《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(lèi)嵌入式微處理器簡(jiǎn)介嵌入式處理器專(zhuān)用技術(shù)1曲師大計(jì)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(shí)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(cè)試電路低功耗P762曲師大計(jì)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(hào)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(lèi)3曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰嵌入式微處理器在通用計(jì)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(lái)常見(jiàn)的有：ARM、MIPS、PowerPC、68K等特點(diǎn)：低功耗、抗干擾、可擴(kuò)展具有存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能調(diào)試功能豐富實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)4曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰微控制器傳統(tǒng)上稱(chēng)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(shí)計(jì)數(shù)器、各類(lèi)輸入輸出口等常見(jiàn)微控制器Intel8048、8051（MCS51系列）68HC05、AVR、PIC、MCS96特點(diǎn)：?jiǎn)纹?、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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰DSP處理器對(duì)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(jiàn)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(shí)別終端ADLS接入實(shí)時(shí)語(yǔ)音解壓系統(tǒng)虛擬現(xiàn)實(shí)顯示6曲師大計(jì)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(gè)系統(tǒng)做在一個(gè)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(guò)改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗減少芯片對(duì)外引腳數(shù)，簡(jiǎn)化制造過(guò)程減少外圍電路間的信號(hào)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰SoC的實(shí)現(xiàn)技術(shù)——EDAEDAElectronicDesignAutomation，電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化是先進(jìn)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)工具EDA以計(jì)算機(jī)為主要工具，對(duì)使用硬件描述語(yǔ)言（HDL，HardwareDescriptionLanguage）為描述手段完成的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)文件，自動(dòng)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(cè)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰ASIC設(shè)計(jì)流程P239曲師大計(jì)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(jì)，最后實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)電路有3種類(lèi)型。①全定制或半定制專(zhuān)用集成電路ASIC：ApplicationSpecificIntegratedCircuits②FPGA/CPLD（或稱(chēng)可編程ASIC）開(kāi)發(fā)應(yīng)用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLDComplexProgrammableLogicDevice現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGAFieldProgrammableGateArray③印制電路板PCB，PrintedCircuitBoard基于FPGA的SoC方案：SoPCP1610曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰IP核SoC的核心技術(shù)是IP核IntellectualPropertyCore，知識(shí)產(chǎn)權(quán)核電路設(shè)計(jì)中，把不同功能的電路模塊稱(chēng)為IP核，設(shè)計(jì)SoC時(shí)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(yǔ)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(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰2嵌入式微處理器(MPU)簡(jiǎn)介幾種嵌入式處理器ARMMIPSPowerPCMC68Kx8613曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰2.1ARM處理器ARM即AdvancedRISCMachines的縮寫(xiě)。ARM公司是設(shè)計(jì)公司，是知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，靠轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)許可由合作伙伴來(lái)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(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰ARM公司的IP銷(xiāo)售與服務(wù)ARM公司大學(xué)/研究所/企業(yè)IC制造商O(píng)EM生產(chǎn)商圖例：服務(wù)付款技術(shù)支持16曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰ARM發(fā)展簡(jiǎn)史1985年4月26日，第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋的Acorn計(jì)算機(jī)有限公司誕生，由美國(guó)加州SanJoseVLSI技術(shù)公司制造。20世紀(jì)80年代后期，ARM很快開(kāi)發(fā)成Acorn的臺(tái)式機(jī)產(chǎn)品，形成英國(guó)的計(jì)算機(jī)教育基礎(chǔ)。1990年成立了AdvancedRISCMachinesLimited（簡(jiǎn)稱(chēng)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(jì)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(chǎng)占有率高的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)市場(chǎng)占有率大約為75%所有ARM處理器共享同一個(gè)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(jì)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(wú)線、消費(fèi)電子和圖像應(yīng)用方面的開(kāi)放平臺(tái)智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：路由器、調(diào)制解調(diào)器等移動(dòng)電話、智能手機(jī)等19曲師大計(jì)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(gè)產(chǎn)品系列：ARM7、ARM9、ARM10、ARM11、SecurCore和Cortex。ARM7、ARM9、ARM10和ARM11是4個(gè)通用處理器系列，每個(gè)系列提供一套特定的性能來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)者對(duì)功耗、性能和體積的需求。SecurCore是第5個(gè)產(chǎn)品系列，是專(zhuān)門(mén)為安全設(shè)備而設(shè)計(jì)的。來(lái)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(jì)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(jì)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(gòu)買(mǎi)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰2.2PowerPC處理器自從1994年第一個(gè)PowerPC處理器PowerPC601問(wèn)世以來(lái)，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(chǎng)，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(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰Motorola高性能處理器25曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰2.3MIPS嵌入式微處理器MIPS處理器MIPS計(jì)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(wú)互鎖流水級(jí)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(wèn)題26曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS計(jì)算機(jī)公司簡(jiǎn)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(lái)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(jì)算機(jī)公司成立1992年，SGI收購(gòu)了MIPS計(jì)算機(jī)公司1998年，MIPS脫離SGI，成為MIPS技術(shù)公司27曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS處理器發(fā)展簡(jiǎn)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(gè)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(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。28曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰MIPS3224KETM內(nèi)核的功能方框圖29曲師大計(jì)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(mén)狗定時(shí)器地址對(duì)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(jì)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(jì)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(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰哈佛結(jié)構(gòu)示意圖CPU程序計(jì)數(shù)器PC指令存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線指令總線32曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰馮?諾依曼結(jié)構(gòu)示意圖CPU程序計(jì)數(shù)器PC存儲(chǔ)器地址總線數(shù)據(jù)總線（普林斯頓結(jié)構(gòu)）33曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰Motorola公司DSP56311型數(shù)字信號(hào)處理器的存儲(chǔ)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)34曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰哈佛結(jié)構(gòu)Cache片內(nèi)Cache分為兩類(lèi)。一種是數(shù)據(jù)和指令都放在同一個(gè)Cache中，稱(chēng)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(gè)獨(dú)立的Cache中，稱(chēng)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(jì)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(jì)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(chǔ)單元36曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰三星公司嵌入式處理器S3C44B0X

存儲(chǔ)器地址映射圖37曲師大計(jì)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(gè)時(shí)鐘脈沖左移或者右移1位。桶型移位器采用了開(kāi)關(guān)矩陣電路，可以做到用1個(gè)時(shí)鐘脈沖移位任意位。參看下面的開(kāi)關(guān)矩陣工作示意圖。38曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰不移位操作示意圖39曲師大計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰正交指令集的特征絕大多數(shù)指令長(zhǎng)度相同指令操作嗎、操作數(shù)的尋址字段長(zhǎng)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(gè)字段的取值都是相互獨(dú)立的42曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰正交指令示例例1：一個(gè)正交的兩地址指令集中的運(yùn)算類(lèi)指令常采用以下格式：定長(zhǎng)操作碼+尋址方式編碼+定長(zhǎng)格式的目的寄存器集+定長(zhǎng)格式的源寄存器集。例2：ARM處理器有16個(gè)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(lèi)指令中的立即數(shù)移位指令格式如下：43曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰例2的說(shuō)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(wú)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(lèi)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(gè)寄存器R0~R15中的任何一個(gè)；#shift是立即數(shù)移位長(zhǎng)度值。44曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰3.5雙密度指令集指令密度：計(jì)算機(jī)指令集的一個(gè)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(chǔ)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(chǔ)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(jì)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(jì)，配有定長(zhǎng)32位的指令集。但ARM微處理器也配備16位指令集，稱(chēng)為T(mén)humb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(chēng)為T(mén)humb-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(qǐng)參看下圖。46曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰3.6看門(mén)狗定時(shí)器嵌入式處理器專(zhuān)用的部件。它能夠讓嵌入式處理器處理器自動(dòng)脫離死鎖工作狀態(tài)。時(shí)鐘發(fā)生器預(yù)分頻器16位可編程定時(shí)器看門(mén)狗定時(shí)器使能信號(hào)NMI47曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰S3C44B0X處理器的看門(mén)狗定時(shí)器該看門(mén)狗是一個(gè)16位數(shù)的間隔定時(shí)器，用來(lái)產(chǎn)生中斷服務(wù)請(qǐng)求信號(hào)。它可在128個(gè)存儲(chǔ)器時(shí)鐘周期之內(nèi)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。48曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰S3C44B0X的看門(mén)狗定時(shí)器InS3C44B0Xprocessor,theprescalervalueandthefrequencydivisionfactorarespecifiedinthewatchdogtimercontrolregister,WTCON.Thevalidprescalervaluesrangefrom0to28-1.Thefrequencydivisionfactorcanbeselectedas16,32,64,or128.Usethefollowingequationtocalculatethewatchdogtimerclockfrequencyandthedurationofeachtimerclockcycle:49曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰看門(mén)狗定時(shí)器的時(shí)間間隔計(jì)算舉例以S3C44B0X為例：時(shí)間間隔=1/(MCLK/(預(yù)分頻值+1)/(除法系數(shù))MCLK是存儲(chǔ)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(jì)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰3.7地址對(duì)準(zhǔn)和端序邊界地址：從0號(hào)單元開(kāi)始，按照2字節(jié)、4字節(jié)或者其他2的整倍數(shù)長(zhǎng)度劃分內(nèi)存的讀寫(xiě)塊，讀寫(xiě)塊的首地址就是邊界地址。地址對(duì)準(zhǔn)訪問(wèn)從邊界地址進(jìn)行內(nèi)存訪問(wèn)端序，字節(jié)序多字節(jié)數(shù)據(jù)存放時(shí)，最高字節(jié)存放在最低地址單元稱(chēng)為大端序，放在最高地址單元稱(chēng)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(jì)算機(jī)學(xué)院孔峰3.8地址重映射開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，將存有啟動(dòng)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(dòng)時(shí)也從0號(hào)地址存放。FlashROM的讀出速度慢，啟動(dòng)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(kāi)始處，把FlashROM的地址空間遷移到系統(tǒng)存儲(chǔ)器的高端地址。52曲師大計(jì)算機(jī)學(xué)院