嵌入式處理器介紹

第四章嵌入式處理器介紹授課教師：李英祥電郵地址：drliyingxiang@163.com2023/12/121可編輯2內(nèi)容提綱1.重要概念2.嵌入式處理器的分類(lèi)3.典型嵌入式處理器4.32位嵌入式處理器的發(fā)展趨勢(shì)2023/12/12可編輯31.重要概念馮.諾依曼結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)流水線技術(shù)CISC和RISC2023/12/12可編輯4馮.諾依曼結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的處理器結(jié)構(gòu)；因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同；如：Intel8086、ARM7、MIPS處理器等2023/12/12可編輯5哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開(kāi)的處理器結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以有不同的數(shù)據(jù)寬度；具有較高的效率；如摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等。

2023/12/12可編輯6流水線技術(shù)是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)；程序中的指令仍是一條條順序執(zhí)行，但可以預(yù)先取若干條指令，并在當(dāng)前指令尚未執(zhí)行完時(shí)，提前啟動(dòng)后續(xù)指令的另一些操作步驟，從而可加快程序的運(yùn)行速度；2023/12/12可編輯7幾個(gè)指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運(yùn)行效率2023/12/12可編輯8采用多條流水線結(jié)構(gòu)2023/12/12可編輯9CISC和RISC嵌入式微處理器可以分為兩類(lèi)：CISC和RISC；CISC（ComplexInstructionSetComputer）：復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)；RISC（ReducedInstructionSetComputer）：精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)；2023/12/12可編輯10CISCRISC價(jià)格硬件復(fù)雜，芯片成本高硬件較簡(jiǎn)單，芯片成本低性能減少代碼尺寸，增加指令的執(zhí)行周期數(shù)使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數(shù)，增加代碼尺寸指令集大量的混雜型指令集，有專(zhuān)用指令完成特殊功能

簡(jiǎn)單的單周期指令，不常用的功能由組合指令完成應(yīng)用范圍通用機(jī)專(zhuān)用機(jī)功耗與面積含有豐富的電路單元，功能強(qiáng)、面積大、功耗大處理器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，面積小，功耗小設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)短2023/12/12可編輯112.嵌入式處理器的分類(lèi)嵌入式微處理器（MPU)嵌入式微控制器（MCU)嵌入式DSP處理器（DSP)嵌入式片上系統(tǒng)（SoC)2023/12/12可編輯12嵌入式微處理器MPU裝配在專(zhuān)用電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除冗余功能，以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求；在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對(duì)通用計(jì)算機(jī)的CPU都作了各種增強(qiáng)；目前主要有ARM、MIPS、POWERPC、68K等系列；2023/12/12可編輯13嵌入式微控制器MCU將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中，如單片機(jī)；一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成了ROM、FLASH、RAM、定時(shí)器、I/O、A/D、D/A等各種必要的功能和外設(shè)；優(yōu)點(diǎn)：大大減小了體積、降低了功耗和成本、提高了可靠性；主要有：8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68300等；復(fù)位部件看門(mén)狗部件晶振部件I/O部件中斷部件ROM部件SRAM部件定時(shí)器部件CPU核2023/12/12可編輯14嵌入式DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)硬件上采用了Harvard（哈佛）結(jié)構(gòu)和專(zhuān)用的硬件乘法器；指令為快速DSP指令（屬RISC精簡(jiǎn)指令集）使其適合于對(duì)處理器運(yùn)算速度要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域；代表產(chǎn)品：TexasInstruments公司的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列2023/12/12可編輯15片上系統(tǒng)SOCSOC:在一個(gè)硅片上包含一個(gè)或者多個(gè)處理器、存儲(chǔ)器、模擬電路模塊、數(shù)/?；旌闲盘?hào)模塊以及片上可編程邏輯;

嵌入式片上系統(tǒng)可以分為通用和專(zhuān)用兩類(lèi):通用系列包括Siemens公司的TriCoreMotorola公司的M-Core某些ARM系列器件等;專(zhuān)用SoC一般專(zhuān)門(mén)用于某個(gè)或者某類(lèi)系統(tǒng)中，一般不為用戶所知，如PHILIPS公司的SmartXA;2023/12/12可編輯163.典型嵌入式處理器概述51單片機(jī)系列MPC/PPC系列ARM處理器系列ARM處理器兼容系列2023/12/12可編輯17概述目前主流的嵌入式處理器系列主要有51系列、MIPS系列、PowerPC系列、SuperH系列和ARM系列等；屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有上千種以上；2023/12/12可編輯18

EmbeddedRISCProcessorShipments

2023/12/12可編輯1951單片機(jī)系列為經(jīng)典的8位嵌入式微控制器；特點(diǎn)：成本低、可靠性高；缺點(diǎn)：功能、性能也較簡(jiǎn)單；2023/12/12可編輯20MPC/PPC系列Motorola推出的MPC系列，如MPC8XX；IBM推出PPC系列，如PPC4XX；如：IBMPowerPC集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其它外設(shè)；主要應(yīng)用在通信及消費(fèi)電子領(lǐng)域；2023/12/12可編輯21ARM處理器ARM公司ARM處理器版本ARM處理器特點(diǎn)ARM7內(nèi)核簡(jiǎn)介ARM9系列微處理器SecurCore內(nèi)核系列StrongARM與Xscale2023/12/12可編輯22ARM公司簡(jiǎn)介ARM（AdvancedRISCMachine）公司是一家專(zhuān)門(mén)從事芯片IP設(shè)計(jì)與授權(quán)業(yè)務(wù)的英國(guó)公司，其產(chǎn)品有ARM內(nèi)核以及各類(lèi)外圍接口；公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)芯片，而不生產(chǎn)，它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)；ARM內(nèi)核是一種32位RISC微處理器，具有功耗低、性?xún)r(jià)比高、代碼密度高等三大特色；2023/12/122023/12/1223可編輯24Intel、Samsung、TI、Motorola、ST等的芯片廠商都是ARM的授權(quán)用戶；ARM已成為業(yè)界公認(rèn)的嵌入式微處理器標(biāo)準(zhǔn)；將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片...2023/12/12可編輯25經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，ARM體系結(jié)構(gòu)發(fā)展日趨成熟，功能越來(lái)越強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛；從最初到現(xiàn)在，已經(jīng)有六個(gè)主要的版本：ARMv1,ARMv2,ARMv3,ARMv4,ARMv5，ARMv6；

ARMv1系列的CPU主要還是作為研究之用，后面幾種都得到了較為廣泛的應(yīng)用；特別是ARMv4系列的CPU目前仍然是ARM芯片的主要開(kāi)發(fā)版本；ARM處理器版本2023/12/12可編輯262023/12/12可編輯27ARM處理器特點(diǎn)寄存器：具有更多的通用寄存器；流水線：將指令處理過(guò)程分為多步，提高效率；低功耗：對(duì)于電池供電的設(shè)備，功耗無(wú)疑是重點(diǎn)；高代碼密度：小的代碼量可以減小存儲(chǔ)成本；小面積：芯片內(nèi)可以集成更多的外設(shè)，使系統(tǒng)硬件更緊湊簡(jiǎn)潔；價(jià)格低：降低開(kāi)發(fā)難度和成本；2023/12/12可編輯28ARM7內(nèi)核簡(jiǎn)介該系列包括：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、帶有高速緩存處理器宏單元的ARM720T、擴(kuò)充了Jazelle的ARM7EJ-S；ARM7系列廣泛應(yīng)用于多媒體和嵌入式設(shè)備，包括Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備，以及移動(dòng)電話、PDA等無(wú)線設(shè)備；2023/12/12可編輯29ARM7TDMI簡(jiǎn)介ARM7TDMI基于ARM體系結(jié)構(gòu)V4版本，支持32位尋址范圍；ARM7TDMI的后綴意義為：支持高密度16位的Thumb指令集；支持片上調(diào)試；支持64位乘法；支持EmbededICE觀察硬件；ARM7TDMI的可綜合（synthesizable）版本（軟核），對(duì)應(yīng)用工程師來(lái)說(shuō)其編程模型與ARM7TDMI一致；ARM7TDMI-S2023/12/12可編輯30ARM7TDMI的模塊和內(nèi)核框圖2023/12/12可編輯31

ARM7TDMI的模塊和內(nèi)核框圖2023/12/12可編輯32ARM7TDMI的模塊和內(nèi)核框圖2023/12/12可編輯33ARM9系列微處理器ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特點(diǎn)：5級(jí)整數(shù)流水線，指令執(zhí)行效率更高；提供1.1MIPS/MHZ的哈佛結(jié)構(gòu)，支持?jǐn)?shù)據(jù)Cache和指令Cache,具有更高的的指令和數(shù)據(jù)處理能力；全性能的MMU支持WindowsCE、Linux、PalmOs等多種主流嵌入式操作系統(tǒng)；應(yīng)用領(lǐng)域：無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒等2023/12/12可編輯34三星S3C2410A為Samsung公司推出的采用ARM920T內(nèi)核，0.18um標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的16/32位RISC處理器，提供了內(nèi)部設(shè)備：分開(kāi)的16KB的指令Cache，MMU虛擬存儲(chǔ)管理；LCD控制器、系統(tǒng)管理器、3通道UART；4通道DMA、4通道PWM定時(shí)器、I/O端口；RTC、8通道10位ADC和觸摸屏接口；IIC-BUS接口、USB主機(jī)、USB設(shè)備；SD主卡&MMC卡接口；2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器；2023/12/12可編輯352023/12/12可編輯36SecurCore內(nèi)核系列SecurCore系列微處理器專(zhuān)為安全需要而設(shè)計(jì)，提供了完善的32位RISC技術(shù)的安全解決方案；具有ARM體系結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的特點(diǎn)；還具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即提供了對(duì)安全解決方案的支持；2023/12/12可編輯37SecurCore的特點(diǎn)采用軟內(nèi)核技術(shù)，防止外部對(duì)其進(jìn)行掃描探測(cè)；可集成用戶自己的安全特性和其他協(xié)處理器；主要應(yīng)用于對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及系統(tǒng)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行、認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域；SecurCore系列包含SecurCoreSC100、SecurCoreSC110、SecurCoreSC200和SecurCoreSC210四種類(lèi)型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合；2023/12/12可編輯38StrongARM微處理器系列InterStrongARMSA-1100處理器是采用ARM體系結(jié)構(gòu)高度集成的32位RISC微處理器；它融合了Inter公司的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，采用在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)、同時(shí)采用具有Intel技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的體系結(jié)構(gòu)；已成功應(yīng)用于多家公司的掌上電腦系列產(chǎn)品；2023/12/12可編輯39Xscale處理器Scale處理器是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，是一款全性能、高性?xún)r(jià)比、低功耗的處理器；它支持16位的Thumb指令和DSP指令集，已使用在數(shù)字移動(dòng)電話、個(gè)人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等場(chǎng)合。Xscale處理器是Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處理器;2023/12/12可編輯40

PXA255處理器結(jié)構(gòu)框圖

(Xscale)