嵌入式系统.ppt
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嵌入式系统的现状及发展前景ppt课件
、MIPS、ARM系列等。
2.嵌入式微控制器(MCU)
嵌入式微控制器又称单片机 （Intel最早将自己生产的单片机 命名为嵌入式微控制器），就是 将整个计算机系统集成到一块芯 片中。
嵌入式微控制器一般以某一种微处 理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、 定时/计数器、WatchDog、I/O、串行 口 、 脉 宽 调 制 输 出 、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM、E2PROM等各种必要功能 和外设。
用标准的VHDL等语言描述，存储在 器件库中。用户只需定义出其整个 应用系统，仿真通过后就可以将设 计图交给半导体工厂制作样品。这 样除个别无法集成的器件以外，整 个嵌入式系统大部分均可集成到一 块或几块芯片中去，应用系统电路 板将变得很简洁，对于减小体积和 功耗、提高可靠性非常有利。
SOC可以分为通用和专用两类。
一、嵌入式系统的含义及分类
含意：用来控制处理外部世界各种中断信号的计 算机系统，主要有：嵌入式微控制器MCU，专 用集成电路ASIC、现场可编程门阵列、数字信 号处理器DSP等。 组成：由硬件和软件两部分组成。
简单的嵌入式系统由微控制器或嵌入式微控制器 及嵌入式软件等组成。
较复杂的嵌入式系统由微处理器、实时操作系统、 嵌入式软件等组成。
嵌入式系统的智能化是推动嵌入式 DSP处理器发展的另一个因素，如： 各种带有智能逻辑的消费类产品， 生物信息识别终端，带有加解密算 法 的 键 盘 ， ADSL 接 入 、 实 时 语 音 压 解系统，虚拟现实显示等。这类智 能化算法一般运算量较大，特别是 向量运算、指针线性寻址等较多， 而这些正是DSP处理器的长处所在。
嵌入式DSP处理器有代表性的是： TI 的 TMS320 系 列 和 Motorola 的 DSP56000系列。
2.嵌入式微控制器(MCU)
嵌入式微控制器又称单片机 （Intel最早将自己生产的单片机 命名为嵌入式微控制器），就是 将整个计算机系统集成到一块芯 片中。
嵌入式微控制器一般以某一种微处 理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、 定时/计数器、WatchDog、I/O、串行 口 、 脉 宽 调 制 输 出 、 A/D 、 D/A 、 Flash RAM、E2PROM等各种必要功能 和外设。
用标准的VHDL等语言描述，存储在 器件库中。用户只需定义出其整个 应用系统，仿真通过后就可以将设 计图交给半导体工厂制作样品。这 样除个别无法集成的器件以外，整 个嵌入式系统大部分均可集成到一 块或几块芯片中去，应用系统电路 板将变得很简洁，对于减小体积和 功耗、提高可靠性非常有利。
SOC可以分为通用和专用两类。
一、嵌入式系统的含义及分类
含意：用来控制处理外部世界各种中断信号的计 算机系统，主要有：嵌入式微控制器MCU，专 用集成电路ASIC、现场可编程门阵列、数字信 号处理器DSP等。 组成：由硬件和软件两部分组成。
简单的嵌入式系统由微控制器或嵌入式微控制器 及嵌入式软件等组成。
较复杂的嵌入式系统由微处理器、实时操作系统、 嵌入式软件等组成。
嵌入式系统的智能化是推动嵌入式 DSP处理器发展的另一个因素，如： 各种带有智能逻辑的消费类产品， 生物信息识别终端，带有加解密算 法 的 键 盘 ， ADSL 接 入 、 实 时 语 音 压 解系统，虚拟现实显示等。这类智 能化算法一般运算量较大，特别是 向量运算、指针线性寻址等较多， 而这些正是DSP处理器的长处所在。
嵌入式DSP处理器有代表性的是： TI 的 TMS320 系 列 和 Motorola 的 DSP56000系列。
嵌入式系统教学：嵌入式系统及应用PPT课件
仿真器
用于模拟嵌入式系统的运行环境，便 于开发者在真实硬件之前进行调试和 测试。
调试器
用于在嵌入式系统运行过程中进行实 时调试，帮助开发者定位和解决问题。
交叉编译器
将应用程序代码编译为目标硬件平台 上的可执行文件，实现跨平台开发。
03 嵌入式系统的应用
智能家居
智能家居是嵌入式系统的重要应用领域之一，通过嵌入式系 统可以实现家庭设备的智能化控制和管理，提高生活便利性 和舒适度。
、医学影像设备等。
汽车电子
嵌入式系统用于汽车电 子控制系统，如发动机
控制、车身控制等。
嵌入式系统的发展历程
01
02
03
起源
嵌入式系统的概念起源于 20世纪70年代，主要用于 工业控制领域。
发展
随着微处理器技术的发展， 嵌入式系统逐渐普及，应 用领域不断扩大。
趋势
未来嵌入式系统将朝着智 能化、网络化、低功耗等 方向发展。
RTOS技术具有可移植性和可裁 剪性，可以根据实际需求进行 定制化开发，提高系统的可靠 性和性能。
06 嵌入式系统发展趋势与挑 战
物联网时代的嵌入式系统
嵌入式系统在物联网中的应用
嵌入式系统作为物联网的重要组成部分，广泛应用于智能家居、智能交通、智能制造等领域，实现设备间的互联 互通和智能化控制。
提高实际操作能力。
项目实践
组织学生进行嵌入式系统的项目 实践，将理论知识应用于实际项 目中，提高学生的综合应用能力。
注重培养学生的实际动手能力
提供实验设备和实验环境
学校应提供先进的实验设备和实验环境，满足学生进行实验和实 践的需求。
加强实验课程建设
增加实验课程的比重，设计更多具有挑战性和实用性的实验项目， 引导学生主动实践。
《嵌入式原理系统》课件
模块化设计原则
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
模块间应保持松耦合、高内聚，模块接口应清晰、规范。
模块化设计方法
可以采用自顶向下的设计和分层设计等方法进行模块化设计。
嵌入式软件的测试与优化
测试方法
单元测试、集成测试和系统测试是常用的嵌入式软件 测试方法。
优化方法
代码优化、算法优化和系统优化是常用的嵌入式软件 优化方法。
性能评估
通过性能评估可以衡量嵌入式软件的性能指标，如响 应时间、功耗和可靠性等。
嵌入式传感器与执行器接口
分析嵌入式传感器与执行器的接口标准，如ADC、DAC等。
嵌入式传感器与执行器应用
介绍嵌入式传感器与执行器在实际应用中的实现方式，如温度检测、 压力控制等。
03
嵌入式操作系统原理
嵌入式操作系统的特点与分类
总结词：概述
可裁剪性：根据实际应用需求，嵌入式操作系统可以进 行定制和裁剪，以减小体积和资源占用。
嵌入式总线与接口协议
分析嵌入式总线与接口的协议标准，如RS-232、I2C、SPI等。
嵌入式总线与接口应用
介绍嵌入式总线与接口在实际应用中的实现方式，如串口通信、I/O控制等。
嵌入式传感器与执行器
嵌入式传感器与执行器概述
介绍嵌入式传感器与执行器的定义、分类、特点等。
常见嵌入式传感器与执行器
列举温度传感器、压力传感器、光敏传感器等常见嵌入式传感器与执 行器，并简要介绍其特点和应用领域。
嵌入式系统的发展趋势
低功耗设计
随着物联网和智能终端的普及，嵌入 式系统的功耗越来越受到关注，低功 耗设计成为发展趋势。
人工智能
人工智能技术的不断发展，嵌入式系 统将更加智能化，能够实现更高级别 的自动化和智能化控制。
云计算
嵌入式课程第1讲嵌入式系统综述ppt课件
3/92
课程设置的必要性
▪ 应用需求日益复杂 ▪ 微处理器技术长足发展 ▪ 社会对嵌入式技术人才的需求
据统计2002年16/32位嵌入式处理 器的销售额已接近70亿美元 ▪ 嵌入式软件技术成为核心
4/92
嵌入式处理器快速成长
$70亿
5/92
课程目的
了解嵌入式系统的概念和体系结构
掌握嵌入式系统的软硬件开发方法
代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000
35/92
嵌入式SOC
System On Chip,片上系统/系统芯片 将很多功能模块集成到单个芯片上 ➢ 各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，
用VHDL等语言描述 ➢ 除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一
12/92
课程安排（5）
3. 嵌入式Linux设备驱动实验 － 基本的编程实现 － 数码管驱动与按键驱动的结构分析及使用方法
4. 串口通讯与短信收发系统综合实验 － 基于Qt的嵌入式GUI程序设计 － 串口通讯程序设计 － 短信收发程序设计 － 程序编译下载与运行
13/92
评分标准
课堂表现与出勤率：20％ 实验表现：50％ 实验报告：30％
MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器 内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS
64 5Kc
应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由
器、激光打印机
30/92
典型的嵌入式微处理器－PowerPC
PowerPC架构特点：可伸缩性好，方便灵活
既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核， 应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到 PC，从消费类电子到通信设备
课程设置的必要性
▪ 应用需求日益复杂 ▪ 微处理器技术长足发展 ▪ 社会对嵌入式技术人才的需求
据统计2002年16/32位嵌入式处理 器的销售额已接近70亿美元 ▪ 嵌入式软件技术成为核心
4/92
嵌入式处理器快速成长
$70亿
5/92
课程目的
了解嵌入式系统的概念和体系结构
掌握嵌入式系统的软硬件开发方法
代表产品有TI的TMS320C2000/C5000 和Motorola的DSP56000
35/92
嵌入式SOC
System On Chip,片上系统/系统芯片 将很多功能模块集成到单个芯片上 ➢ 各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，
用VHDL等语言描述 ➢ 除个别无法集成外，嵌入式系统的大部分集成到一
12/92
课程安排（5）
3. 嵌入式Linux设备驱动实验 － 基本的编程实现 － 数码管驱动与按键驱动的结构分析及使用方法
4. 串口通讯与短信收发系统综合实验 － 基于Qt的嵌入式GUI程序设计 － 串口通讯程序设计 － 短信收发程序设计 － 程序编译下载与运行
13/92
评分标准
课堂表现与出勤率：20％ 实验表现：50％ 实验报告：30％
MIPS公司开发了32位高性能，低功耗的处理器 内核MIPS 32 4Kc和64位的处理器内核MIPS
64 5Kc
应用范围：机顶盒、视频游戏机、Cisco路由
器、激光打印机
30/92
典型的嵌入式微处理器－PowerPC
PowerPC架构特点：可伸缩性好，方便灵活
既有通用处理器，也有嵌入式微控制器和内核， 应用范围非常广泛，从高端服务器、工作站到 PC，从消费类电子到通信设备
嵌入式系统ppt课件
iPhone®
Went on sale in June 2007
One Samsung ARM1176
application processor core
Memory capacity: 8 – 16 GB
Display: 3.5 inch widescreen multitouch
Operating system: MAC OS X
Embedded system: any device that includes a programmable computer but is not itself a general-purpose computer With OS (use microprocessors) Without OS (use microcontrollers)
3 output ports, 6 wire digital platform
100 x 64 pixel LCD graphical display
Sound channel with 8-bit resolution
Stores multiple programs
精选ppt
11
应用范例介绍二
嵌入式系统 概论
精选ppt
1
What is this?
பைடு நூலகம்
The Von Neumann Architecture
精选ppt
2
What is Embedded ?
精选ppt
3
什么是嵌入式系统?
计算机，假装自己不是计算机…… (Stephen A. Edwards)
精选ppt
4
为什么要嵌入?
為何计算机要嵌入？
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
嵌入式课件(ppt)
1.1 嵌入式系统简介
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本 身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人 员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入 式系统的含义、特点等，以使读者加深对嵌入式系统的理解。
§1.1.1 嵌入式系统的定义 §1.1.2 嵌入式系统的组成 §1.1.3 嵌入式系统的特点 §1.1.4 嵌入式系统的应用 §1.1.5 嵌入式系统的发展
由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、 具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
第1章 嵌入式系统设计基础
4
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分： 硬件。图1.1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心； 存储器（ROM、RAM）用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出设备完成 与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来 实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）。该系统用来管理应 用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要 求。
由于对嵌入式系统含义的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也 不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义：
“Computer as Components – Principles of Embedded Computing System Design”一书的作者Wayne Wolf认为：“什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定 义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。”
嵌入式系统已经广泛应用于各个科技领域和日常生活的每个角落，由于其本 身的特性，使得我们很难发现它的存在。甚至一些从事嵌入式系统开发的科技人 员也只知单片机，不知道嵌入式系统。本节从嵌入式系统的定义开始，阐述嵌入 式系统的含义、特点等，以使读者加深对嵌入式系统的理解。
§1.1.1 嵌入式系统的定义 §1.1.2 嵌入式系统的组成 §1.1.3 嵌入式系统的特点 §1.1.4 嵌入式系统的应用 §1.1.5 嵌入式系统的发展
由上述可以看出，嵌入式系统是一个外延极广的概念，凡是与产品结合在一起的、 具有嵌入式系统特点的系统都可以称为嵌入式系统。
第1章 嵌入式系统设计基础
4
嵌入式系统的组成
嵌入式系统一般有3个主要的组成部分： 硬件。图1.1给出了嵌入式系统的硬件组成。其中，处理器是系统的运算核心； 存储器（ROM、RAM）用来保存可执行代码，以及中间结果；输入输出设备完成 与系统外部的信息交换；其他部分辅助系统完成功能。 应用软件。应用软件是完成系统功能的主要软件，它可以由单独的一个任务来 实现，也可以由多个并行的任务来实现。 实时操作系统（Real-Time Operating System，RTOS）。该系统用来管理应 用软件，并提供一种机制，使得处理器分时地执行各个任务并完成一定的时限要 求。
由于对嵌入式系统含义的理解因人而异，所以不同的书籍对嵌入式系统的定义也 不尽相同。下面给出了一些文献中对嵌入式系统的定义：
“Computer as Components – Principles of Embedded Computing System Design”一书的作者Wayne Wolf认为：“什么是嵌入式计算系统？如果不严格地定 义，它是任何一个包含可编程计算机的设备，但是它本身却不是一个通用计算机。”
最新嵌入式系统软件开发技术PPT课件
Linux驱动程序的加载方式
驱动程序直接编译入内核
驱动程序在内核启动时就已经在内存中 可以保留专用存储器空间
驱动程序以模块形式存储在文件系 统里，需要时动态载入内核
驱动程序按需加载，不用时节省内存 驱动程序相对独立于内核，升级灵活
Linux驱动程序模块加载
Linux驱动程序开发的任务
应用程序通过dev文件节点访问驱动 程序
应用程序通过proc文件节点可以查 询设备驱动的信息
驱动程序位置
驱动程序位于drivers目录下 通常驱动程序占kernel代码的50% Linux设备驱动程序在Linux的内核源代码中占有很大的比例，
源代码的长度日益增加，主要是驱动程序的增加。 在Linux内核的不断升级过程中，驱动程序的结构还是相对
“自底向上”地实现BSP中的初始化操作 “自顶向下”地设计硬件相关的驱动程序
BSP设计方法的不足与改进
目前BSP的设计与实现主要是针对某些特定的 文件进行修改
直接修改相关文件容易造成代码的不一致性， 增加软件设计上的隐形错误，从而增加系统调 试和代码维护的难度
解决这个问题的一个可行办法是：设计实现一 种具有图形界面的BSP开发设计向导，由该向 导指导设计者逐步完成BSP的设计和开发，并 最终由向导生成相应的BSP文件，而不再由设 计人员直接对源文件进行修改。
Linux驱动程序的开发环境
本机编译调试
开发环境配置简单 无需网络环境 适用于配置较高的x86机器
主机+目标机
主机可以自由选择Linux或Windows+Cygwin 主机和目标机通过网络共享文件系统 内核崩溃不会影响主机
Linux驱动程序的开发环境（续）
主机+目标机环境包括 主机运行的工具链∶cross gcc + glibc + gdb， 如果是windows主机还要有cygwin仿真环境 主机运行远程服务，常用的有tftp用来传送内 核映像、initrd，NFS用来共享文件系统 目标机运行ssh或telnet等远程登陆服务，用来 调试驱动程序
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
8
存储器设计目标
高速度 大容量 低价格
9
设计目标实现依据
存储器的工艺实现技术有了突飞猛进的发展，高速、大
容量、低价的存储器件以惊人的速度生产出来
所有程序都具有这样的行为特性：空间和时间局部性 90/10原理：一个程序的90％时间是消耗在10％的代码上 根据以上局部性原则（The Principle of Locality），
失效率呈现随块大小增加而上升的趋势
15
CACHE的地址映射方式
全相联Cache
在全相联Cache中，存储的块与块之间，以及存储顺序或保存的 存储器地址之间没有直接的关系
直接映像Cache
直接映像Cache不同于全相联Cache，地址仅需比较一次。在直 接映像Cache中，由于每个主存储器的块在Cache中仅存在一个 位置，因而把地址的比较次数减少为一次
组相联Cache
组相联Cache是介于全相联Cache和直接映像Cache之间的一种结 构。这种类型的Cache使用了几组直接映像的块，对于某一个给 定的索引号，可以允许有几个块位置，因而可以增加命中率和 系统效率
16
Cache与DRAM存取的一致性控制
CACHE读取
贯穿读出式(Look Through) 旁路读出式(Look Aside）
嵌入式系统
An Introduction to Embedded System
第四课
嵌入式系统硬件设计
陈文智 chenwz@
浙江大学计算机学院
1
课程大纲
嵌入式体系结构设计
嵌入式存储器设计
IO设计
SOC
2
嵌入式系统的软/硬件框架
3
嵌入式系统的设计步骤
4
嵌入式系统的设计步骤
就可以比较的存储器设计技术而言，DRAM的容量
大概为SRAM的16倍，而SRAM的存储周期比DRAM的约 快8～16倍
19
地址转换和存储保护
用户编程时使用的地址称为逻辑地址（相对地址） 把程序在内存中的实际地址称为物理地址（绝对地址） 为了保证程序的正确运行必须把程序和数据的逻辑地址
转换为物理地址，这一工作称为地址转换或重定位
静态重定位 在作业装入时由作业装入程序实现地址转换 动态重定位 在程序执行时实现地址转换
20
虚拟存储器
虚拟存储器（Virtual Memory）技术是一种通过硬件和
软件的综合来扩大用户可用存储空间的技术
虚拟存储器主要是为了满足应用程序对高速大容量主存
的需求
虚拟存储器实现的重定位是由一个地址映象表机构完成 虚拟存储器还提供存储共享和保护机制
14
存储器层次结构的性能
评价存储器层次结构的性能参数是平均存储访问时间
(average memory-access time)
平均存储访问时间＝命中时间 ＋ 失效率 × 失效损失
当块大小过小时，失效率很高 当高层存储器容量保持不变时，失效率有一最低限值，
此时块大小的变化对失效率没有影响
当块大小超过某定值后，（这一定值又称为污染点），
系统需求分析 体系结构设计 硬件/软件协同设计 系统集成 系统测试
5
嵌入式系统的硬件体系结构
6
课程大纲
嵌入式体系结构设计
嵌入式存储器设计
IO设计
SOC
7
存储器的几个相关性能指数
容量
存储器容量用S=W×l×m表示，W为存储器字长，l为 存储器字数，m则为存储器体数
速度
块（Block）:相邻两级间的信息交换单位 命中（Hit）：相邻两层存储层次中，访问地址可以
直接在高层存储器中访问到 命中时间(hit time)：访问高层存储器所需的时间， 其中包括本次访问是命中还是失效的判定时间 命中率（Hit Rate）：相邻两层存储层次中，访问 地址可以直接在高层存储器中访问到的概率 失效率（Miss Rate）：等于1－命中率 失效损失(miss penalty)：用低层存储器中相应的 块替换高层存储器中的块，并将该块传送到请求访问 的设备（通常是CPU）的时间
访问时间(access time)Ta：从存储器接到读请求到 所读的字传送到数据总线上的时间间隔 存储周期Tm：连续两次访问存储器之间所必需的最小 时间间隔。一般Tm > Ta 存储带宽Bm：存储器被连续访问时所提供的数据传输 速流，单位是位(或字节）/秒
价格
存储器的价格通常用单位字节价格来表示，若总容量 为S的存储器的总价格为C，则单位字节价格c＝C/S
作为主存使用的情况
18
DRAM与SRAM主要差别
对DRAM芯片来说，在读出数据之后还需重新写回
数据，因而它的访问延迟和存储周期不同。SRAM的 访问时间与存储周期则没有差别
为防止信息丢失，DRAM需要定期刷新每个存储单
元，SRAM却不需要
DRAM设计强调容量，而对SRAM设计来说，容量和
速度同样重要
就可以利用各种不同的价格、速度、容量的存储器的组合 设计出一个多层次（multiple level）存储系统
10
存储器层次结构
在嵌入式系统中所用到的存储器主要有：触发器
（Flip-Flops and Latches）、寄存器（Register Files）、静态随机访问存储器（SRAM）、动态随机访 问存储器（DRAM）、闪速存储器（FLASH）、磁盘 （Magnetic Disk）等 这些存储器的速度，为触发器最快，寄存器次之， SRAM再次，DRAM较慢，然后是FLASH，磁盘最慢
CACHE写
写通式(Write Through) 回写式(Copy Back)
17
主存简介
主存是非常重要存储和记忆部件，用以存放
数据和程序
主存大都采用DRAM芯片实现 一般说来，容量越大速度越快的存储器就能
给系统带来越高的性能
与微机相比，嵌入式系统的主存一般比较小 同时在有些嵌入式系统中也有用Flash存储器
价格正好反之，磁盘的每ຫໍສະໝຸດ 字节价格最便宜，触发器最贵
11
存储器层次结构图
寄存器 静态随机访问存储器
动态随机访问存储器 Flash
速度越来越快
12
容量越来越大
存储器层次结构的特性
第一，数据的包含性，即上层的数据，在下一
层中都能找到。
第二，下层存储器将自己的地址映射到高层的
存储器。
13
存储器层次结构几个基本概念
存储器设计目标
高速度 大容量 低价格
9
设计目标实现依据
存储器的工艺实现技术有了突飞猛进的发展，高速、大
容量、低价的存储器件以惊人的速度生产出来
所有程序都具有这样的行为特性：空间和时间局部性 90/10原理：一个程序的90％时间是消耗在10％的代码上 根据以上局部性原则（The Principle of Locality），
失效率呈现随块大小增加而上升的趋势
15
CACHE的地址映射方式
全相联Cache
在全相联Cache中，存储的块与块之间，以及存储顺序或保存的 存储器地址之间没有直接的关系
直接映像Cache
直接映像Cache不同于全相联Cache，地址仅需比较一次。在直 接映像Cache中，由于每个主存储器的块在Cache中仅存在一个 位置，因而把地址的比较次数减少为一次
组相联Cache
组相联Cache是介于全相联Cache和直接映像Cache之间的一种结 构。这种类型的Cache使用了几组直接映像的块，对于某一个给 定的索引号，可以允许有几个块位置，因而可以增加命中率和 系统效率
16
Cache与DRAM存取的一致性控制
CACHE读取
贯穿读出式(Look Through) 旁路读出式(Look Aside）
嵌入式系统
An Introduction to Embedded System
第四课
嵌入式系统硬件设计
陈文智 chenwz@
浙江大学计算机学院
1
课程大纲
嵌入式体系结构设计
嵌入式存储器设计
IO设计
SOC
2
嵌入式系统的软/硬件框架
3
嵌入式系统的设计步骤
4
嵌入式系统的设计步骤
就可以比较的存储器设计技术而言，DRAM的容量
大概为SRAM的16倍，而SRAM的存储周期比DRAM的约 快8～16倍
19
地址转换和存储保护
用户编程时使用的地址称为逻辑地址（相对地址） 把程序在内存中的实际地址称为物理地址（绝对地址） 为了保证程序的正确运行必须把程序和数据的逻辑地址
转换为物理地址，这一工作称为地址转换或重定位
静态重定位 在作业装入时由作业装入程序实现地址转换 动态重定位 在程序执行时实现地址转换
20
虚拟存储器
虚拟存储器（Virtual Memory）技术是一种通过硬件和
软件的综合来扩大用户可用存储空间的技术
虚拟存储器主要是为了满足应用程序对高速大容量主存
的需求
虚拟存储器实现的重定位是由一个地址映象表机构完成 虚拟存储器还提供存储共享和保护机制
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存储器层次结构的性能
评价存储器层次结构的性能参数是平均存储访问时间
(average memory-access time)
平均存储访问时间＝命中时间 ＋ 失效率 × 失效损失
当块大小过小时，失效率很高 当高层存储器容量保持不变时，失效率有一最低限值，
此时块大小的变化对失效率没有影响
当块大小超过某定值后，（这一定值又称为污染点），
系统需求分析 体系结构设计 硬件/软件协同设计 系统集成 系统测试
5
嵌入式系统的硬件体系结构
6
课程大纲
嵌入式体系结构设计
嵌入式存储器设计
IO设计
SOC
7
存储器的几个相关性能指数
容量
存储器容量用S=W×l×m表示，W为存储器字长，l为 存储器字数，m则为存储器体数
速度
块（Block）:相邻两级间的信息交换单位 命中（Hit）：相邻两层存储层次中，访问地址可以
直接在高层存储器中访问到 命中时间(hit time)：访问高层存储器所需的时间， 其中包括本次访问是命中还是失效的判定时间 命中率（Hit Rate）：相邻两层存储层次中，访问 地址可以直接在高层存储器中访问到的概率 失效率（Miss Rate）：等于1－命中率 失效损失(miss penalty)：用低层存储器中相应的 块替换高层存储器中的块，并将该块传送到请求访问 的设备（通常是CPU）的时间
访问时间(access time)Ta：从存储器接到读请求到 所读的字传送到数据总线上的时间间隔 存储周期Tm：连续两次访问存储器之间所必需的最小 时间间隔。一般Tm > Ta 存储带宽Bm：存储器被连续访问时所提供的数据传输 速流，单位是位(或字节）/秒
价格
存储器的价格通常用单位字节价格来表示，若总容量 为S的存储器的总价格为C，则单位字节价格c＝C/S
作为主存使用的情况
18
DRAM与SRAM主要差别
对DRAM芯片来说，在读出数据之后还需重新写回
数据，因而它的访问延迟和存储周期不同。SRAM的 访问时间与存储周期则没有差别
为防止信息丢失，DRAM需要定期刷新每个存储单
元，SRAM却不需要
DRAM设计强调容量，而对SRAM设计来说，容量和
速度同样重要
就可以利用各种不同的价格、速度、容量的存储器的组合 设计出一个多层次（multiple level）存储系统
10
存储器层次结构
在嵌入式系统中所用到的存储器主要有：触发器
（Flip-Flops and Latches）、寄存器（Register Files）、静态随机访问存储器（SRAM）、动态随机访 问存储器（DRAM）、闪速存储器（FLASH）、磁盘 （Magnetic Disk）等 这些存储器的速度，为触发器最快，寄存器次之， SRAM再次，DRAM较慢，然后是FLASH，磁盘最慢
CACHE写
写通式(Write Through) 回写式(Copy Back)
17
主存简介
主存是非常重要存储和记忆部件，用以存放
数据和程序
主存大都采用DRAM芯片实现 一般说来，容量越大速度越快的存储器就能
给系统带来越高的性能
与微机相比，嵌入式系统的主存一般比较小 同时在有些嵌入式系统中也有用Flash存储器
价格正好反之，磁盘的每ຫໍສະໝຸດ 字节价格最便宜，触发器最贵
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存储器层次结构图
寄存器 静态随机访问存储器
动态随机访问存储器 Flash
速度越来越快
12
容量越来越大
存储器层次结构的特性
第一，数据的包含性，即上层的数据，在下一
层中都能找到。
第二，下层存储器将自己的地址映射到高层的
存储器。
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存储器层次结构几个基本概念