嵌入式硬件基础课件
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《嵌入式硬件基础》课件
输入/输出接口
用于与外部设备进行通信和控 制。
其他组件
如时钟、复位电路等。
02
CATALOGUE
ARM处理器基础
ARM处理器简介
ARM处理器是一种低功耗、 高性能的嵌入式处理器，广泛 应用于移动设备、物联网、智
能家居等领域。
ARM公司设计并授权ARM处 理器知识产权，许多半导体 公司根据ARM架构设计自己
UART接口
总结词
支持多种数据格式
详细描述
UART接口可以支持多种数据格式，如8位数据位、1位停止位、无奇偶校验等。用户可 以根据需要进行配置，以满足不同的通信需求。
SPI接口
总结词
同步串行通信接口
VS
详细描述
SPI（Serial Peripheral Interface）接口 是一种同步串行通信接口，常用于连接嵌 入式系统中的各种外设，如传感器、存储 器等。它支持全双工通信，数据传输速率 较高。
仿真与调试集成
将硬件仿真器和调试工具集成在一起，提高开发效率 。
嵌入式操作系统与开发环境
嵌入式操作系统
如Linux、RTOS等，用于管理嵌入式系统的软硬件资源，提供应 用程序接口。
开发环境
包括IDE、编译器、调试器等，用于编写、编译和调试嵌入式应用 程序。
操作系统与开发环境集成
将嵌入式操作系统和开发环境集成在一起，提供完整的嵌入式应用 程序开发解决方案。
嵌入式存储器系统
存储器概述
01
02
03
存储器是嵌入式系统中 用于存储数据的硬件设 备，包括程序代码、数
据和文件等。
存储器按照读写速度和 容量可以分为高速缓存 、主存和辅助存储器等
类型。
《嵌入式硬件基础》PPT课件
背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
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
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
把一些原来由软件实现的、常用的功能改用 硬件的〔微程序〕指令系统来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格 式不固定，指令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自存放器， 也可来自存储器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一 个微指令序列 CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
指令使用频度不C均IS衡C。的主要缺点
高频度使用的指令占据了绝大局部的执行时间，扩 大的复杂指令往往是低频度指令。
大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺
VLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联 逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用 反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢 5-10倍)。
取指
时间
译码 取指
执行add
译码 执行sub
取指
译码 执行cmp
指令流水线—以ARM为例
为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水线. 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。
ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC2
PC - 8 PC - 4
Decode Execute
数据
数据0 数据1 数据2
哈佛体系构造
地址
指令存放器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
地址
CPU
数据
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
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
嵌入式系统的PPT课件
地址
指令寄存器
控制器
指令
数据通道
输入
输出
中央处理器
地址 数据
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
9
CISC和RISC
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
10
CISC与RISC的数据通道
开始
IF
ID
ALU MEM REG
退出
微操作通道
开始
IF
ID
REG ALU MEM
退出
单通数据通道
11
CISC的背景和特点
背景:存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由
软件实现的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系统 来实现 为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指 令可长可短，操作数可多可少 寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储 器 采用微程序控制，执行每条指令均需完成一个微指令序列 （微程序） CPI > ５，指令越复杂，CPI越大。
15
CISC与RISC的对比
类别
CISC
指令系统 指令数量很多
RISC 较少，通常少于100
执行时间 编码长度
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统硬件设计课件珍藏.
嵌入式系统硬件构成
VirtexII Platform FPGA Virtex（E）系列 FPGA Xilinx Spartan（ XL）系列FPGA SpartanII（E）系列FPGA XC95(XL)系列 CPLD CoolRunner系列 CPLD
电源模块 解决方案
可编程 逻辑器件
总线
存储器
嵌入式 处理器 通信接口
由于需要I/O接口，Nand要复杂得多。各种Nand器件 的存取方法因厂家而异。在使用Nand器件时，必须先 写入驱动程序，才能继续执行其它操作。
Sep 2006
No. 15
SRAM接口时序（SRAM，FLASH)
Sep 2006
No. 16
SDRAM 存储器接口
SDRAM是随机存储器中价格最低的一种，在 大多数计算机系统中用做主存储器； 数据以电荷形式储存在电容上，并会在几ms 内泄漏掉。为了长期保存，SDRAM必须定期 刷新； 但动态RAM比静态RAM集成度高、功耗低， 从而成本也低，适于作大容量存储器； 工作时序比较复杂
EMI 和存储器
Sep 2006
No. 6
常用存储器的分类
嵌入式系统中
NOR FLASH NAND FLASH SRAM SDRAM
Sep 2006
No. 7
存储器的分类
按构成存储器的器件和存储介质分类
半导体存储器 磁盘和磁带等磁表面存储器 光电存储器
按存取方式分类
随机存储器RAM (Random Access Memory)
No. 20
SEP3203芯片地址映射
0x37ff_ffff 0x37ff_ffff
External Memory (nCSA ~ nCSF) (see table below)
第2章 嵌入式硬件组成PPT课件
以字节为单位进行组 织，即一个字节单 元分配惟一的编号 （单元地址）。
00000H 00001H 00002H
00404H 00405H
00FFFH 01000H 01001H 01002H
12H 34H 56H
34H 12H
4DH 3CH 2BH 1AH
8
0 1 2
1000 1001
4095 4096 4097 4098
25
嵌入式系统的硬件结构
嵌入式系统也是计算机系统的一种， 因此，它依然由CPU、内存、IO端口、总 线等几个部分组成。然而在实际嵌入式系 统的硬件组成中，其物理结构往往不是这 样的。
26
嵌入式系统的硬件结构
在通用计算机系统中，处理器芯片只是一个 简单的CPU。它具有总线功能，但不包括其他 的设备，一些构件系统基本的部件由主板的芯 片组提供。
10
计算机系统的一般运行原理
读写内存操作 处理器从地址总线发出信号同时附
加控制信号（读/写）。 当发出读信号时，内存中相应地址
的内容从数据总线输入到处理器。 当发出写信号时，数据总线上输出
的数据写入内存的相应地址。
11
计算机系统的一般运行原理
在计算机系统中，基本的内存分为：ROM和RAM 内存通过地址总线和数据总线与CPU交互 地址总线是单向的信号，由CPU发出，用于
存储器
计算机系统包括多种类型，例如：桌面个 人电脑、工作站、服务器、单片机系统以及高 级嵌入式系统。
5
计算机系统的一般运行原理
1）计算机系统的组成
运算器
控制器 CPU 寄存器
数据总线 地址总线
ROM
RAM
6
计算机系统的一般运行原理
00000H 00001H 00002H
00404H 00405H
00FFFH 01000H 01001H 01002H
12H 34H 56H
34H 12H
4DH 3CH 2BH 1AH
8
0 1 2
1000 1001
4095 4096 4097 4098
25
嵌入式系统的硬件结构
嵌入式系统也是计算机系统的一种， 因此，它依然由CPU、内存、IO端口、总 线等几个部分组成。然而在实际嵌入式系 统的硬件组成中，其物理结构往往不是这 样的。
26
嵌入式系统的硬件结构
在通用计算机系统中，处理器芯片只是一个 简单的CPU。它具有总线功能，但不包括其他 的设备，一些构件系统基本的部件由主板的芯 片组提供。
10
计算机系统的一般运行原理
读写内存操作 处理器从地址总线发出信号同时附
加控制信号（读/写）。 当发出读信号时，内存中相应地址
的内容从数据总线输入到处理器。 当发出写信号时，数据总线上输出
的数据写入内存的相应地址。
11
计算机系统的一般运行原理
在计算机系统中，基本的内存分为：ROM和RAM 内存通过地址总线和数据总线与CPU交互 地址总线是单向的信号，由CPU发出，用于
存储器
计算机系统包括多种类型，例如：桌面个 人电脑、工作站、服务器、单片机系统以及高 级嵌入式系统。
5
计算机系统的一般运行原理
1）计算机系统的组成
运算器
控制器 CPU 寄存器
数据总线 地址总线
ROM
RAM
6
计算机系统的一般运行原理
嵌入式入门(设计与实例开发)PPT课件
分析嵌入式系统的各种故障模式 及其影响，为可靠性设计和改进 提供依据。
可靠性框图
02
03
故障树分析(FTA)
通过可靠性框图分析嵌入式系统 的可靠性结构，确定关键件和冗 余件。
通过故障树分析找出导致系统故 障的原因和最小割集，评估系统 的可靠性和安全性。
06
嵌入式系统应用案例分 析
智能家居系统案例分析
开源硬件与软件
开源硬件和软件的发展 为嵌入式系统的设计和 开发提供了更多选择和
灵活性。
02
嵌入式硬件设计
ARM处理器
ARM处理器是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于各种嵌入式系 统。
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，适用于各种应用场景，如智能 家居、工业控制等。
ARM处理器的选择需要根据具体应用需求来决定，如ARM Cortex-M系 列适用于微控制器应用，ARM Cortex-A系列适用于智能手机、平板电 脑等应用。
工业控制系统发展前景
探讨工业控制系统的发展趋势和未来发展方向。
医疗电子设备案例分析
医疗电子设备概述
医疗电子设备是指用于医疗领域的电子设备， 如监护仪、超声波诊断仪等。
医疗电子设备优势
分析医疗电子设备的优势，如高精度、高可 靠性、实时监测等。
医疗电子设备案例
介绍医疗电子设备的具体应用案例，如远程 医疗监护系统等。
FPGA芯片
FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，可以通过编程 实现各种数字逻辑功能。
FPGA芯片具有高度的灵活性，可以根据实际需求 进行定制，实现各种复杂的数字逻辑功能。
FPGA芯片广泛应用于通信、图像处理、雷达等领 域，可以大大提高系统的性能和可靠性。
嵌入式微控制器
可靠性框图
02
03
故障树分析(FTA)
通过可靠性框图分析嵌入式系统 的可靠性结构，确定关键件和冗 余件。
通过故障树分析找出导致系统故 障的原因和最小割集，评估系统 的可靠性和安全性。
06
嵌入式系统应用案例分 析
智能家居系统案例分析
开源硬件与软件
开源硬件和软件的发展 为嵌入式系统的设计和 开发提供了更多选择和
灵活性。
02
嵌入式硬件设计
ARM处理器
ARM处理器是一种流行的嵌入式处理器架构，广泛应用于各种嵌入式系 统。
ARM处理器具有低功耗、高性能的特点，适用于各种应用场景，如智能 家居、工业控制等。
ARM处理器的选择需要根据具体应用需求来决定，如ARM Cortex-M系 列适用于微控制器应用，ARM Cortex-A系列适用于智能手机、平板电 脑等应用。
工业控制系统发展前景
探讨工业控制系统的发展趋势和未来发展方向。
医疗电子设备案例分析
医疗电子设备概述
医疗电子设备是指用于医疗领域的电子设备， 如监护仪、超声波诊断仪等。
医疗电子设备优势
分析医疗电子设备的优势，如高精度、高可 靠性、实时监测等。
医疗电子设备案例
介绍医疗电子设备的具体应用案例，如远程 医疗监护系统等。
FPGA芯片
FPGA芯片是一种可编程逻辑器件，可以通过编程 实现各种数字逻辑功能。
FPGA芯片具有高度的灵活性，可以根据实际需求 进行定制，实现各种复杂的数字逻辑功能。
FPGA芯片广泛应用于通信、图像处理、雷达等领 域，可以大大提高系统的性能和可靠性。
嵌入式微控制器
嵌入式硬件设计基础PPT课件
嵌入式系统硬件设计
• 嵌入式硬件特点
√ 低功耗 √ 低成本 √ 体积小 √ 高可靠性 √ 专业处理能力强 √ 一般按指标选择器件
第6页/共13页
嵌入式系统硬件设计
CPU,SDRAM, NOR FLASH, NAND FLASH
HDD,CF,SD
VGA,DVI,HDMI, LCD IIS,AC'97
ETHERNET UART,I2S,SPI CAN
通讯
MII,PCI,D-BUS
外部存储器
显示/声音
核心
扩展口
用户接口
KEY_BOARD T_SCREEN, PRINTER
电源
嵌入式系统硬件组成
DC-DC,LDO
第7页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第8页/共13页
嵌入式系统硬件设计
第9页/共13页
嵌入式系统硬件设计
• 设计简解 • 方案选择 • 功能模块 • 电源设计规划 • 布Байду номын сангаас布线
第10页/共13页
嵌入式硬件调试
加载电源 CPU初始化
模块初始化
该初始化过程以软件初始化为主，主要进行操 作控成件载文境系制余无并件，电启序电统权下关初系并完硬设为序这在源指要源的转的的始统将成件置随的是内管令求。初交初设化等控嵌设 某后运一的理，顺始给始备其。制嵌括寄微式把默入备些的行个初模按序化嵌化驱他最权入设存处微嵌认式的软系建同始块照启。入操动系后交式置器理处入状微初件统立时化接系动B式作程统，给微嵌和器理式态处始的级硬包过收统系S操，序软操应处入控核器微逐理化数初件含程电上统P作包，件作用将理式制心的处步器。据始和软。源电各系含建模系程对器微寄工局理设以另结化软硬开时主统加立块统序嵌的处存作部器置外外构和件件，载系，创的入初理器模总从成的，和应环两由和统如建入式始器、式线上系其还参用境部操初内网应口微化的嵌和模电统他需数程。分作始存络用。处，核入嵌式时所，系化区系程理包心式入等的要统与，统序器。完硬加、环的
嵌入式系统的硬件基本知识.ppt
B
u
u
s
s
u
桶
s
移位器
读数据 寄存器
32 位 ALU
写数据 寄存器
内核
DBE
D[31:0]
指令 解码
及
控制 逻辑
BIGEND MCLK nWAIT
nRW MAS[1:0]
ISYNC nIRQ nFIQ nRESET ABORT nTRANS
nMREQ SEQ LOCK nM[4:0]
nOPC nCPI CPA CPB
9
ARM920T处理器核体系结构框图
10
MPU的生产厂家简介
由集成电路厂商在处理器内核和处理器核 基础上设计，嵌入各种外围和处理部件，形成 各种嵌入式微处理器MPU。例如： Intel公司：PXA25X、27X系列微处理器（采用 XScale 核）； TI公司：OMAP59XX微处理器，（采用ARM+DSP 双核）； 三星电子公司：S3C2410（ARM920T核）； Philips公司：IPC2XXX系列（ARM7TDMI内核） 等等。
1）ALU 它与常用的ALU逻辑结构基本相同，是由
2个操作数锁存器、加法器、逻辑功能、结 果及零检测逻辑构成。
16
图2.1微处理器原理图
例：ARM7TDMI
ABE A[31:0]
地址寄存器
P C
地址 自增器
Incrementer
寄存器 Bank
PC Update
A
L
A
U
B
B
乘法器
B
解码站
指令 解压缩
11
PXA270 Block Diagram
12
作业1 ：
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Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单
CISC与RISC的对比
类别
CISC
RISC
指令系统 指令数量很多，通常>200 较少，通常少于100
执行时间
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统
如人的大脑，决定了硬件的操作模 式。通过良好的操作系统以及应用 程序，把硬件功能发挥到极至。
嵌入式系统软件部分 嵌入式系统硬件部分
如人的手、脚、神经等部位，决定 了嵌入式系统的先天功能。如运算 能力和I/O接口等。
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
嵌入式系统硬件组成
• 该例中用6个时钟周期执行了6条指令
• 所有的操作都在寄存器中（单周期执行）
• 指令周期数 (CPI) = 1
LDR 流水线举例
嵌入式微处理器的集成度
单芯片方式
单芯片方式：三星44B0X芯片的内部结构
嵌入式微处理器的集成度
芯片组方式
芯片组方式：两芯片组的手持PC方案
嵌入式微处理器的体系结构
• 算术格式（Arithmetic Format） • 功能单元（Functional Units） • 流水线（Pipeline）
• 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放各种信息。
存储器
分层结构
寄存器
高速缓存 SRAM
主存储器 SDRAM
本地存储器 Flash、 ROM、磁盘
网络存储器 Flash、 ROM、磁盘
0
时
钟 周
1—10
期
10—100
20,000,000
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
哈佛结构
地址 产生单元
DMA 控制器
Y 数据存储器地址总线 X 数据存储器地址总线 程序地址总线
处理器核
存 程序 储 RAM 器 Bank
X 数据 RAM Bank
Y 数据 RAM Bank
程序数据总线 X 数据总线 Y 数据总线
Motorola公司DSP56311结构
18位 地址线
外 部
13位 控制线
– 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。 ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC-2
Decode
PC - 8 PC - 4
Execute
解码指令
寄存器读（从寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器写（到寄存器Bank ）
• PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
接
口
24位 数据线
5位 测试线
总线
• 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。
• 从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线和片内总线。
• 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结 构而不同。
存储器
• 嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存 。
• 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理 器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电 后在主存中的代码直接运行。
– 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水 线
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
Add
取指
Sub Cmp
时间
译码 取指
执行add 译码 取指
执行sub 译码
执行cmp
指令流水线—以ARM为例
• 为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水 线.
嵌 入式微处理器指令系统
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
算逻单元
输入
输出
中央处理器
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
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
算逻单元
输入
输出
地址
CPU
数据
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
– 嵌入式微处理器 – 总线 – 存储器 – 输入/输出接口和设备
嵌 入式微处理器指令系统
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set
没有较长执行时间的指令
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑操
算术和逻辑操作
作，Load/Store体系结构
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效的
的目标代码程序
目标代码程序
嵌入式微处理器的分类
• 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8 位、16位、32位和64位。
• 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP 和通用的嵌入式微处理器两种：
– 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛 结构，程序和数据分开存储，采用一系列措 施保证数字信号的处理速度。
– 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC 芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。
最佳流水线
周期
1
2
3
4
5
6
操作
ADD
Fetch Decode Execute
SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB
Fetch
Decode Execute Fetch Decode Execute
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch
嵌入式微处理器的特点
• 集成度 • 体系结构 • 指令集 • 性能 • 功耗和管理
嵌入式微处理器的集成度
嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目 和种类是由它的市场定位决定的。
在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：
– 片内存储器：部分嵌入式微处理器 – 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) – LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 – 中断控制器，DMA控制器，协处理器 – 定时器，A/D、D/A转换器 – 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 – 总线 – 其他标准接口或外设
CISC与RISC的对比
类别
CISC
RISC
指令系统 指令数量很多，通常>200 较少，通常少于100
执行时间
有些指令执行时间很长，如 整块的存储器内容拷贝；或 将多个寄存器的内容拷贝到 存贮器
嵌入式系统
如人的大脑，决定了硬件的操作模 式。通过良好的操作系统以及应用 程序，把硬件功能发挥到极至。
嵌入式系统软件部分 嵌入式系统硬件部分
如人的手、脚、神经等部位，决定 了嵌入式系统的先天功能。如运算 能力和I/O接口等。
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
嵌入式系统硬件组成
• 该例中用6个时钟周期执行了6条指令
• 所有的操作都在寄存器中（单周期执行）
• 指令周期数 (CPI) = 1
LDR 流水线举例
嵌入式微处理器的集成度
单芯片方式
单芯片方式：三星44B0X芯片的内部结构
嵌入式微处理器的集成度
芯片组方式
芯片组方式：两芯片组的手持PC方案
嵌入式微处理器的体系结构
• 算术格式（Arithmetic Format） • 功能单元（Functional Units） • 流水线（Pipeline）
• 外存是处理器不能直接访问的存储器，用来存 放各种信息。
存储器
分层结构
寄存器
高速缓存 SRAM
主存储器 SDRAM
本地存储器 Flash、 ROM、磁盘
网络存储器 Flash、 ROM、磁盘
0
时
钟 周
1—10
期
10—100
20,000,000
主要内容
1 2 3 4
基本组成 嵌入式处理器 总线 存储器
哈佛结构
地址 产生单元
DMA 控制器
Y 数据存储器地址总线 X 数据存储器地址总线 程序地址总线
处理器核
存 程序 储 RAM 器 Bank
X 数据 RAM Bank
Y 数据 RAM Bank
程序数据总线 X 数据总线 Y 数据总线
Motorola公司DSP56311结构
18位 地址线
外 部
13位 控制线
– 允许多个操作同时处理，比逐条指令执行要快。 ARM Thumb
PC
PC
Fetch
从存储器中读取指令
PC - 4 PC-2
Decode
PC - 8 PC - 4
Execute
解码指令
寄存器读（从寄存器Bank） 移位及ALU操作 寄存器写（到寄存器Bank ）
• PC指向正被取指的指令，而非正在执行的指令
接
口
24位 数据线
5位 测试线
总线
• 嵌入式系统的总线一般集成在嵌入式微 处理器中。
• 从微处理器的角度来看，总线可分为片 外总线和片内总线。
• 选择总线和选择嵌入式微处理器密切相 关，总线的种类随不同的微处理器的结 构而不同。
存储器
• 嵌入式系统的存储器包括cache、主存和外存 。
• 大多数嵌入式系统的代码和数据都存储在处理 器可直接访问的存储空间即主存中。系统上电 后在主存中的代码直接运行。
– 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水 线
流水线技术
流水线(Pipeline)技术：几个指令可以并行执行 • 提高了CPU的运行效率 • 内部信息流要求通畅流动
Add
取指
Sub Cmp
时间
译码 取指
执行add 译码 取指
执行sub 译码
执行cmp
指令流水线—以ARM为例
• 为增加处理器指令流的速度，ARM7 系列使用3级流水 线.
嵌 入式微处理器指令系统
冯·诺依曼体系结构
冯·诺依曼体系结构
指令寄存器 控制器
算逻单元
输入
输出
中央处理器
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
哈佛体系结构
地址
指令寄存器
控制器
指令
算逻单元
输入
输出
地址
CPU
数据
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
– 嵌入式微处理器 – 总线 – 存储器 – 输入/输出接口和设备
嵌 入式微处理器指令系统
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
具有大量的指令和寻址方式，指令长度可变 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set
没有较长执行时间的指令
编码长度 编码长度可变，1-15字节 编码长度固定，通常为4个字节
寻址方式 寻址方式多样
简单寻址
操作 编译
可以对存储器和寄存器进行 只能对寄存器进行算术和逻辑操
算术和逻辑操作
作，Load/Store体系结构
难以用优化编译器生成高效 采用优化编译技术，生成高效的
的目标代码程序
目标代码程序
嵌入式微处理器的分类
• 嵌入式微处理器种类繁多，按位数可分为4位、8 位、16位、32位和64位。
• 按用途来分，嵌入式微处理器可分为嵌入式DSP 和通用的嵌入式微处理器两种：
– 嵌入式DSP：专用于数字信号处理，采用哈佛 结构，程序和数据分开存储，采用一系列措 施保证数字信号的处理速度。
– 通用的嵌入式微处理器：一般是集成了通用 微处理器的核、总线、外围接口和设备的SOC 芯片，有些还将DSP作为协处理器集成。
最佳流水线
周期
1
2
3
4
5
6
操作
ADD
Fetch Decode Execute
SUB MOV AND ORR EOR CMP RSB
Fetch
Decode Execute Fetch Decode Execute
Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Execute Fetch Decode Fetch
嵌入式微处理器的特点
• 集成度 • 体系结构 • 指令集 • 性能 • 功耗和管理
嵌入式微处理器的集成度
嵌入式微处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目 和种类是由它的市场定位决定的。
在最普通的情况下，嵌入式微处理器包括：
– 片内存储器：部分嵌入式微处理器 – 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) – LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 – 中断控制器，DMA控制器，协处理器 – 定时器，A/D、D/A转换器 – 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 – 总线 – 其他标准接口或外设