1、1,嵌入式系統(tǒng) An Introduction to Embedded System 第四課 嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計 陳文智 浙江大學(xué)計算機(jī)學(xué)院,2,課程大綱, 嵌入式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 嵌入式存儲器設(shè)計 IO設(shè)計 SOC,3,嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架,4,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計步驟,5,嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計步驟,系統(tǒng)需求分析 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件/軟件協(xié)同設(shè)計 系統(tǒng)集成 系統(tǒng)測試,6,嵌入式系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu),7,課程大綱, 嵌入式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 嵌入式存儲器設(shè)計 IO設(shè)計 SOC,8,存儲器的幾個相關(guān)性能指數(shù),容量 存儲器容量用S=Wlm表示，W為存儲器字長，l為存儲器字?jǐn)?shù)，m則為存儲器體數(shù) 速度 訪問時間(ac

2、cess time)Ta：從存儲器接到讀請求到所讀的字傳送到數(shù)據(jù)總線上的時間間隔 存儲周期Tm：連續(xù)兩次訪問存儲器之間所必需的最小時間間隔。一般Tm Ta 存儲帶寬Bm：存儲器被連續(xù)訪問時所提供的數(shù)據(jù)傳輸速流，單位是位(或字節(jié)）/秒 價格 存儲器的價格通常用單位字節(jié)價格來表示，若總?cè)萘繛镾的存儲器的總價格為C，則單位字節(jié)價格cC/S,9,存儲器設(shè)計目標(biāo),高速度 大容量 低價格,10,設(shè)計目標(biāo)實現(xiàn)依據(jù),存儲器的工藝實現(xiàn)技術(shù)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，高速、大容量、低價的存儲器件以驚人的速度生產(chǎn)出來 所有程序都具有這樣的行為特性：空間和時間局部性 90/10原理：一個程序的90時間是消耗在10的代碼上 根

3、據(jù)以上局部性原則（The Principle of Locality），就可以利用各種不同的價格、速度、容量的存儲器的組合設(shè)計出一個多層次（multiple level）存儲系統(tǒng),11,存儲器層次結(jié)構(gòu),在嵌入式系統(tǒng)中所用到的存儲器主要有：觸發(fā)器（Flip-Flops and Latches）、寄存器（Register Files）、靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機(jī)訪問存儲器（DRAM）、閃速存儲器（FLASH）、磁盤（Magnetic Disk）等 這些存儲器的速度，為觸發(fā)器最快，寄存器次之，SRAM再次，DRAM較慢，然后是FLASH，磁盤最慢 價格正好反之，磁盤的每兆字節(jié)價格最便宜

4、，觸發(fā)器最貴,12,存儲器層次結(jié)構(gòu)圖,13,存儲器層次結(jié)構(gòu)的特性,第一，數(shù)據(jù)的包含性，即上層的數(shù)據(jù)，在下一層中都能找到。 第二，下層存儲器將自己的地址映射到高層的存儲器。,14,存儲器層次結(jié)構(gòu)幾個基本概念,塊（Block）:相鄰兩級間的信息交換單位 命中（Hit）：相鄰兩層存儲層次中，訪問地址可以直接在高層存儲器中訪問到 命中時間(hit time)：訪問高層存儲器所需的時間，其中包括本次訪問是命中還是失效的判定時間 命中率（Hit Rate）：相鄰兩層存儲層次中，訪問地址可以直接在高層存儲器中訪問到的概率 失效率（Miss Rate）：等于1命中率 失效損失(miss penalty)：用低

5、層存儲器中相應(yīng)的塊替換高層存儲器中的塊，并將該塊傳送到請求訪問的設(shè)備（通常是CPU）的時間,15,存儲器層次結(jié)構(gòu)的性能,評價存儲器層次結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)是平均存儲訪問時間(average memory-access time) 平均存儲訪問時間命中時間 失效率 失效損失 當(dāng)塊大小過小時，失效率很高 當(dāng)高層存儲器容量保持不變時，失效率有一最低限值，此時塊大小的變化對失效率沒有影響 當(dāng)塊大小超過某定值后，（這一定值又稱為污染點），失效率呈現(xiàn)隨塊大小增加而上升的趨勢,16,CACHE的地址映射方式,全相聯(lián)Cache 在全相聯(lián)Cache中，存儲的塊與塊之間，以及存儲順序或保存的存儲器地址之間沒有直接的關(guān)系

6、 直接映像Cache 直接映像Cache不同于全相聯(lián)Cache，地址僅需比較一次。在直接映像Cache中，由于每個主存儲器的塊在Cache中僅存在一個位置，因而把地址的比較次數(shù)減少為一次 組相聯(lián)Cache 組相聯(lián)Cache是介于全相聯(lián)Cache和直接映像Cache之間的一種結(jié)構(gòu)。這種類型的Cache使用了幾組直接映像的塊，對于某一個給定的索引號，可以允許有幾個塊位置，因而可以增加命中率和系統(tǒng)效率,17,Cache與DRAM存取的一致性控制,CACHE讀取 貫穿讀出式(Look Through) 旁路讀出式(Look Aside） CACHE寫 寫通式(Write Through) 回寫式(Co

7、py Back),18,主存簡介,主存是非常重要存儲和記憶部件，用以存放數(shù)據(jù)和程序 主存大都采用DRAM芯片實現(xiàn) 一般說來，容量越大速度越快的存儲器就能給系統(tǒng)帶來越高的性能 與微機(jī)相比，嵌入式系統(tǒng)的主存一般比較小 同時在有些嵌入式系統(tǒng)中也有用Flash存儲器作為主存使用的情況,19,DRAM與SRAM主要差別,對DRAM芯片來說，在讀出數(shù)據(jù)之后還需重新寫回數(shù)據(jù)，因而它的訪問延遲和存儲周期不同。SRAM的訪問時間與存儲周期則沒有差別 為防止信息丟失，DRAM需要定期刷新每個存儲單元，SRAM卻不需要 DRAM設(shè)計強(qiáng)調(diào)容量，而對SRAM設(shè)計來說，容量和速度同樣重要 就可以比較的存儲器設(shè)計技術(shù)而言，

8、DRAM的容量大概為SRAM的16倍，而SRAM的存儲周期比DRAM的約快816倍,20,地址轉(zhuǎn)換和存儲保護(hù),用戶編程時使用的地址稱為邏輯地址（相對地址） 把程序在內(nèi)存中的實際地址稱為物理地址（絕對地址） 為了保證程序的正確運行必須把程序和數(shù)據(jù)的邏輯地址轉(zhuǎn)換為物理地址，這一工作稱為地址轉(zhuǎn)換或重定位 靜態(tài)重定位 在作業(yè)裝入時由作業(yè)裝入程序?qū)崿F(xiàn)地址轉(zhuǎn)換 動態(tài)重定位 在程序執(zhí)行時實現(xiàn)地址轉(zhuǎn)換,21,虛擬存儲器,虛擬存儲器（Virtual Memory）技術(shù)是一種通過硬件和軟件的綜合來擴(kuò)大用戶可用存儲空間的技術(shù) 虛擬存儲器主要是為了滿足應(yīng)用程序?qū)Ω咚俅笕萘恐鞔娴男枨?虛擬存儲器實現(xiàn)的重定位是由一個地址

9、映象表機(jī)構(gòu)完成 虛擬存儲器還提供存儲共享和保護(hù)機(jī)制,22,閃速存儲器(FLASH),相對傳統(tǒng)的EEPROM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，所以快擦寫存儲器技術(shù)發(fā)展最迅速,23,NOR技術(shù),NOR技術(shù)閃速存儲器是最早出現(xiàn)的Flash Memory，它源于傳統(tǒng)的EPROM器件，具有可靠性高、隨機(jī)讀取速度快的優(yōu)勢，在擦除和編程操作較少而直接執(zhí)行代碼的場合，尤其是純代碼存儲的應(yīng)用中廣泛使用，如PC的BIOS固件、移動電話、硬盤

10、驅(qū)動器的控制存儲器等。 由于NOR技術(shù)Flash Memory的擦除和編程速度較慢，而塊尺寸又較大，因此擦除和編程操作所花費的時間很長，在純數(shù)據(jù)存儲和文件存儲的應(yīng)用中，NOR技術(shù)顯得力不從心。,24,NAND技術(shù),NAND技術(shù)Flash Memory具有以下特點： 以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作，具有快編程和快擦除的功能，其塊擦除時間是2ms；而NOR技術(shù)的塊擦除時間達(dá)到幾百ms。 數(shù)據(jù)、地址采用同一總線，實現(xiàn)串行讀取。隨機(jī)讀取速度慢且不能按字節(jié)隨機(jī)編程。 芯片尺寸小，引腳少，是位成本(bit cost)最低的固態(tài)存儲器，將很快突破每兆字節(jié)1美元的價格限制。 芯片包含有失效塊，其數(shù)目最大可達(dá)到33

11、5塊。失效塊不會影響有效塊的性能。 Samsung公司在1999年底開發(fā)出世界上第一顆1Gb NAND技術(shù)閃速存儲器。 基于NAND的存儲器可以取代硬盤或其他塊設(shè)備。,25,AND技術(shù),AND技術(shù)是Hitachi公司的專利技術(shù) AND技術(shù)與NAND一樣采用“大多數(shù)完好的存儲器”概念 Hitachi和Mitsubishi公司采用0.18m的制造工藝，并結(jié)合MLC技術(shù)，生產(chǎn)出芯片尺寸更小、存儲容量更大、功耗更低的512Mb-AND Flash Memory，再利用雙密度封裝技術(shù)DDP，將2片512Mb芯片疊加在1片TSOP48的封裝內(nèi)，形成一片1Gb芯片 HN29V51211T具有突出的低功耗特性

12、，讀電流為2mA，待機(jī)電流僅為1A 由于其內(nèi)部存在與塊大小一致的內(nèi)部RAM 緩沖區(qū)，使得AND技術(shù)不像其他采用MLC的閃速存儲器技術(shù)那樣寫入性能嚴(yán)重下降,26,由EEPROM派生的閃速存儲器,EEPROM具有很高的靈活性，可以單字節(jié)讀寫，但存儲密度小，單位成本高。 部分制造商生產(chǎn)出另一類以EEPROM做閃速存儲陣列的Flash Memory，如ATMEL、SST的小扇區(qū)結(jié)構(gòu)閃速存儲器（Small Sector Flash Memory）和ATMEL的海量存儲器（Data-Flash Memory）。 這類器件具有EEPROM與NOR技術(shù)Flash Memory二者折衷的性能特點： 讀寫的靈活性

13、遜于EEPROM，不能直接改寫數(shù)據(jù) 與EEPROM比較，具有明顯的成本優(yōu)勢 存儲密度比EEPROM大，但比NOR技術(shù)Flash Memory小,27,課程大綱, 嵌入式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 嵌入式存儲器設(shè)計 IO設(shè)計 SOC,28,總線,總線的帶寬 總線的帶寬指的是一定時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，即我們常說的每秒鐘傳送多少MB 的最大穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸率。與總線帶寬密切相關(guān)的兩個概念是總線的位寬和總線的工作時鐘頻率。 總線的位寬 總線的位寬指的是總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即我們常說的32 位、64 位等總線寬度的概念?？偩€的位寬越寬則總線每秒數(shù)據(jù)傳輸率越大，也即總線帶寬越寬。 總線的工作時鐘頻率 總線的工作

14、時鐘頻率以MHz 為單位，工作頻率越高則總線工作速度越快，也即總線帶寬越寬。,29,ISA,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 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 ISA總線有98只引腳。其中62 線的一段基于8 位的PC 總線，可以獨立使用，連接8位的擴(kuò)展卡，而62 線與36線相加后就擴(kuò)展成標(biāo)準(zhǔn)的16位ISA，連接16位的擴(kuò)展卡,30,PCI,1991 年下半年，Intel公司首先提出了PCI 的概念 并聯(lián)合IBM、Compaq、AST、HP、DEC

15、 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,31,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 總線是一種三線同步總線，因其硬件功能很強(qiáng) 總線上可以連接多個可作為主

16、機(jī)的MCU，裝有SPI 接口的輸出設(shè)備，輸入設(shè)備如液晶驅(qū)動、A/D 轉(zhuǎn)換等外設(shè) 也可以簡單連接到單個TTL 移位寄存器的芯片 總線上允許連接多個能作主機(jī)的設(shè)備，但在任一瞬間只允許有一個設(shè)備作為主機(jī),32,PC104總線,1992年IEEE 開始著手為PC 和PC/AT 總線制定一個精簡的IEEEP996 標(biāo)準(zhǔn)（草稿），PC104 作為基本文件被采納，叫做IEEE P996.1 兼容PC 嵌入式模塊標(biāo)準(zhǔn) PC104有兩個版本：8 位和16 位，分別與PC 和PC/AT 相對應(yīng) PC104PLUS 是專為PCI 總線設(shè)計的，可以連接高速外接設(shè)備,33,CAN總線,CAN，全稱為“Controlle

17、r Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一 CAN 被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU 之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò) CAN 是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤,34,并行接口,所謂“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 但并行傳送的線路長度受到限制，因為長度增加，干擾就會增加，容易出錯 并口的工作模式主要有如下幾種 ： SPP 標(biāo)準(zhǔn)工作模式 EPP 增強(qiáng)型工作模式 ECP 擴(kuò)充型工作模式,35,串行口的典型代表是RS2

18、32C 及其兼容插口，25 針串行口還具有20mA 電流環(huán)接口功能，用9、11、18、25 針來實現(xiàn) RS-232-C 是美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industry Association）制定的一種串行物理接口標(biāo)準(zhǔn) 一般嵌入式系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的RS232C 接口，該接口采用負(fù)邏輯，與CMOS、TTL 電路的相連需要專用集成電路進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。最高傳輸速率為20 kb/s, 最大傳輸線長為30米,串口,36,USB,USB全稱Universal Serial Bus（通用串行總線） 在USB 的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，每個USB 的系統(tǒng)有且只有一個host USB 最大的好處在于能支持多達(dá)1

19、27 個外設(shè)，并且可以獨立供電 、并且支持熱拔插 IBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel及Microsoft 12M bps 距離5 米 低速 1.5 M bps USB 2.0 速率高達(dá)480Mbps,37,PCMCIA,PCMCIA 全名為Personal Computer Memory Card International Association 凡符合此協(xié)會定義的界面規(guī)定技術(shù)所設(shè)計的界面卡，便可稱為PCMCIA 卡或簡稱為PC 卡 PCMCIA 卡共分成四種規(guī)格，分別是TYPE、TYPE、TYPE及CardBus PCMCIA 卡輕巧、方便攜帶 “熱插拔”(Hot Pl

20、ugging)功能,38,CF卡,39,紅外線接口,IrDA/FastIrDA 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 距離小于一尺 低速 9.6115K bps 高速 14M bps 更高速 16M bps,40,液晶顯示,液晶顯示屏（liquid crystal display：LCD）用于顯示GUI（圖象用戶界面）環(huán)境下的文字和圖象數(shù)據(jù)，適用于低壓、微功耗電路 從選型角度，我們將常見液晶分為以下幾類：段式（也稱8 字）、字符型和圖形點陣 從色彩上分，LCD 顯示屏分為單色、灰度和彩色三種 按背光將液晶分類，有透射式、反射式、半反半透式液晶三類,41,觸摸屏,嵌入式系

21、統(tǒng)中的觸摸屏分為電阻式、電容式和電感式三種 其中電阻式觸摸屏最為常用 電阻觸摸屏的工作部分一般由三部分組成，兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極 觸摸屏工作時，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一層電極加上電壓時，會在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度 如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測得接觸點處的電壓，從而知道接觸點處的坐標(biāo),42,電容式觸摸屏,電容式觸摸屏是一塊四層復(fù)合玻璃屏，玻璃屏的內(nèi)表面和夾層各涂一層ITO ，四個角引出四個電極 當(dāng)用戶觸摸電容屏?xí)r，由于人體電場，用戶手指和工作面形成一個耦合電容 因為工作面上接有高頻信號，于是手指會吸收一個很小的電流，這個電流分

22、別從屏的四個角上的電極中流出 理論上流經(jīng)四個電極的電流與手指頭到四角的距離成比例，控制器通過對四個電流比例的精密計算，得出位置,43,電感式觸摸屏,電感式觸摸屏的工作原理是在觸摸筆中安裝LC 諧振線圈 通過改變與安裝有激勵線圈及感應(yīng)線圈的觸摸屏之間的空間距離，使電磁場發(fā)生變化從而計算出觸點的位置,44,語音輸入輸出技術(shù),語音識別輸入的實現(xiàn)可以在嵌入式處理器功能足夠強(qiáng)大時用相應(yīng)的軟件實現(xiàn) 也可以使用專用芯片增加一個硬件功能模塊 語音識別技術(shù)以識別方法來分，有模板匹配法、隨機(jī)模型法和概率語法分析法。這三種方法都屬于統(tǒng)計模式識別方法。 以識別范圍來分，分為語音從屬（speaker-dependent） 模式和語音獨立（speaker-independent）模式,45,課程大綱, 嵌入式體系結(jié)構(gòu)設(shè)計 嵌入式存儲器設(shè)計 IO設(shè)計 SOC,46,SOC System on Chip簡介,從狹義角度講，它是信息系統(tǒng)的芯片集成，是將系統(tǒng)集成在一塊芯片上 從廣義角度講，SoC就是一個微小型系統(tǒng) SoC不是各個芯片功能的簡單疊加，而是從整個系統(tǒng)的功能和性能出發(fā)，用軟硬結(jié)合的設(shè)計和驗證方法，利用IP復(fù)用及深亞微米技術(shù)，在一個芯片上實現(xiàn)復(fù)雜的功能 SoC是ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 設(shè)計方法學(xué)中的新技術(shù),47,SoC 是市場和