǒng)）設計方法，其中結合基于微控制器和微處理器的嵌入式系統(tǒng)設計例子。主要內(nèi)容：1. 嵌入式系統(tǒng)的硬件組成2. 嵌入式處理器的技術指標3. 典型的嵌入式處理器4. 如何選擇嵌入式處理器5. 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計方法學習目的及主要內(nèi)容學習目的：1 概述 一個嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品包括硬件子系統(tǒng)和軟件子系統(tǒng)，硬件子系統(tǒng)包括處理器、存儲器、各種可編程接口電路、外部設備驅動電路等。 嵌入式處理器種類很多，根據(jù)用途和配置不同可分為嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、數(shù)字信號處理器、可編程器件等。嵌入

2、式處理器是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，用于運行嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應用軟件。 本章主要涉及兩個方面內(nèi)容：嵌入式處理器及其選型；嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計方法。1 概述 一個嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品包括2 嵌入式系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)組成1. 嵌入式系統(tǒng)的嵌入形式 嵌入通用計算機型 嵌入通用計算機型的嵌入式系統(tǒng)指的是把通用的計算機嵌入到應用系統(tǒng)內(nèi)部，以形成專用設備。 基于嵌入式處理器的專用計算機型 根據(jù)嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的特殊需要，完全量身定制的嵌入式系統(tǒng)，不存在資源浪費的情況。 如何確定嵌入式系統(tǒng)的形式a. 成本考慮b. 銷售的數(shù)量 2 嵌入式系統(tǒng)硬件子系統(tǒng)組成1. 嵌入式系統(tǒng)的嵌入形式 2. 硬件子系統(tǒng)總體組成 硬件子

3、系統(tǒng)的設計圍繞嵌入式處理器進行。嵌入式系統(tǒng)硬件的一般結構如下圖所示。2. 硬件子系統(tǒng)總體組成 3. 嵌入式處理器子系統(tǒng) 通用微處理器 嵌入式微控制器 嵌入式微處理器 嵌入式微處理器的特點：需要擴展 、處理能力較強、支持大容量存儲器尋址、一般適合于高端應用、型號多、通用性強。 DSP DSP可分為定點DSP和浮點DSP兩類。 可編程器件 可編程器件的采用需要考慮的因素：成本、速度、流片。 3. 嵌入式處理器子系統(tǒng) 4. 嵌入式存儲器子系統(tǒng) 在嵌入式系統(tǒng)中使用的存儲器可以是內(nèi)部存儲器，也可以是外部存儲器。嵌入式系統(tǒng)的存儲器用于存放嵌入式系統(tǒng)的應用軟件。5. 附屬電路和I/O子系統(tǒng)a. 嵌入式處理器

4、工作時必須有附屬電路，如時鐘電路、復位電路、調(diào)試 電路、監(jiān)視定時器、譯碼器電路等。b. I/O接口電路，完成嵌入式處理器與外部設備之間的交互和數(shù)據(jù)通信。 包括兩大類：輸入電路接口和輸出電路接口。 6. 調(diào)試子系統(tǒng) 調(diào)試子系統(tǒng)通常指的是JTAG調(diào)試接口和BDM調(diào)試接口。 4. 嵌入式存儲器子系統(tǒng)3 嵌入式處理器的技術指標 功能：主要取決于處理器所集成的存儲器的數(shù)量和外部設備接口的種 類和數(shù)量。 字長：指參與運算的數(shù)的基本位數(shù)，它決定了寄存器、運算器和數(shù)據(jù) 總線的位數(shù)，因而直接影響硬件的復雜程度。 處理速度：在單位時間內(nèi)各類指令的平均執(zhí)行條數(shù)。 工作溫度 功耗 尋址能力：取決于處理器地址線的數(shù)目。

5、 平均故障間隔時間：指在相當長的運行時間內(nèi)，機器工作時間除以運 行期間內(nèi)的故障次數(shù)。 性能價格比 工藝：半島體工藝和設計工藝。 電磁兼容性指標：取決于器件的選擇、電路的設計、工藝、設備的外 殼等。 3 嵌入式處理器的技術指標 功能：主要取決于處理器所集成的4 典型的嵌入式處理器介紹1. Microchip系列嵌入式控制器 Microchip的PIC MCU系列嵌入式微控制器結合了高性能、低價格、小包裝的特點，為工業(yè)生產(chǎn)提供了最佳的性能價格比。提供了5類的8位MPU來更好地滿足用戶的需要。 2. Philips LPC嵌入式控制器系列 Philips半導體公司近年來推出的51LPC系列OTP（一

6、次編程）嵌入式微控制器在基本結構、匯編指令等方面與80C51系列兼容，時鐘頻率可高達20 MHz。 3. Freescale 微控制器MC68HC08系列 MC68HC08系列有很多型號，主要特點有：采用模塊化設計、含片內(nèi)監(jiān)控ROM、具有特色的FLASH取代片內(nèi)EPROM和ROM、具有鎖相環(huán)電路。 4 典型的嵌入式處理器介紹1. Microchip系列嵌入式4. MCS-51系列嵌入式控制器/處理器 MCS-51系列微控制器、微處理器是由Intel公司首先開發(fā)的嵌入式微處理器/微控制器。 5. Atmel公司的AVR系列微控制器 Atmel公司產(chǎn)品的主要特點：以EEPROM電可擦除及Flash

7、技術為主導、多種封裝形式和高質量、多種應用環(huán)境。 6. 80C186系列16位嵌入式處理器 80C186標準化內(nèi)核不僅可以兼容16位微處理器家族。8088/8086的目標代碼，還相應地提高了硬件和軟件方面的性能。 7. MC68HC12系列處理器 MC68HC12是Freescale公司開發(fā)的16位、兼容MC68HC11工業(yè)標準的嵌入式處理器，在工業(yè)上得到了廣泛的應用。 4. MCS-51系列嵌入式控制器/處理器8. PowerPC系列32位嵌入式處理器 PowerPC由Freescale公司設計，用來滿足從臺式計算機CPU到高性能處理器、高集成度嵌入式MPU處理器的不同需要。 9. Cold

8、Fire系列32位嵌入式處理器 ColdFire處理器屬于MC68000微處理器家族， ColdFire內(nèi)核具有100的通用性，所以它們可以方便地被移植到新的用戶設計中。 10. ARM系列 ARM（Advanced RISC Machines）介紹 ARM處理器的特點：小體積、低功耗、低成本、高性能；16位/32位雙指令集；全球眾多的合作伙伴。 當前ARM體系結構有Thumb、DSP、Jazeller的擴展。 8. PowerPC系列32位嵌入式處理器10. ARM系列（continued） ARM處理器系列 ARM處理器有5個產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10ARM10和

9、SecurCore。ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10是4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、性能和體積的需求。 帶ARM內(nèi)核嵌入式處理器芯片a. ARM公司有著諸多合作伙伴b. Atmel公司生產(chǎn)帶ARM內(nèi)核的芯片 AT91方框圖如右圖所示。 10. ARM系列（continued） ARM處理器系列c. Cirrus Logic公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片 Cirrus Logic公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核芯片的主要應用領域為：手持計算、個人數(shù)字音頻播放器和Internet電氣設備。d. Intel公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片 Intel公司和Digital

10、 Equipment公司合作開發(fā)了StrongARM系列處理器，現(xiàn)產(chǎn)權為Intel公司所有，另外，Intel公司還開發(fā)了XScale處理器。e. Samsung公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片 在Samsung公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片系列中，產(chǎn)品型號較多，其中包括PDA、網(wǎng)絡及Flash產(chǎn)品系列。 c. Cirrus Logic公司生產(chǎn)的帶ARM內(nèi)核的芯片 5 如何選擇嵌入式處理器選擇處理器可分為兩個步驟： 選擇哪一類處理器，在通用處理器、嵌入式微控制器、嵌入式處理器、DSP、可編程器件之間做出選擇。 選擇哪個廠家的產(chǎn)品。1. 選擇處理器的原則 夠用原則a. 低端簡單應用 b. 中端的復雜應用

11、c. 涉及數(shù)字信號處理和數(shù)學計算的應用 成本原則a. 電路的成本b. 印制電路板的成本2. 選擇嵌入式處理器的具體方法5 如何選擇嵌入式處理器選擇處理器可分為兩個步驟：6 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計方法1. 設計原則 復用原則 設計人員在設計嵌入式應用系統(tǒng)時，應盡量使當前的設計工作成果可用于未來的設計中，一方面可以縮短設計的時間，另一方面也可以減少設計中出現(xiàn)錯誤的可能性。 模塊化原則 所謂模塊化原則，體現(xiàn)在嵌入式系統(tǒng)的硬件設計上自頂向下的設計思想。把整個硬件系統(tǒng)分成各個子系統(tǒng)，分別進行設計，在設計的每個階段優(yōu)化每個子模塊的設計方案，一方面便于檢查設計的缺陷，另一方面也為設計工作的復用打下基礎。

12、標準化原則 這里所謂的標準化，包括兩個方面的含義：行業(yè)標準和自定義標準。 6 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計方法1. 設計原則2. 基于微控制器的設計 典型設計的微控制器子系統(tǒng)電路。 2. 基于微控制器的設計 最小系統(tǒng)的設計 微控制器本身的支持電路。 最小系統(tǒng)的設計 I/O部件的分別設計 I/O部件完成微控制器與外部設備的接口，在設計微控制器子系統(tǒng)時，在微控制器的I/O引腳上定義需要連接的外部設備的網(wǎng)絡標號即可。 外部設備接口電路的設計可以分類進行，分類可以按照多種方法進行。例如，可以根據(jù)電路輸入/輸出的性質分為輸入電路、輸出電路，也可以根據(jù)外部電路實現(xiàn)的功能進行劃分。 I/O部件的分別設計 3.

13、基于微處理器的最小系統(tǒng)設計 設計處理器子系統(tǒng) 設計微處理器子系統(tǒng)時需要設計處理器的地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 設計總線 總線主要傳遞以下4種信號：數(shù)據(jù)總線信號、地址總線信號、控制信號、輔助信號。 設計I/O子系統(tǒng) 對于嵌入式系統(tǒng)而言，I/O子系統(tǒng)與處理器子系統(tǒng)之間的連接大多不使用系統(tǒng)總線，而是直接連接在處理器的引腳上。 3. 基于微處理器的最小系統(tǒng)設計小結1. 嵌入式系統(tǒng)的硬件包括嵌入式處理器、存儲器、I/O系統(tǒng)和外部設備。2. 嵌入式處理器的原理、組成,3. 嵌入式處理器的選型，4. 嵌入式處理器子系統(tǒng)的設計.小結1. 嵌入式系統(tǒng)的硬件包括嵌入式處理器、存儲器、I/O系思考題1. 嵌入式系統(tǒng)的硬件有哪幾個組成部分？2. 設計嵌入式系統(tǒng)時，嵌入式系統(tǒng)的設計形式有哪幾種？選擇嵌入式系 統(tǒng)的設計形式需要從哪些方面考慮？3. 通用處理器與嵌入式處理器有哪些相同和不同的地方？4. 常用的嵌入式處理器、控制器、數(shù)字信號處理器有哪些，各自有什么 特點，通常適用于哪些方面的應用？除了書上介紹的嵌入式處理器之 外，你還能提供哪些嵌入式處理器（型號和制造商）？5. 選擇嵌入式處理器需要考慮哪些因素？6. 根據(jù)模塊化和復用的原則，設計嵌入式微控制器系統(tǒng)時，需要設計哪 些電路？7. 根據(jù)模塊化和復用的原則，設計嵌入式微處理