1、常見嵌入式處理器關(guān)于嵌入式處理器嵌入式處理器有應用針對性全世界嵌入式處理器的種類已經(jīng)超過1000種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個 幾乎每個半導體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器 嵌入式處理器中，單片機在使用量上最大，其中市場占有率又以8051兼容產(chǎn)品為最多生產(chǎn)8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產(chǎn)品 8051單片機51單片機嵌入式系統(tǒng)實例小區(qū)智能化中的寬帶家庭智能終端1號房終端2號房終端n號房終端物業(yè)管理辦公室（管理軟件）小區(qū)以太網(wǎng) 家庭安防 遠程抄表 消息發(fā)布 網(wǎng)絡接入 電器控制寬帶家庭智能終端功能三表抄收家庭安防網(wǎng)絡服務電器控制至小區(qū)局域網(wǎng)臥室電腦臥室電腦客廳電腦終端外觀終端電路板接

2、口控制板接口板網(wǎng)絡控制板系統(tǒng)結(jié)構(gòu)單片機RAM無線接收模塊I/O接口控制器電源I/O接口板網(wǎng)絡接口 傳感器/控制接口10Mbps網(wǎng)絡控制器單片機100Mbps 5端口網(wǎng)絡交換機單色液晶顯示器240 x128接口控制板單片機RAMI/O接口控制器無線接收液晶顯示板接口I/O板接口電源網(wǎng)絡接口板RAM10Mbps網(wǎng)絡控制器5端口10/100M網(wǎng)絡交換機S-EEPROM單片機接口板I/O接口RJ-45網(wǎng)絡接口多媒體家庭智能終端媒體處理器 SDRAM FLASH 彩色液晶顯示板 以太網(wǎng)控制器 內(nèi)置網(wǎng)絡交換機 RJ-45 RJ-45 RJ-45 RJ-45 電視機 鍵盤 傳感器接口 抄表接口 電器接口 接

3、口控制器 家庭安防 遠程抄表 消息發(fā)布 網(wǎng)絡接入 電器控制 VOD 可視對講 小區(qū)監(jiān)視 電子郵件 背景音樂 8051單片機發(fā)展從1980年開始，Intel公司陸續(xù)推出了MCS-51單片機系列，8051是其中的第一個型號Intel除了自己生產(chǎn)多種型號的MCS-51單片機外，還將該處理器內(nèi)核技術(shù)授權(quán)給其他公司，如Philips、Siemens、AMD、OKI等 這些公司以8051內(nèi)核為基礎，不斷改進、完善推出了各式各樣指令兼容產(chǎn)品，這些產(chǎn)品統(tǒng)一稱為8051單片機 8051單片機組成 8051單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)，程序空間和數(shù)據(jù)空間分別尋址 在單個芯片上實現(xiàn)了整套計算機小系統(tǒng) 8位處理器核心、中斷

4、控制器、RAM、ROM、定時器和UART（通用異步收發(fā)器） 8051單片機結(jié)構(gòu)8051單片機封裝圖8051單片機主要特征 集成128B的片內(nèi)RAM和4KB的片內(nèi)ROM四個8 位并行IO 接口P0P3，提供共計32個雙向且可獨立尋址的I/O線 支持片外存儲器擴展，能夠?qū)ぶ?4KB外部程序存儲器和64KB外部數(shù)據(jù)存儲器 兩個定時器計數(shù)器 8051單片機主要特征（續(xù)）五個中斷源的中斷控制系統(tǒng) 一個全雙工UART的串行通信接口 集成片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，為單片機提供最大12MHz的工作時鐘 支持4us執(zhí)行周期的乘法指令和除法指令 MCS-51指令系統(tǒng) 8051和MCS-51系列中的其它型號一樣使用

5、MCS-51指令集MCS-51指令系統(tǒng)包括111條指令，其中單字節(jié)指令49條、雙字節(jié)指令45條、三字節(jié)指令17條 按功能分為4大類：數(shù)據(jù)傳送類（30）、邏輯操作類（35）、算術(shù)操作類（24） 、控制轉(zhuǎn)移類（22） MCS-51數(shù)據(jù)傳送類指令（30）8051單片機中存放操作數(shù)的空間有片內(nèi)存儲器和片外存儲器，片內(nèi)存儲器又包括工作寄存器、堆棧等數(shù)據(jù)存儲器和累加器等特殊功能寄存器 數(shù)據(jù)傳送指令把立即數(shù)或這些空間中的數(shù)據(jù)傳到另一個空間 數(shù)據(jù)傳送指令也可以分為數(shù)據(jù)傳送和數(shù)據(jù)交換兩類 通用傳送類（19）、累加器傳送類（10）、目標地址傳送類（1）MCS-51算術(shù)運算類指令（24）這類指令包括加、減、乘、除四

6、種指令 加法運算類（14）、減法運算類（8）、乘除運算類（2）MCS-51邏輯操作類指令（35）邏輯操作指令包括單操作數(shù)指令（13）和雙操作數(shù)指令兩類（22）單操作數(shù)指令中的操作數(shù)是累加器或任何可直接尋址位，包括清零、置位、求反、移位、半字節(jié)交換等雙操作數(shù)指令包含邏輯與、邏輯或、邏輯異或指令三種 MCS-51控制轉(zhuǎn)移類指令（22）無條件調(diào)用返回轉(zhuǎn)移指令（7）條件轉(zhuǎn)移指令外（13）1條中斷返回指令（1）1條空操作指令 （1）8051單片機時序MCS-51有固定的機器周期一個機器周期有6個狀態(tài)，分別表示為S1-S6一個狀態(tài)包含兩個節(jié)拍，那么一個機器周期就有12個節(jié)拍，我們可以記著S1P1、S1P2

7、、 S6P1、S6P2。一個節(jié)拍為一個時鐘周期一個機器周期共包含12個時鐘周期(振蕩脈沖)使用6MHz的時鐘頻率，一個機器周期是2us；使用12MHz的時鐘頻率，一個機器周期就1us 8051單片機指令執(zhí)行時間單字節(jié)指令單機器周期單字節(jié)指令雙機器周期雙字節(jié)指令單機器周期雙字節(jié)指令雙機器周期三字節(jié)指令雙機器周期單字節(jié)指令四機器周期(如乘除法指令) 8051單片機時序8051單片機存儲器結(jié)構(gòu)課外閱讀李群芳、張士軍、黃建編著，單片微型計算機與接口技術(shù)（第三版），電子工業(yè)出版社，2008 （圖書館網(wǎng)頁超星數(shù)字圖書館）W78E58 Datasheet，Winbond Electronics Corp.A

8、RM處理器ARM應用實例 FIC8120 SOC結(jié)構(gòu)什么是ARMARM，常有兩方面的含義，一方面指是ARM公司，另一方面指基于ARM IP（Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán)）核的嵌入式微處理器 ARM技術(shù)的發(fā)展1990 年11 月ARM成立于英國，是Apple、Acorn和VLSI Technology合資企業(yè) 1991 年，ARM 推出首個嵌入式RISC 核心ARM6系列處理器，VLSI 率先獲得授權(quán)，一年后夏普和GEC Plessey 也成為授權(quán)用戶，1993 年德州儀器和Cirrus Logic 亦簽署了授權(quán)協(xié)議，從此ARM 的知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品和授權(quán)用戶都急劇擴大 ARM

9、是一家微處理器技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)供應商，它即不生產(chǎn)芯片也不銷售芯片，只設計RISC微處理器，這些微處理器的知識產(chǎn)權(quán)就是公司的產(chǎn)品 ARM知識產(chǎn)權(quán)授權(quán)用戶眾多，全球20家最大的半導體廠家中有19家是ARM的用戶，全世界有70多家公司生產(chǎn)ARM處理器產(chǎn)品 ARM應用基于ARM技術(shù)的微處理器占據(jù)32位RISC芯片75%的市場份額 ARM應用包括：汽車電子、消費電子、多媒體產(chǎn)品、工業(yè)控制、網(wǎng)絡設備、信息安全、無線通信等 ARM體系結(jié)構(gòu) ARM體系結(jié)構(gòu)有6個版本，從版本1到版本6，指令集功能越來越豐富 除了ARM基本指令集外，ARM定義了幾套擴展指令ARM指令系統(tǒng)版本1 只支持26位地址空間，沒有在商業(yè)產(chǎn)品中

10、使用，包括以下指令：處理乘法指令外的基本數(shù)據(jù)處理指令處理字節(jié)、字和多字的讀取和寫入指令包括子程序調(diào)用指令在內(nèi)的跳轉(zhuǎn)指令供操作系統(tǒng)使用的軟件中斷指令ARM指令系統(tǒng)版本2 該版本也只支持26位地址空間，現(xiàn)在已經(jīng)不再使用。與版本1相比，版本2增加了下列指令：乘法指令和乘加法指令。支持協(xié)處理器的指令。對于快速中斷模式，提供額外的兩個備份寄存器。SWP指令和SWPB指令 ARM指令系統(tǒng)版本3 該版本與以前的版本發(fā)生較大變化，改進如下：地址空間擴展到32位，除了版本3G（版本3的一個變種）外的其他版本向前兼容，支持26位地址空間。當前程序狀態(tài)信息從原來的R15寄存器移到一個名為CPSR（當前程序狀態(tài)寄存器

11、）的新寄存器中。增加SPSR（備份的程序狀態(tài)寄存器），用于在程序被異常中斷時，保存被中斷程序的狀態(tài)。增加了兩種處理器模式，使操作系統(tǒng)代碼可以方便地使用數(shù)據(jù)訪問中止異常、指令預取中止異常和未定義指令異常。增加了指令MRS和指令MSR，用于訪問CPSR寄存器和SPSR寄存器。修改了原來從異常中返回的指令。ARM指令系統(tǒng)版本4 該版本明確定義了哪些指令會引起未定義指令異常，另外不再要求與以前的26位地址空間兼容。與版本3相比，版本4增加了以下指令：半字的讀取與寫入指令讀取帶符號的字節(jié)和半字數(shù)據(jù)的指令增加了T變種，可以使處理器狀態(tài)切換到Thumb狀態(tài)，在該狀態(tài)下指令集是16位的Thumb指令集增加了處

12、理器的特權(quán)模式ARM指令系統(tǒng)版本5 與版本4比，版本5增加或修改了以下指令：提高了T變種中ARM/Thumb混合使用的效率對于T變種的指令和非T變種的指令使用相同的代碼的生成技術(shù)增加了前導零計數(shù)指令，可以使整數(shù)除法和中斷優(yōu)先級排隊操作更為有效增加了軟件斷點指令為協(xié)處理器器設計提供了更多的可選擇的指令更加嚴格地定義了乘法指令對條件標志位的影響 ARM指令系統(tǒng)版本6版本6的主要特點是增加了SIMD（Single Instruction Multiple Data，單指令多數(shù)據(jù)）指令。SIMD指令可以使音頻/視頻處理性能提高4倍。ARM指令系統(tǒng)版本6首先在2002年發(fā)布的ARM11處理器中使用ARM

13、擴展指令集 (變種)Thumb指令集（T變種） 長乘法指令（M變種）增強型DSP指令（E變種）Java加速器Jazelle（J變種）ARM多媒體功能擴展（SIMD變種）Thumb指令集（T變種） Thumb是將ARM指令集的一個子集重新編碼而形成的一個指令集 ARM指令長度為32位，而Thumb指令長度為16位 使用Thumb指令集可以得到更高的代碼密度(同樣長代碼容納更多指令)，有利于控制產(chǎn)品成本 因為Thumb是精簡版本，因此完成同樣的功能需要更多的指令，在對任務執(zhí)行速度要求苛刻的場合使用ARM指令集更合適 目前Thumb有兩個版本，版本1適用ARM指令系統(tǒng)版本4，而版本2適用ARM指令系

14、統(tǒng)版本5 長乘法指令（M變種）M變種增加了兩條用于長乘法操作的ARM指令 一條用于實現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘法操作 另一條指令用于實現(xiàn)32位整數(shù)乘以32位整數(shù)，然后再加上32位整數(shù)，生成64位整數(shù)的長乘加操作。 增強型DSP指令（E變種） E變種包含一些附加指令，這些指令用于增強處理器對一些典型DSP算法的處理性能，包括：幾條新的實現(xiàn)16位數(shù)據(jù)乘法和乘加操作的指令。實現(xiàn)飽和的帶符號數(shù)的加減操作的指令。進行雙字數(shù)據(jù)操作的指令。cache預取指令PLD。 Java加速器Jazelle（J變種）Jazelle技術(shù)使得在單個處理器上可以同時運行JAVA應用程序、操作系統(tǒng)和其他應

15、用程序 與Java虛擬機相比，Jazelle使Java代碼運行速度提高了8倍，而功耗降低80% ARM多媒體功能擴展（SIMD變種） SIMD（單指令多數(shù)據(jù)）擴展使ARM處理器的音/視頻處理性能提高4倍，同時保持系統(tǒng)的低功耗 可以同時進行兩個16位操作數(shù)或者4個8位操作數(shù)的運算。提供小數(shù)算術(shù)運算。用戶可定義飽和運算的模式。兩套16位操作數(shù)的乘加/乘減運算。32位乘以32位的小數(shù)MAC。同時8位/16位選擇操作。ARM/Thumb體系結(jié)構(gòu)版本的類型 名稱ARM版本T變種版本M變種E變種J變種SIMD變種ARMv33無否否否否ARMv3M3無是否否否ARMv4xM4無否否否否ARMv44無是否否否

16、ARMv4TxM4版本1否否否否ARMv4T4版本1是否否否ARMv5xM5無否否否否ARMv55無是否否否ARMv5TxM5版本2否否否否ARMv5T5版本2是否否否ARMv5TexP5版本2是部分指令否否ARMv5TE5版本2是是否否ARMv5TEJ5版本2是是是否ARMv66版本2是是是是 ARM處理器核的類型ARM7ARM9ARM9EARM10ESecurCoreARM11XScale和StrongARM ARM7特點 ARM7采用ARMV4T體系，時鐘速度為66MHz，每條指令平均執(zhí)行1.9個時鐘周期 ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、

17、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核 主要應用領(lǐng)域為：工業(yè)控制、Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用 ARM7的性能特征ARM7性能特征Cache大小(指令/數(shù)據(jù)）緊耦合存儲器(TCM）存儲管理器AHB總線接口ThumbDSPJazelleARM7TDMI無無無有有無無ARM7TDMI-S無無無有有無無ARM7EJ-S無無無有有有有ARM720T8k無MMU有有無無ARM9特點ARM9采用ARMV4T體系，五級流水處理、分離的Cache。時鐘速度為120MHz-200MHz

18、，每條指令平均執(zhí)行1.5個時鐘周期 ARM9性能特征Cache大小(指令/數(shù)據(jù)）緊耦合存儲器(TCM）存儲管理器AHB總線接口ThumbDSPJazelleARM920T16K/16K無MMU有有無無ARM922T8K/8K無MMU有有無無ARM940T4K/4K無MMU有有無無ARM9實例S3C24101.8V核心電壓，3.3V I/O電壓支持SDRAM控制器支持LCD控制器3個串口I2C接口I2S語音接口SD卡接口2個USB HOST/1個USB Device（Ver 1.1）片上時鐘控制器最高工作頻率203MHzARM9E特點ARM9E系列微處理器采用ARMv5T體系結(jié)構(gòu)是綜合功能處理器

19、，使用單一的處理器內(nèi)核提供了微控制器、DSP、Java應用系統(tǒng)的解決方案，極大的減少了芯片的面積和系統(tǒng)的復雜程度ARM9E系列微處理器提供了增強的DSP處理能力，很適合于那些需要同時使用DSP和微控制器的應用場合 ARM9E性能特征ARM9E性能特征Cache大小(指令/數(shù)據(jù)）緊耦合儲器(TCM）存儲管理器AHB總線接口ThumbDSPJazelleARM926EJ-S4-128K/4-128K有MMU雙AHB有有有ARM946EJ-S4-1MB/4-1MB有MMUAHB有有無ARM966EJ-S無有無AHB有有無Intel的ARM處理器性能特征基于ARM的Intel處理器Cache大小(指令

20、/數(shù)據(jù)）緊耦合儲器(TCM）存儲管理器AHB總線接口ThumbDSPJazelleAtrongARM16K/8K無MMUN/A無無無XScale32K/32K無MMUN/A有有無AMBA總線系統(tǒng)在基于IP復用的SoC設計中，片上總線設計是最關(guān)鍵問題ARM公司推出的AMBA(Advanced Microcontroller Bus Architecture)片上總線受到了廣大IP開發(fā)商和SoC系統(tǒng)集成者的青睞，已成為一種流行的工業(yè)標準片上結(jié)構(gòu)AMBA總線三個版本：AMBA 1.0、AMBA 2.0和AMBA 3.0AMBA 2.0AMBA 2.0規(guī)范包括四個部分：AHB（Advanced Hig

21、h performance Bus）、ASB（Advanced System Bus）、APB（Advanced Peripheral Bus）和Test Methodology AHB：作為SoC片上總線，用于高性能模塊(如CPU、DMA和DSP等)之間的連接ASB：是第一代AMBA系統(tǒng)總線，同AHB相比，它數(shù)據(jù)寬度要小一些 APB用于低帶寬的周邊外設之間的連接，例如UART、I2C、RTC等典型AMBA SOC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)AHB總線特點單個時鐘邊沿操作非三態(tài)的實現(xiàn)方式支持突發(fā)傳輸支持分段傳輸支持多個主控制器可配置32位128位總線寬度支持字節(jié)、半字節(jié)和字的傳輸AHB總線組成AHB總線由mast

22、er、slave、infrastructure三部分組成Master是總線傳輸操作的發(fā)起和管理者Slave是總線傳輸操作的回應者Infrastructure由總線仲裁器、主到從復用器、從到主復用器、地址譯碼器、dummy slave和dummy master組成AHB總線信號時鐘仲裁信號地址控制信號寫數(shù)據(jù)信號讀數(shù)據(jù)信號應答信號三態(tài)驅(qū)動的總線AHB的主從復用器AHB的從主復用器AHB地址譯碼AHB總線信號列表AHB總線互連原理APB總線APB主要用于低帶寬的周邊外設之間的連接在APB里面唯一的主模塊就是APB 橋，因此不需要總線仲裁兩個時鐘周期傳輸無需等待周期和回應信號控制邏輯簡單APB總線信號

23、列表APB總線寫周期AMBA應用實例S3C2410 AMBA應用實例 S3C44B0X課外閱讀杜春雷編著，ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，清華大學出版社，2003年2月第1版AMBA SpecificationS. ARM Limited，1999 UT-S3C2416開發(fā)板簡介.pdfS3C6410_Technical_Brief.pdfGeode處理器嵌入式x86微處理器個人計算機（PC）幾乎都是x86兼容處理器，包括Intel的8086P4，AMD的系列處理器x86技術(shù)成熟，軟件支持豐富，也被廣泛應用在嵌入式技術(shù)領(lǐng)域，并有多種x86指令兼容的嵌入式處理器，如Intel的80186、386EX、低功

24、耗Celeron；AMD的SC400、SC520、GEODE系列等這些處理器可以支持DOS、Windows桌面操作系統(tǒng)，也可以支持多種嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式 x86處理器應用實例 基于GX2的無線投影機網(wǎng)關(guān)應用無線投影機網(wǎng)關(guān)投影機便攜機1便攜機2便攜機n802.11g無線網(wǎng)絡VGA連接無線投影機網(wǎng)關(guān)電路板實物調(diào)試中的無線投影機網(wǎng)關(guān)無線投影機網(wǎng)關(guān)PCB設計（TOP Layer）無線投影機網(wǎng)關(guān)PCB設計（Bottom Layer）Geode處理器Geode是AMD的一個X86兼容嵌入式處理器系列，有多個型號的產(chǎn)品，如GX1、GX2、SC2200、NX1500等重點介紹GX2，包括400MHz的GX5

25、33、 366MHz的GX500、 333MHz的GX466GEODE GX2處理器1.5V核心電壓，低功耗，不需要散熱風扇32位x86處理器，支持MMX和3Dnow！擴展指令，支持高性能多媒體和二維、三維圖形圖像處理16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache集成圖形控制器，支持TFT和CRT兩種顯示接口支持PCI 2.2總線規(guī)范，支持各種PCI設備外集成64位DDR SDRAM存儲控制器可編程的時鐘發(fā)生器，可通過軟件設置倍頻數(shù)調(diào)整核心時鐘頻率和圖形加速器工作頻率。GX2內(nèi)部結(jié)構(gòu)CS5535CS5535是Geode GX處理器的配套芯片GX處理器中集成了CPU內(nèi)核及北橋CS5535則集成了

26、PC機主板中的南橋及超級I/O的功能 CS5535原理基于GX處理器的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) DSP實例：TMS320DM642 DSPTi DSP系列TMS320C2000系列DSP針對控制領(lǐng)域做了優(yōu)化配置，集成了眾多的外部控制接口，適合逆變器、馬達、機器人、數(shù)控機床、電力等應用領(lǐng)域 TMS320C5000系列DSP提供性能、外圍控制接口、小型封裝和電源效率的優(yōu)化組合，適合便攜式上網(wǎng)、語音處理及對功耗有嚴格要求的應用 TMS320C6000系列DSP具有高性能，最高主頻超過1GHz，包含定點C62x和C64x以及浮點C67x，適合寬帶網(wǎng)絡數(shù)據(jù)處理、數(shù)字圖像處理、數(shù)字視頻編碼、雷達信號處理等應用 DS

27、P應用實例 基于圖像分析的偽鈔鑒別儀在點鈔機中加裝CIS”CONTACT IMAGE SENSOR，接觸式圖像傳感器 ”，實現(xiàn)圖像采集高速DSP，實現(xiàn)紙幣數(shù)字圖像的實時處理，根據(jù)紙幣的防偽設計，實現(xiàn)真?zhèn)舞b別自動識別紙幣的冠字號可在點鈔機中另外加裝CMOS攝像頭、實現(xiàn)變色油墨的識別速度：900張/分鐘傳統(tǒng)點鈔機原理關(guān)鍵技術(shù)高速條件下清晰圖像的獲取圖像分析算法高速DSP電路設計及算法優(yōu)化CIS原理CMOSSensorCIS圖像采集卡CIS應用人民幣及防偽設計紅外光下的人民幣圖像假幣？真幣？紫外光下的人民幣軟件流程圖像采集類型判別、年份/面額防偽點識別光照類型是否假幣人民幣方向硬件電路設計TMS320DM6437DDR-IICPLDA/DSRAM電源JTAG系統(tǒng)調(diào)試環(huán)境開發(fā)機目標機點鈔機TMS320DM642 DSPDM642是高性能定點