嵌入式第02講嵌入式處理器1

《嵌入式系統(tǒng)原理》

第2講嵌入式處理器嵌入式處理器的分類嵌入式微處理器簡介嵌入式處理器專用技術(shù)1曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰嵌入式處理器的功能特點(diǎn)嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心是控制輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元其特點(diǎn)是：實(shí)時多任務(wù)處理能力強(qiáng)，中斷響應(yīng)快結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展內(nèi)部集成測試電路低功耗P762曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰根據(jù)其功能特點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域可分為：嵌入式微處理器(MPU)——中高端嵌入式微控制器(MCU)——低端數(shù)字信號處理器(DSP)——通信領(lǐng)域片上系統(tǒng)（SoC）——高度集成1嵌入式處理器分類3曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰嵌入式微處理器在通用計算機(jī)CPU基礎(chǔ)上去除冗余、配置外圍電路、進(jìn)行適應(yīng)性改造而來常見的有：ARM、MIPS、PowerPC、68K等特點(diǎn)：低功耗、抗干擾、可擴(kuò)展具有存儲區(qū)保護(hù)功能調(diào)試功能豐富實(shí)時處理能力強(qiáng)4曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰微控制器傳統(tǒng)上稱為單片機(jī)以某處理器內(nèi)核為核心，內(nèi)部集成Flash、RAM、總線邏輯、定時計數(shù)器、各類輸入輸出口等常見微控制器Intel8048、8051（MCS51系列）68HC05、AVR、PIC、MCS96特點(diǎn)：單片化、體積小、成本低、可靠性高適用于控制、應(yīng)用廣泛(占嵌入式份額的70%)5曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊處理，適合執(zhí)行DSP算法，編譯效率和指令執(zhí)行速度較高常見DSP處理器TMS320、DSP56K、ADSP21XX等特點(diǎn)：適用于運(yùn)算量較大的智能系統(tǒng)生物信息識別終端ADLS接入實(shí)時語音解壓系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)顯示6曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰片上系統(tǒng)（SoC）結(jié)合許多功能模塊，整個系統(tǒng)做在一個芯片上嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最高形式是SoCSoC的優(yōu)點(diǎn)功過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗減少芯片對外引腳數(shù)，簡化制造過程減少外圍電路間的信號傳遞，加快處理速度內(nèi)嵌的線路可避免系統(tǒng)雜訊7曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰SoC的實(shí)現(xiàn)技術(shù)——EDAEDAElectronicDesignAutomation，電子設(shè)計自動化是先進(jìn)的電子系統(tǒng)設(shè)計方法和開發(fā)工具EDA以計算機(jī)為主要工具，對使用硬件描述語言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）為描述手段完成的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計文件，自動地完成邏輯編譯、邏輯綜合、結(jié)構(gòu)綜合（布局布線），以及邏輯優(yōu)化和仿真測試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子系統(tǒng)功能。主流的HDL有VHDL、Verilog、SystemC、Superlog和SystemVerilog等。P16~198曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ASIC設(shè)計流程P239曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰EDA目標(biāo)利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計，最后實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)電路有3種類型。①全定制或半定制專用集成電路ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuits②FPGA/CPLD（或稱可編程ASIC）開發(fā)應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLDComplexProgrammableLogicDevice現(xiàn)場可編程門陣列FPGAFieldProgrammableGateArray③印制電路板PCB，PrintedCircuitBoard基于FPGA的SoC方案：SoPCP1610曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰IP核SoC的核心技術(shù)是IP核IntellectualPropertyCore，知識產(chǎn)權(quán)核電路設(shè)計中，把不同功能的電路模塊稱為IP核，設(shè)計SoC時往往采取直接利用IP核的方式進(jìn)行IP核以三種形式存在軟核：VHDL語言描述硬核：電路版圖固核：可綜合網(wǎng)表文件常用的EDA軟件：Quartus支持IP核P3711曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰數(shù)字系統(tǒng)硬件抽象模型12曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰2嵌入式微處理器(MPU)簡介幾種嵌入式處理器ARMMIPSPowerPCMC68Kx8613曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰2.1ARM處理器ARM即AdvancedRISCMachines的縮寫。ARM公司是設(shè)計公司，是知識產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計許可由合作伙伴來生產(chǎn)各具特色的芯片。有30多家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議。14曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM處理器ARM處理器的3大特點(diǎn)：小體積、低功耗、成本低、高性能16位／32位雙指令集全球眾多的合作伙伴15曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM公司的IP銷售與服務(wù)ARM公司大學(xué)/研究所/企業(yè)IC制造商OEM生產(chǎn)商圖例：服務(wù)付款技術(shù)支持16曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM發(fā)展簡史1985年4月26日，第一個ARM原型在英國劍橋的Acorn計算機(jī)有限公司誕生，由美國加州SanJoseVLSI技術(shù)公司制造。20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開發(fā)成Acorn的臺式機(jī)產(chǎn)品，形成英國的計算機(jī)教育基礎(chǔ)。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited（簡稱ARM公司）。20世紀(jì)90年代，ARM32位嵌入式RISC處理器擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)了低功耗、低成本和高性能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。17曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充ARM32位處理器體系結(jié)構(gòu)是市場占有率高的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)市場占有率大約為75%所有ARM處理器共享同一個體系結(jié)構(gòu)。ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：Thumb：16位指令集，用以改善代碼密度；DSP：用于DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller：允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼的擴(kuò)充。18曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM處理器應(yīng)用ARM系列處理器提供的解決方案包括：在無線、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開放平臺智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：路由器、調(diào)制解調(diào)器等移動電話、智能手機(jī)等19曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARM處理器系列產(chǎn)品概況ARM處理器當(dāng)前有6個產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。ARM7、ARM9、ARM10和ARM11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(shè)計者對功耗、性能和體積的需求。SecurCore是第5個產(chǎn)品系列，是專門為安全設(shè)備而設(shè)計的。來自于合作伙伴的產(chǎn)品例如：IntelXScale微體系結(jié)構(gòu)和StrongARM產(chǎn)品。20曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰ARMCortex系列處理器TheARMCortexfamilycomprisesthreeseries,allimplementtheThumb-2instructionset.ARMCortex-ASeriesapplicationsprocessorsforcomplexOSanduserapplications.SupportstheARM,ThumbandThumb-2instructionsetsARMCortex-RSeriesembeddedprocessorsforreal-timesystems.SupportstheARM,Thumb,andThumb-2instructionsetsARMCortex-MSeriesdeeplyembeddedprocessorsoptimizedforcostsensitiveapplications.SupportstheThumb-2instructionsetonly21曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰Intel公司生產(chǎn)的ARM系列處理器Intel公司購買了ARM的IP核先后生產(chǎn)出了兩種嵌入式處理器：StrongARMXScale22曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰2.2PowerPC處理器自從1994年第一個PowerPC處理器PowerPC601問世以來，已經(jīng)有幾十種PowerPC獨(dú)立微處理器與嵌入式微處理器投放市場，其主頻范圍從32MHz到1GHz不等。嵌入式的PowerPC405（主頻最高為266MHz）和PowerPC440（主頻最高為550MHz）處理器內(nèi)核可以用于各種集成的系統(tǒng)芯片（SOC，system-on-a-chip）設(shè)備上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。23曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰IBMPowerPC路線圖PPC400系列產(chǎn)品是嵌入式處理器24曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰Motorola高性能處理器25曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰2.3MIPS嵌入式微處理器MIPS處理器MIPS計算機(jī)公司研發(fā)一種高端嵌入式內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)MIPS的英文原文：MicroprocessorwithoutInterlockedPipelineStages中文意義是內(nèi)部無互鎖流水級微處理器盡量利用軟件辦法避免流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)問題26曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS計算機(jī)公司簡史MIPS處理器最早是在80年代初期由斯坦福(Stanford)大學(xué)Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制出來的MIPS公司的R系列處理器是在此基礎(chǔ)上研發(fā)成功的RISC工業(yè)微處理器產(chǎn)品1984年，MIPS計算機(jī)公司成立1992年，SGI收購了MIPS計算機(jī)公司1998年，MIPS脫離SGI，成為MIPS技術(shù)公司27曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS處理器發(fā)展簡史MIPS處理器誕生于二十世紀(jì)八十年代初1986年到1997年先后出產(chǎn)了6個R系列的微處理器其中的R4000是世界上第一款64位商用微處理器1999年MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，為后來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。28曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS3224KETM內(nèi)核的功能方框圖29曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3嵌入式微處理器技術(shù)特點(diǎn)哈佛結(jié)構(gòu)I/O端口統(tǒng)一編址與特殊功能寄存器桶型移位器正交指令集指令密度看門狗定時器地址對準(zhǔn)與端序地址重映射FIFO緩沖寄存器主存控制器30曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.1哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)基本特點(diǎn)：程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。(并行結(jié)構(gòu))可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。如Microchip公司的PIC16芯片的程序指令是14位寬度，而數(shù)據(jù)是8位寬度。優(yōu)點(diǎn)：較高執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)吞吐率31曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰哈佛結(jié)構(gòu)示意圖CPU程序計數(shù)器PC指令存儲器數(shù)據(jù)存儲器地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線指令總線32曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰馮?諾依曼結(jié)構(gòu)示意圖CPU程序計數(shù)器PC存儲器地址總線數(shù)據(jù)總線（普林斯頓結(jié)構(gòu)）33曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰Motorola公司DSP56311型數(shù)字信號處理器的存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰哈佛結(jié)構(gòu)Cache片內(nèi)Cache分為兩類。一種是數(shù)據(jù)和指令都放在同一個Cache中，稱為普林斯頓結(jié)構(gòu)或者統(tǒng)一化結(jié)構(gòu)Cache（統(tǒng)一型Cache）。另外一種是數(shù)據(jù)和指令分別放在兩個獨(dú)立的Cache中，稱為哈佛結(jié)構(gòu)Cache。這后一種Cache也叫做分離型Cache。35曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.2I/O端口統(tǒng)一編址

與特殊功能寄存器計算機(jī)的兩種I/O端口地址空間獨(dú)立編址x86處理器系列統(tǒng)一編址8051系列和ARM系列處理器特殊功能寄存器（SFR）接口控制器的端口寄存器實(shí)際為片上（片內(nèi)）的物理存儲單元36曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰三星公司嵌入式處理器S3C44B0X

存儲器地址映射圖37曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.3桶型移位器通常的移位器都是一個時鐘脈沖左移或者右移1位。桶型移位器采用了開關(guān)矩陣電路，可以做到用1個時鐘脈沖移位任意位。參看下面的開關(guān)矩陣工作示意圖。38曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰不移位操作示意圖39曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰循環(huán)左移3位操作示意圖在這里循環(huán)左移3位相當(dāng)于循環(huán)右移1位40曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.4正交指令集正交指令集（OrthogonalInstructionSet）Aninstructionsetwhereall(ormost)instructionshavethesameformatandallregistersandaddressingmodescanbeusedinterchangeably.Thechoicesofopcode,register,andaddressingmodearemutuallyindependent.looselyspeaking,thechoicesare"orthogonal".ThiscontrastswithsomeearlyIntelmicroprocessorswhereonlycertainregisterscouldbeusedbycertaininstructions.

ExamplesincludethePDP-11,680x0,ARM,VAX.41曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰正交指令集的特征絕大多數(shù)指令長度相同指令操作嗎、操作數(shù)的尋址字段長度固定所有寄存器的尋址可替換操作碼、尋址方式、操作數(shù)1、2四個字段的取值都是相互獨(dú)立的42曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰正交指令示例例1：一個正交的兩地址指令集中的運(yùn)算類指令常采用以下格式：定長操作碼+尋址方式編碼+定長格式的目的寄存器集+定長格式的源寄存器集。例2：ARM處理器有16個通用寄存器，分別命名為R0到R15。ARM處理器的數(shù)據(jù)處理類指令中的立即數(shù)移位指令格式如下：43曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰例2的說明其中的執(zhí)行條件字段是該指令執(zhí)行的條件，共有15種條件，加上無條件，一共有16種可能，用4位二進(jìn)制數(shù)表示，可以取其中一種；操作碼字段有4位，表示執(zhí)行的是哪一種算術(shù)邏輯運(yùn)算，一共有16種運(yùn)算，可以取其中任何一種；SH字段表示移位類型，可以有5種移位指令的編碼可供選擇，這些指令都用到了桶型移位器；Rn、Rd、Rm字段是操作數(shù)寄存器字段，可以取16個寄存器R0~R15中的任何一個；#shift是立即數(shù)移位長度值。44曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.5雙密度指令集指令密度：計算機(jī)指令集的一個技術(shù)指標(biāo)，與處理器的體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。它表示該機(jī)器指令程序占用存儲器空間的大小。有高密度指令和低密度指令之分。與低密度指令相比較，高密度指令執(zhí)行同樣的機(jī)器指令序列所需要的指令存儲空間較小。雙密度指令集處理器：指令集包含有指令密度不相同的兩套指令集。45曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰雙密度指令集舉例ARM微處理器是32位設(shè)計，配有定長32位的指令集。但ARM微處理器也配備16位指令集，稱為Thumb指令集。它允許軟件編碼為更短的16位機(jī)器指令。早期16位Thumb指令集稱為Thumb-1指令集，其指令密度遠(yuǎn)高于32位指令集。2003年6月ARM公司推出了Thumb-2核心指令集技術(shù)。這三種指令集的代碼尺寸比較與性能比較請參看下圖。46曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.6看門狗定時器嵌入式處理器專用的部件。它能夠讓嵌入式處理器處理器自動脫離死鎖工作狀態(tài)。時鐘發(fā)生器預(yù)分頻器16位可編程定時器看門狗定時器使能信號NMI47曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰S3C44B0X處理器的看門狗定時器該看門狗是一個16位數(shù)的間隔定時器，用來產(chǎn)生中斷服務(wù)請求信號。它可在128個存儲器時鐘周期之內(nèi)產(chǎn)生復(fù)位信號。48曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰S3C44B0X的看門狗定時器InS3C44B0Xprocessor,theprescalervalueandthefrequencydivisionfactorarespecifiedinthewatchdogtimercontrolregister,WTCON.Thevalidprescalervaluesrangefrom0to28-1.Thefrequencydivisionfactorcanbeselectedas16,32,64,or128.Usethefollowingequationtocalculatethewatchdogtimerclockfrequencyandthedurationofeachtimerclockcycle:49曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰看門狗定時器的時間間隔計算舉例以S3C44B0X為例：時間間隔=1/(MCLK/(預(yù)分頻值+1)/(除法系數(shù))MCLK是存儲器主頻，在option.h中定義為67,500,000預(yù)分頻值就是PRESCALER除法系數(shù)就是DIVISION帶入公式計算結(jié)果是：1/(MCLK/((MCLK/1000000-1)+1)/128)=0.000128(second)注意：Prescaler_value=MCLK/1000000-1做到在0-255的范圍內(nèi)50曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.7地址對準(zhǔn)和端序邊界地址：從0號單元開始，按照2字節(jié)、4字節(jié)或者其他2的整倍數(shù)長度劃分內(nèi)存的讀寫塊，讀寫塊的首地址就是邊界地址。地址對準(zhǔn)訪問從邊界地址進(jìn)行內(nèi)存訪問端序，字節(jié)序多字節(jié)數(shù)據(jù)存放時，最高字節(jié)存放在最低地址單元稱為大端序，放在最高地址單元稱為小端序。大端序：IBM大型機(jī)、小端序：PCARM支持兩種端序51曲師大計算機(jī)學(xué)院孔峰3.8地址重映射開始啟動時，將存有啟動代碼的NorFlash地址空間映射到0x00000000。嵌入式系統(tǒng)的中斷向量和異常向量表在啟動時也從0號地址存放。FlashROM的讀出速度慢，啟動后需將flash中內(nèi)容復(fù)制到RAM中，進(jìn)而改變地址（重映射）地址重映射：把SDRAM地址空間遷移到0地址開始處，把FlashROM的地址空間遷移到系統(tǒng)存儲器的高端地址。52曲師大計算機(jī)學(xué)院