微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設計課件：chap1 概述

1、1祝崇今電子科技大學電子工程學院EMAIL: Office:(清水河)科B5262計算機是什么3后PC時代：通用計算機、嵌入式計算機計算機的分類4嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學科，涉及計算機、微電子、網(wǎng)絡、通信、信號處理、傳感器等諸多領域。隨著現(xiàn)代微電子技術、微機電系統(tǒng)MEMS、片上系統(tǒng)SoC、納米材料、無線通信技術、信號處理技術、計算機網(wǎng)絡技術等的進步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展。嵌入式(計算機)系統(tǒng)5 CPU90% 10%無所不在的計算(普適計算)6789 1946年，美國賓夕法尼亞大學莫爾學院的物理學博士Mauchley和電氣工程師Eckert領導的小

2、組研制成功世界上第一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC 。 著名的美籍匈牙利數(shù)學家Von Neumann參加了為改進ENIAC而舉行的一系列專家會議，研究了新型計算機的體系結(jié)構(gòu)。 1949年，英國劍橋大學的威爾克斯等人在EDSAC 機上實現(xiàn)了馮諾依曼模式。 直至今天馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕大多數(shù)數(shù)字計算機的基礎。計算機的體系結(jié)構(gòu)10計算機的組成(1)11同步數(shù)字系統(tǒng)計算機的組成(2)12核心系統(tǒng)架構(gòu)軟件基礎本課程涉及主要內(nèi)容： 計算機體系結(jié)構(gòu)與組成原理； 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 嵌入式系統(tǒng)設計技術；硬件基礎計算機專業(yè)課程13考核方式考核方式：有限開卷成績構(gòu)成平時成績：10實驗成績：15期中考試：15期末

3、考試：6014教材微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設計，李廣軍等，電子工業(yè)出版社，2009.8微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設計，李廣軍等，電子工業(yè)出版社（第2版），20011.815參考書目郭新房等譯. Stephen D. Burd著. 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（第5版），清華大學出版社，2007年張晨曦、王志英等編著. 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，高等教育出版社，2008年 潘松，潘明編著. 現(xiàn)代計算機組成原理，科學出版社，2007年張昆藏等譯. William Stallings著. 計算機組織與體系結(jié)構(gòu)-性能設計（第七版），清華大學出版社，2006年杜春雷編著. ARM體系結(jié)構(gòu)與編程，清華大學出版社，2007年任

4、哲等編著. ARM體系結(jié)構(gòu)及其嵌入式處理器，北京航空航天大學出版社，2007 16學時分配課堂教學：64學時概述（2學時）計算機系統(tǒng)組成與工作原理（10學時）微處理器體系結(jié)構(gòu)及關鍵技術（6學時）總線技術與總線標準（6學時）存儲器系統(tǒng)（8學時）輸入/輸出接口（8學時）ARM微處理器編程模型（4學時）ARM匯編指令（4學時）ARM程序設計（4學時）基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設計（5學時）基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設計（5學時）基于ARM微處理器核的SoC設計（2學時）17學時分配實驗：16學時基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境建立ARM平臺下多線程應用程序設計實驗基于ARM的SCI/SPI串

5、行通訊實驗基于ARM的觸摸屏驅(qū)動程序設計實驗基于ARM的AC97音頻驅(qū)動及應用實驗多平臺兼容的ARM9硬件開發(fā)環(huán)境搭建基于ARM的模塊方式驅(qū)動程序設計實驗基于ARM的SD卡讀寫及文件系統(tǒng)設計實驗基于ARM的USB OTG接口實驗基于ARM的GPRS通訊實驗基于ARM的以太網(wǎng)通訊實驗基于ARM的無線傳感器網(wǎng)絡實驗18實驗設備19課程簡介是電子類專業(yè)最重要的專業(yè)基礎課程之一，研究微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)原理及設計方法前修課程：數(shù)字邏輯電路設計，計算機技術基礎后修課程：嵌入式系統(tǒng)，工業(yè)控制課程目標：理解微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理，具備初步設計微處理器硬件系統(tǒng)、編寫較簡單程序的能力，熟悉使用微處理

6、器系統(tǒng)的設計開發(fā)工具課程主要內(nèi)容微處理器芯片結(jié)構(gòu)、模塊功能及作用微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理微處理器系統(tǒng)接口ARM指令系統(tǒng)及編程嵌入式系統(tǒng)設計20第一章 概述第一章概述1.1 計算機發(fā)展概述（了解）電子計算機發(fā)展概述普適計算與泛在通信1.2 集成電路與SoC設計（理解）集成電路技術的發(fā)展基于IP的SoC設計1.3 先進的處理器技術（了解）片上多核處理器(CMP)流處理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重構(gòu)計算處理器1.4 嵌入式系統(tǒng)（了解）嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)中的處理器嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢學習嵌入

7、式系統(tǒng)的意義2122現(xiàn)代信息科學的六大組成部分信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應用是現(xiàn)代信息科學的六大組成部分，計算機在信息的后五部分都起到關鍵作用計算機的發(fā)展一直和數(shù)字電路設計的發(fā)展相輔相成，互相促進 從計算機學科的角度分析，嵌入式系統(tǒng)在一定程度上代表了未來計算機發(fā)展的方向23IT行業(yè)的四大定律 Moore定律：微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個月翻一番； Bell定律：如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半； Gilder定律：未來25年（1996年預言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍； Metcalfe定律：網(wǎng)絡價值同網(wǎng)絡用戶數(shù)的平方成正比241.1計算機發(fā)展概述機

8、械式計算機的啟蒙時代 公元前3000年，中國古代使用珠子計數(shù)后來發(fā)明算盤25中世紀（1822）Charles Babbage (1791-1871）出生于英國，父親是銀行家提出分析引擎的設計，用于差分運算difference engine26分析引擎照片Difference Engine Number 2 4,000個部件7英尺高, 11英尺長, 18英寸厚500,000磅重analytical engine, 1834271.1.1 電子計算機發(fā)展概述美國發(fā)明家佛斯特（Lee de Forest）于1906年發(fā)明了電子管1909年起，BELL實驗室相繼發(fā)明電子管收音機、電子管錄放機、電子管電

9、視機、唱片機、無線電發(fā)報機 1920年在美國賓夕法尼亞大學摩爾電子工程學院開始研究大規(guī)模數(shù)字計算機1943年Mauchly and Eckert 等給美國軍方建議研制數(shù)字積分器，每秒能計算一個軌道參數(shù)1943年5月， ENIAC開始設計，1944年初，提出程序存儲的概念1944年7月，2個累加器正常工作1945年春，ENIAC研制成功累加器：28個真空管1電子管時代28ENIAC18,000電子管1500個繼電器70,000電阻5M個焊點占地1,800平方英尺功率180,000瓦重量30噸運算速度5000次/秒29ENIAC30英國 Manchester Mark I (1948)開發(fā)成功固體

10、電子存儲器程序存儲存儲器：32字32位1949年10月全部完成31EDSAC英國劍橋，1945年322晶體管(transistor)時代1947年12月，肖克萊、巴丁和布拉頓 鍺點接觸型晶體管1950年面結(jié)型硅晶體管1953年半導體材料區(qū)域提純1958年第一塊集成電路德克薩斯儀器公司(TI) - Ge IC仙童公司(Fairchild) - Si IC1960年MOS場效應管33第一個點接觸型鍺晶體管巴丁(左)肖克萊(中)布拉頓1947年12月，3人研制出點接觸型晶體管1948年1月肖構(gòu)思了面結(jié)型晶體管，直到1950年4月研制成功34第一臺集成電路的計算機IBM360(第三代)1964年4月，

11、IBM研制第一臺采用集成電路的計算機，兼顧科學計算和事務處理35中、小規(guī)模集成電路計算機第三代計算機是中、小規(guī)模集成電路計算機時代，它是以集成電路作為基礎元件，這是微電子與計算機技術相結(jié)合的一大突破，并且有了操作系統(tǒng)。36INTEL40041971.11.15集成2250個元件第1個微處理器37INTEL80081972.4集成了3500第1個8位微處理器38集成度的迅猛發(fā)展 半導體技術發(fā)展的事實像Moore定律所預言的一樣，科學家和工程師解決了一個又一個的技術障礙，使MOS工藝每隔幾年現(xiàn)款就縮小二分之一計算機進入是大規(guī)模集成電路(Large Scale Integration)和超大規(guī)模集成

12、電路(VLSI)時代，軟件方面發(fā)展了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，分布式操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡軟件等39集成度的迅猛發(fā)展 40INTEL處理器處理器時間 寬度 存儲器 速度MIPS4004197141K80081972816K80801974864K8088198081M.33802861982161M3803861985324G11804861989324G41Pentium 1993 64 4G 11141奔騰系列處理器奔騰處理器1994,100 MHz, 3.3V,集成3M 元件奔騰II:1997.5.7, 266 MHz, 3.3V,集成7.5M個元件42Intel Pentium (IV) Microproc

13、essor:1999,1.2 GHz, 1.8V,42M Components43Intel core i7 四核處理器44新型的計算機生物計算機模糊計算機光計算機量子計算機超導計算機思考：還有哪些公司的什么處理器和計算機？請舉例說明計算機發(fā)展過程示意圖1.1.2 普適計算與泛在通信普適計算（Ubiquitous computing）：45小型、便宜、網(wǎng)絡化的處理設備廣泛分布在日常生活的各個場所，計算設備將不只依賴命令行、圖形界面進行人機交互，而更依賴“自然”的交互方式泛在通信(無所不在的計算機)46無線傳感器網(wǎng)絡47物聯(lián)網(wǎng)技術48物聯(lián)網(wǎng)技術49501.2 集成電路與SoC設計美國德州儀器杰克

14、，基爾比（Jack,Kilby）1958年9月，集成了5個元件，鍺材料，相移振蕩器第一塊集成電路1.2.1集成電路技術的發(fā)展51第一塊集成電路1959年7月，美國仙童公司諾伊斯(Robert Royce)二氧化硅屏蔽的擴散技術和PN結(jié)的隔離技術，硅平面上的集成電路，更具商業(yè)化都申請了專利，且諾伊斯的先批準，都認為是集成電路的發(fā)明者Robert Royce集成電路工藝年 度199920022005200820112014特征尺寸(m)0.180.130.090.0650.500.035集成規(guī)模(transistors)120M330M880M2.5G7.1G19.9G521.2.2 基于IP的S

15、OC設計系統(tǒng)知識 (硬件與軟件)電路設計知識 (DAC、ADC 等)制造工藝知識(90nm, 65nm, 45nm)晶圓工藝知識(300mm 晶圓)A/DA/D數(shù)字射頻處理器數(shù)字濾波與控制混合信號處理器 數(shù)字 基帶混合信號處理器軟硬件協(xié)同設計設計及驗證技術IP核生成和復用技術超深亞微米工藝及納米IC設計技術53片上網(wǎng)絡(NOC) 技術P處理器 M存儲器 C緩存 rni網(wǎng)絡接口S交換開關Dsp核 re可重構(gòu)邏輯L專用邏輯541.3 先進的處理器技術多核處理器5556多核處理器并行結(jié)構(gòu) 提高計算機性能的方法提高時鐘頻率，以加快CPU的執(zhí)行速度流水線技術并行處理技術計算機系統(tǒng)模型單指令單數(shù)據(jù)SISD

16、單指令多數(shù)據(jù)SIMD多指令單數(shù)據(jù)MISD多指令多數(shù)據(jù)MIMD多處理器組織方式對稱多處理機(Symmetric MultiProcessor，SMP)機群系統(tǒng)(cluster)57用單總線連接的多處理器 58通過網(wǎng)絡連接的多處理器 59片內(nèi)多處理器和多線程技術 多個微處理器通過互連網(wǎng)絡連接共享的一種替代方式是片內(nèi)處理器在這種設計中，處理器通常共享一些高速緩存和外部內(nèi)存接口。很明顯，當所有的部件都在同一芯片上時，芯片間通信的延遲就會小得多601.4 嵌入式系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)或嵌入式計算機系統(tǒng)，是專用的計算機系統(tǒng)，隨著技術的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)無處不在 .61按應用來分類信息家電類移動終端類通信類汽車電子類

17、工業(yè)控制類62一、嵌入式系統(tǒng)的概念 IEEE定義:嵌入式系統(tǒng)(embeded system)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置”(devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants)國內(nèi)普遍認同的定義：以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積和功耗的嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)，即“嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)”63二、嵌入式系統(tǒng)的特點 嵌入式系統(tǒng)通常是面向特定應用的，如ARM系列多用于移動電話中，PowerP

18、C用于網(wǎng)絡設備中。嵌入式系統(tǒng)是一個技術密集、資金密集、高度分散并不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和應用不容易在市場上形成壟斷。嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計。嵌入式處理器的應用軟件是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)功能的關鍵，和通用計算機有以下不同點：軟件要求固件化，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)的軟件固化在只讀存儲器中；要求高質(zhì)量、高可靠性的軟件代碼；許多應用中要求系統(tǒng)軟件具有實時處理能力。嵌入式系統(tǒng)和具體應用有機地結(jié)合在一起，嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，就具有較長的生命周期。嵌入式系統(tǒng)需要有一套開發(fā)工具和環(huán)境以應用為中心 軟、硬件可裁剪 對體積、功耗、實時性、可靠性、功能、成本等有嚴格約束嵌入式系統(tǒng)的特點65三、嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)分為如下三大部分 嵌入式系統(tǒng)的硬件,嵌入式系統(tǒng)的硬件包括嵌入式核心芯片、存儲器系統(tǒng)及外部接口。 嵌入式系統(tǒng)的軟件。嵌入式系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分：嵌入式操