1、(3) 嵌入式硬件系统概论,浙江大学计算机学院陈文智2005年2月,2,嵌入式系统硬件部分,嵌入式系统软件部分,如人的灵魂，掌控着所有硬件的操作模式。通过优异的操作系统以及应用程序，把硬件功能发挥到及至。,如人的手、脚、头脑及感觉神经等部位，掌控了嵌入式系统的先天功能。如运算能力和扩展功能等。,3,1 嵌入式微处理器的发展,初期的划分：一般用途型（仅包含单纯的CPU）单片机控制器型（将CPU、ROM、RAM、I/O做在一芯片上）,4,以处理器的位数来划分,5,不同等级的处理器应用：,6,1.1 四位及八位嵌入式系统微处理器,7,1.2 16位以上嵌入式系统微处理器,8,1.3 协处理器（Co-
2、processor）,Intel推出的协处理器及其搭配的X86架构,9,1.4 RISC和CISC,计算机自40年代中叶问世以来，其体系结构的发展经历了：简单复杂极其复杂简单复杂极其复杂,10,CISC计算机,复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer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指令系统来实现。,11,CISC的特点,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
3、行每条指令均需完成一个微指令序列；CPI ，指令越复杂，CPI越大。,12,CISC的主要缺点,指令使用频度不均衡。高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充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)。软硬功能分配 复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长，直接访存次数增多，数据重复利用率低。不利于先进指令级并行技术的采用,13,RISC基本设计思想,减小CPI: CPUtime=Instr_Coun
4、t * CPI * Clock_cycle精简指令集:保留最基本的,去掉复杂、使用频度不高的指令采用Load/Store结构，有助于减少指令格式，统一存储器访问方式采用硬接线控制代替微程序控制,14,RISC精华:减少指令平均执行周期数,CPUtime= IC *CPI *CCICRISC IC CISC, 30%-40%CCRISC CCCISC，CPIRISC CPICISC 差距在缩小超标量、超流水线、VLIW等系统结构， 目标在于减小CPI， 可使CPI1,15,RISC的提出与发展,Load/Store结构提出： CDC6600(1963)-CRAY1(1976)RISC思想最早在I
5、BM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC: MIPS1(1986)和SPARC V1(1987),16,高性能RISC处理器典型,SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM, Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的Alpha AXPIBM的RS6000(1990)第一台Sup
6、erscalar RISC机,17,1.5 数字信号处理器(DSP),乘法与加法运算离散傅立叶变换(DFT)离散余弦变换(DCT)Finite Impluse ResponesFilter,18,2 嵌入式片上系统( SoC ),SoC - System on ChipCPU + DSP + USB + TCP/IP + GPRS + GSM + IEEE1394 + BLUETOOCH + SOC的优点:改变内部工作电压，减少功耗减少芯片对外管脚数，简化制造过程减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰,19,2.1 SOC的设计开发,20
7、,3 整和型嵌入式处理器,3.1 ARM 公司的ARM RISC处理器ARM 7 Thumb 家族ARM 9 Thumb 家族ARM 10 Thumb 家族,21,22,3.2 Intel StrongARM,StrongARM 110StrongARM 1100StrongARM 1110StrongARM 1111,23,24,3.3 德州仪器TMS320 DSP处理器,TMS320C5X DSP家族TMS320C6X DSP家族,25,3.4 Philips公司的Trimedia,26,3.5德州仪器OMAP处理器,27,3.6 INTEL的Xscale架构处理器,28,Thin Cli
8、ents,Network Devices,Office Automation,Kiosk/ATM,Game Platforms,IndustrialAutomation,Embedded Devices,Retail POS,Set-Top-Box,Gateway/Media Store,Intel ArchitectureIntel XScale,29,3.7 MIPS RISC,30,31,3.8 Motorola的DragonBall VZ,32,4 总线,总线的主要参数有总线的带宽总线的位宽总线的工作时钟频率,33,4.1 ISA,IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT
9、 的总线，称为PC 总线。IBM 公司于1984 年推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。然而IBM 公司从未公布过他们的AT总线规格。由Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。,34,4.2 PCI,1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。并联合IBM、Compaq、AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component
10、Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG,35,4.3 I2C,PHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的简单的双向两线串行总线I2C(inter IC 总线),36,4.4 PC104,PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应,37,4.5 CAN,“Controller Area Network”即控制器局域网被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车
11、载各电子控制装置ECU 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入CAN 控制装置。,38,CPCIATCAPCI EXPRESS,39,5 高速输入与输出接口,5.1 IrDA/FastIrDA红外线发光二极管发射硅晶PIN光检二极管接受控制电路,40,距离小于一尺低速9.6115K bps高速14M bps更高速16M bps,41,5.2 USB,IBM、Compaq、Nortel、NEC、Intel以及Microsoft联合12M bps距离5 米树拓扑结构，127个点低速 1.5 M bpsUSB 2.0 速率高达480Mbps
12、,42,5.3 Ethernet/Fast Ethernet,802.3 / 802.3n10M Ethernet100M Ethernet采用什么协议? CSMA/CD,43,5.4 IEEE1394,20400M bps起源于APPLE的FireWire支持63个器件长度几米,44,使用1394的数字机顶盒架构图,45,5.5 蓝牙模块 （bluetooth),无线传输收发单元基频处理单元数据传输接口通信频率在1.2GHZ以内。,46,47,蓝牙和红外线的比较：,48,6 输入输出装置,6.1 触控面板电容式音波式红外线式近场感应式电阻式XGT式防水、防火、防刮、抗菌,49,电阻式触控面板
13、结构,50,6.2 LCD显示器,Liquid Crystal Display液晶介于固态和液态用于显示GUI（图象用户界面）环境下的文字和图象数据适用于低压、微功耗电路。,51,段式液晶常见段式液晶的每字为8 段组成，即8 字和一点，只能显示数字和部分字母。字符型液晶字符型液晶是用于显示字符和数字的，对于图形和汉字的显示方式与段式液晶无异图形点阵式液晶又将其分为TN、STN（DSTN）、TFT 等几类,52,彩色LCD 分：主动式LCD(有源, active)高端产品使用,如TFT被动式LCD(无源,passive)中低端产品，如STN手机等,53,LCD结构图,54,7 存储器,RAM( SRAM DRAM )ROMEPROMEEPROMFLASH ROM,55,8 扩充装置,8.1 CF扩充装Compact Flash所有Windows CE 支持,56,8.2 SD扩充装置（Secure Digital）Panasonic Scandisk Toshiba,57,8.3 Memory Stick (Sony),58,8.4 Springboard (Palm os 的Visor专用）,
