明天下午嵌入式系统课件.pptx
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嵌入式硬件n1.嵌入式结构n2.指令流水线n3.信息字节存储n4.硬件处理器n5.硬件补充基础知识n6.嵌入式操作系统n7.嵌入式裸机状态下开发-1-1.冯诺依曼体系结构冯诺依曼理论:
数字计算机的数制采用二进制;计算机应该按照程序顺序执行。
将数据与指令存储在同一存储器中,统一编址。
取指令和取数据都访问同一存储器,数据吞吐率低。
被大多数计算机采用ARM7冯诺依曼体系指令寄存器控制器数据通道输入输出CPUCPU存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛结构n程序存储器与数据存储器分开,是两个相互独立的存储器,每个存储器独立编址,独立访问。
n设置了程序总线和数据总线,使数据的吞吐率提高了一倍。
n并行体系结构,取址和执行能完全重叠运行。
n适合于数字信号处理n大多数DSP都是哈佛结构nARM9是哈佛结构(通过独立的数据cache和指令cache实现)指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据-4-2.流水线技术并行执行串行执行取指令1执行指令1取指令2执行指令2取指令3执行指令3取指令3执行指令3取指令2执行指令2取指令1执行指令1u流水线流水线(Pipeline)技术技术:
在程序执行时,多条指令重叠进行操作:
在程序执行时,多条指令重叠进行操作的一种准并行处理的实现技术的一种准并行处理的实现技术处理器可以同时为多条指令的不同部分进行工作,以提高处理器处理器可以同时为多条指令的不同部分进行工作,以提高处理器各部件的利用率,进而提高指令的执行速度。
各部件的利用率,进而提高指令的执行速度。
-5-ARM7的3级流水线ARM7的的处理器使用理器使用简单的的3级流水流水线,包括以下,包括以下流水流水线级:
(1)取指令(取指令(fetch):
从存:
从存储器装器装载一条指令。
一条指令。
(2)译码(decode):
识别被被执行的指令,并行的指令,并为下一个周期准下一个周期准备数据通路的控制信号。
在数据通路的控制信号。
在这一一级,指令,指令占有占有译码逻辑,不占用数据通路。
,不占用数据通路。
(3)执行(行(excute):
处理指令并将理指令并将结果写回寄存器。
果写回寄存器。
当当处理器理器执行行简单的数据的数据处理指令理指令时,流水,流水线使得平均每使得平均每个个时钟周期能完成周期能完成1条指令。
条指令。
3级流水线(最佳)n该例中用6个时钟周期执行了6条指令n所有的操作都在寄存器中(单周期执行)n指令周期数(CPI)=1操作周期123456ADDSUBMOVANDORREORCMPRSBFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteFetchDecodeExecuteDecodeExecuteFetchDecodeFetchFetch-6-7-ARM9的5级流水线ARM9TDMI中使用了典型的中使用了典型的5级流水流水线,包括以下,包括以下流水流水线级:
(1)取指令(fetch):
从存储器中取出指令,并将其放入指令流水线。
(2)译码(decode):
指令被译码,从寄存器堆中读取寄存器操作数。
在寄存器堆中有3个操作数读端口,因此,大多数ARM指令能在1个周期内读取其操作数。
(3)执行(execute):
将其中1个操作数移位,并在ALU中产生结果。
如果指令是Load或Store指令,则在ALU中计算存储器的地址。
算术逻辑单元(arithmeticandlogicunit)(4)缓冲/数据(buffer/data):
如果需要则访问数据存储器,否则ALU只是简单地缓冲1个时钟周期。
(5)回写(write-back):
将指令的结果回写到寄存器堆,包括任何从寄存器读出的数据。
-8-3.ARM的基本数据类型ARM采用的是32位架构,基本数据类型有以下3种:
Byte:
字节,8bit。
Halfword:
半字,16bit(半字必须2字节边界对齐)Word:
字,32bit(字必须于4字节边界对齐)。
ARM存储存储器数据组器数据组织结织结构:
构:
长度为1个字的数据项占用一组4字节的位置,该位置开始于4的倍数的地址(地址最末两位为00)半字数据占有两个字节的位置,该位置开始于偶数字节地址(地址最末一位为0)。
信息存储的字节顺序n多字节类型的数据,在存储器中有两种存放方法:
大端格式(big-endian)字数据的高字节存储在低地址中,而字数据的低字节则存放在高地址中小端格式(little-endian):
与大端存储格式相反,低地址中存放的是字数据的低字节,高地址存放的是字数据的高字节-9-字节顺序会涉及到的问题n可移植性问题当在不同存储顺序的微处理器间进行程序移植时,要特别注意存储模式的影响。
把从软件得到的二进制数据写成一般的数据格式往往会涉及到存储顺序的问题n通信中的存储顺序问题在网络通信中,Internet协议(即IP协议)定义了标准的网络字节顺序。
该字节顺序被用于所有设计使用在IP协议上的数据包、高级协议和文件格式n很多网络设备也存在存储顺序问题即字节中的位采用大端法或小端法发送。
这取决于OSI模型最底层的数据链路层。
-10-11-大端的数据存放格式低地址低地址高地址高地址地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3worda=0xf6734bcdf6734bcd最高有效字节最高有效字节位于最低地址位于最低地址最高有效字节的地址最高有效字节的地址就是该就是该word的地址的地址-12-小端的数据格式低地址低地址高地址高地址地址地址A地址地址A+1地址地址A+2地址地址A+3最低有效字节的地址最低有效字节的地址就是该就是该word的地址的地址最低有效字节最低有效字节位于最低地址位于最低地址worda=0xf6734bcdf6734bcd2022/11/8中国矿业大学信电学院张林134.嵌入式处理器n嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心寻址流行体系结构有30多个系列、1000多种,几乎每个月都有新产品出现字长有4、8、16、32、64位等。
其中32、64位微处理器是目前主流嵌入式系统的核心主要硬件厂商:
Intel、Motorola、Philips、AMD、三星等重要参数:
空间:
可以从64KB到4GB处理速度:
最快可以达到2000MIPS封装:
从几个引脚到几百个引脚不等n嵌入式处理器类:
嵌入式微控制器,MCU嵌入式微处理器,MPU嵌入式数字信号处理器,DSP嵌入式片上系统,SoC嵌入式可编程片上系统,SoPC-13-典型CPU结构系统总线包含:
数据总线(DataBus)、地址总线(AddressBus)和控制总线(ControlBus)-14-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林15嵌入式微控制器(MCU)n嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)nMCU=CPU+存储器+I/O接口+辅助电路(时钟、WatchDog、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A等);n微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因此称为微控制器,俗称单片机,以8位居多;n微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高;n微控制器是目前嵌入式系统工业的主流;n嵌入式微控制器目前的品种和数量最多,占嵌入式系统约70%的市场份额。
2022/11/8中国矿业大学信电学院张林16嵌入式微控制器(MCU)n通用系列Intel:
8051、P51XA、MCS-96/196/296/251、Motorola:
68300、C68HC05/11/12/16MICROCHIP:
PIC12C5XXX、PIC16CXXX、PIC17CXXAtmel:
ATmega16、ATmega32、ATmega64、ATmega128TI:
LM3S系列STMicroelectronics:
STM32n半通用型支持USB接口的MCU:
8XC930/932、C541支持I2C、CAN-bus、LCD的MCU-16-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林17嵌入式微处理器(MPU)n嵌入式微处理器(MicroprocessorUnit,MPU)n嵌入式微处理器=CPU+硬件接口(存储器接口,键盘接口等)+辅助电路(时钟、A/D、D/A、调试电路等)n嵌入式微处理器必须装配在专门设计的电路板上,在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件-17-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林18嵌入式微处理器(MPU)n嵌入式微处理器EMPU由通用计算机中的微处理器演变而来n与通用计算机处理器不同的是,嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求n为了满足嵌入式应用的特殊要求,在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强n和工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点n嵌入式处理器目前主要有MIPS、PowerPC、ARM系列等-18-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林19CPU、MCU和MPU的区别nCPU包含算术逻辑运算单元、控制单元、寄存器堆、内部总线CPU是解释、执行机器语言的逻辑单元,一般不以实物程现典型CPU:
MCS-51、AVR、PIC、ARM、PowerPC、X86nMCU=CPU+存储器+I/O接口+辅助电路(时钟、WatchDog、脉宽调制输出、A/D、D/A等)+通信接口(串行口、IIC、SPI)一般应用于控制所需软件体积较小,可写烧写在片内ROM、RAM,可不外接存储器接口功能较弱典型MCU:
AT89C51、ATmega16nMPU=CPU+I/O接口(存储器接口,键盘接口等)+辅助电路(时钟、WatchDog、脉宽调制输出、A/D、D/A、LCD接口、调试电路等)+通信接口(串行口、IIC、SPI、以太网、WIFI等)一般应用于数据、信息的处理,硬件性能强所需软件体积较大接口功能较强典型MPU:
S3C44B0、MPC860、酷睿i321203.3GHz-19-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林20嵌入式DSP处理器n嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)n嵌入式DSP是专用于离散信号的处理、计算,针对某些领域而设计的处理器。
nDSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。
n在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP得到了大规模的应用。
-20-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林21嵌入式DSP处理器nDSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。
n1982年世界上诞生了首枚DSP芯片,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。
nDSP的运算速度的进一步提高,使得其应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。
-21-2022/11/8中国矿业大学信电学院张林嵌入式DSP处理器市场n最有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列,移动通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列Motorola公司的DSP56000已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200、DSP56300等几个不同系列的处理器,该系列24位DSP提供了大容量的片内存储器、滤波器、协处理器,具有较优异的性能与体积、价位、功耗比nPHILIPS公司近年来也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的DSP处理器,特点是具备双Harvard结构和双乘/累加器单元,应用目标是大批量消费类电子产品。
2022/11
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