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1、1vAAA嵌入式系统设计与实例开发 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望2l嵌入式系统课程开设的背景嵌入式系统课程开设的背景 在当今在当今 后后PCPC时代，无论通讯、工控、机械冶金、信时代，无论通讯、工控、机械冶金、信息家电、仪器仪表、航空航天、军工、船舶等领域都息家电、仪器仪表、航空航天、军工、船舶等领域都需要大量的嵌入式开发人员。为了为国家培养兼具软需要大量的嵌入式开发人员。为了为国家培养兼具软硬件开发能力的人才，增加学生就业竞争力。硬件开发能力的
2、人才，增加学生就业竞争力。l嵌入式系统人才需求分析嵌入式系统人才需求分析l 学校教育中存在偏向极硬学校教育中存在偏向极硬(hardware design)(hardware design)，或偏，或偏向超软向超软(software development)(software development)，硬件设计人员作风，硬件设计人员作风通常非常保守，比较缺乏系统整合设计能力，而软件通常非常保守，比较缺乏系统整合设计能力，而软件设计人员只要遇到硬件问题就无能为力，对硬件知识设计人员只要遇到硬件问题就无能为力，对硬件知识缺少了解。因此，目前国内非常缺乏嵌入式系统所需缺少了解。因此，目前国内非常缺乏嵌
3、入式系统所需要的软硬件系统整合人才，大部分都还是靠硬件设计要的软硬件系统整合人才，大部分都还是靠硬件设计人员兼职。人员兼职。3l嵌入式系嵌入式系统统工程工程师师既要精通一定的硬件技既要精通一定的硬件技术术、同、同时还时还要掌握嵌要掌握嵌入式操作系入式操作系统统以及特定以及特定软软硬件平台上的开硬件平台上的开发发技技术术；另外，；另外，还还需需要有要有专门专门的开的开发调试设备发调试设备、软软件和件和资资料等特殊条件才能系料等特殊条件才能系统统学学习习。l企业大都不愿投入人力和财力去培养自己企业的嵌入式系统工企业大都不愿投入人力和财力去培养自己企业的嵌入式系统工程师，而是愿意招聘现成的嵌入式系统
4、工程师。程师，而是愿意招聘现成的嵌入式系统工程师。l嵌入式系统人才短缺！据估计，中国目前软件人才缺口为嵌入式系统人才短缺！据估计，中国目前软件人才缺口为4242万万人，其中嵌入式软件的人才缺口更大。人，其中嵌入式软件的人才缺口更大。l国内外大量需求嵌入式系统工程师国内外大量需求嵌入式系统工程师 Motorola Motorola、EricssonEricsson、LucentLucent、HuaweiHuawei、IntelIntel、LegendLegend等等著名著名ITIT企企业业高薪聘高薪聘请请的技的技术术人人员员，绝绝大多数都是嵌入式系大多数都是嵌入式系统统工工程程师师。从最近的由中
5、。从最近的由中华华英才网提供的行英才网提供的行业业薪酬薪酬调查报调查报告告显显示，示，通信、医通信、医疗设备疗设备、金融名列三甲。而通信、医、金融名列三甲。而通信、医疗设备疗设备就是嵌入就是嵌入式系式系统统的典型的典型应应用用领领域。从国内求域。从国内求职类权职类权威网站威网站 51job 51job、中、中华华英才网的近期的工作搜索分英才网的近期的工作搜索分类类来看，嵌入式系来看，嵌入式系统统工程工程师师的需求的需求已成已成为热门职业为热门职业。结论：嵌入式系统的教学是大势所趋且刻不容缓结论：嵌入式系统的教学是大势所趋且刻不容缓!4l嵌入式系统课程开设的目的嵌入式系统课程开设的目的l从传统的
6、从传统的5151、X86X86等低级的等低级的8 8、1616位处理器平台，向目前位处理器平台，向目前实用的实用的3232位高级位高级RISCRISC处理器平台转移；处理器平台转移；l 从纯粹的从纯粹的CPUCPU单任务控制向实时多任务转移；单任务控制向实时多任务转移；l 从传统从传统CPU教育的汇编语言、机器指令教学方式，上升教育的汇编语言、机器指令教学方式，上升到使用规范的到使用规范的C C语言来进行条理的模块化嵌入式开发；语言来进行条理的模块化嵌入式开发；l 彻底解决传统操作系统课程，理论与实践严重脱节的情彻底解决传统操作系统课程，理论与实践严重脱节的情况；况；l 学生更深入地理解硬件和
7、底层软件间的配合问题；学生更深入地理解硬件和底层软件间的配合问题；l 弥补学生动手能力差的问题，避免学生只会纯粹在弥补学生动手能力差的问题，避免学生只会纯粹在WindowsWindows平台做一些简单劳动的软件编写工作，真正去平台做一些简单劳动的软件编写工作，真正去深入理解嵌入式系统。深入理解嵌入式系统。5l关于课程关于课程l目前国内高校及我校现状目前国内高校及我校现状l内容的选择与组织内容的选择与组织微处理器微处理器ARM内核内核实时操作系统实时操作系统UCOS-IIl意义意义:社会对嵌入式系统设计开发人才与日俱增的需求社会对嵌入式系统设计开发人才与日俱增的需求由技术发展趋势的必然所决定由技
8、术发展趋势的必然所决定l特点特点综合性综合性:涉及多门专业基础课涉及多门专业基础课汇编语言汇编语言C语言语言微机原理微机原理系统结构系统结构操作系统操作系统接口与通信接口与通信是软硬件设计的完美结合是软硬件设计的完美结合基础性基础性:作为计算机作为计算机电子电气电子电气自动控制等专业的基础平台课自动控制等专业的基础平台课实践性实践性:实验是嵌入式系统教学的重要环节实验是嵌入式系统教学的重要环节l关于教材关于教材l课程安排课程安排6本节提纲本节提纲u嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统的定义与特点u嵌入式微处理器的相关基本知识嵌入式微处理器的相关基本知识u嵌入式实时操作系统的相关基本知识嵌入式实时操
9、作系统的相关基本知识u嵌入式系统的设计方法概述嵌入式系统的设计方法概述7典型嵌入式系统基本组成硬件典型嵌入式系统基本组成硬件MPU微处理器微处理器电源电源模块模块时钟时钟复位复位FlashRAMROMUSBLCDKeyboard外围电路外围电路Other外设外设8典型嵌入式系统基本组成软件典型嵌入式系统基本组成软件输入输入输出输出操作系统操作系统应用程序应用程序软件软件结构结构硬件硬件结构结构9嵌入式系统的发展嵌入式系统的发展l嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一个手持的MP3MP3和一个和一个PC104PC104的微型工业控制计算机都可以认为是
10、的微型工业控制计算机都可以认为是嵌入式系统。嵌入式系统。l嵌入式系统已经有了近嵌入式系统已经有了近3030年的发展历史，它是硬件和年的发展历史，它是硬件和软件交替发展的双螺旋式发展。软件交替发展的双螺旋式发展。l最早的单片机是最早的单片机是IntelIntel公司的公司的40444044，它出现在，它出现在19711971年年lMotorolaMotorola同时推出了同时推出了68HC0568HC05，ZilogZilog公司推出了公司推出了Z80Z80系系列，这些早期的单片机均含有列，这些早期的单片机均含有256256字节的字节的RAMRAM、4K4K的的ROMROM、4 4个个8 8位并
11、口、位并口、1 1个全双工串行口、两个个全双工串行口、两个1616位定位定时时器。器。l之后在之后在8080年代初，年代初，IntelIntel又进一步完善了又进一步完善了80488048，在它，在它的基础上研制成功了的基础上研制成功了80518051。10l19811981年年Ready SystemReady System发展了世界上第发展了世界上第1 1个商业嵌入式实个商业嵌入式实时内核（时内核（VTRX32VTRX32）包含了许多传统操作系统的特征，）包含了许多传统操作系统的特征，包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断包括任务管理、任务间通讯、同步与相互排斥、中断支持、内存管理
12、等功能。支持、内存管理等功能。l随后，出现了如随后，出现了如Integrated System Incorporation Integrated System Incorporation(ISI)(ISI)的的PSOSPSOS、IMGIMG的的VxWorksVxWorks、QNXQNX公司的公司的QNXQNX等，等，Palm OSPalm OS，WinCEWinCE，嵌入式，嵌入式LinuxLinux，LynxLynx，uCOSuCOS、NucleuxNucleux，以及国内的，以及国内的HopenHopen、Delta OSDelta OS等嵌入式操作等嵌入式操作系统。系统。l今天今天RTO
13、SRTOS已经在全球形成了已经在全球形成了1 1个产业，根据美国个产业，根据美国EMFEMF（电子市场分析）报告，（电子市场分析）报告，19991999年全球年全球RTOSRTOS市场产值达市场产值达3.63.6亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真亿美元，而相关的整个嵌入式开发工具（包括仿真器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达器、逻辑分析仪、软件编译器和调试器）则高达9 9亿美亿美元。元。11IEEEIEEE定义定义 根据根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助用于控制、监视或者辅助操作机
14、器和设备的装置操作机器和设备的装置”（原文为（原文为devices used to control,monitor,or assist the operation of equipment,machinery or plants）。）。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。置。12一般定义一般定义 “以以应用应用为中心、以计算机技为中心、以计算机技术为基础、术为基础、软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪、功能、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要可靠性、成本、体积、
15、功耗严格要求求的的专用专用计算机系统。计算机系统。”13嵌入式系统定义嵌入式系统定义要素要素l专用计算机系统专用计算机系统(非非PCPC智能电子设备智能电子设备)n以应用为中心以应用为中心n以计算机技术为基础以计算机技术为基础n软件硬件可裁剪软件硬件可裁剪n适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等的严格要求等的严格要求l 知识集成应用系统（知识集成应用系统（CSEACSEA）n技术密集技术密集 资金密集资金密集n高度分散高度分散 不可垄断不可垄断n面向应用面向应用 不断创新不断创新14嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类l按表现形式分：（硬件范畴）
16、按表现形式分：（硬件范畴）n芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）芯片级嵌入（含程序或算法的处理器）n模块级嵌入（系统中的某个核心模块）模块级嵌入（系统中的某个核心模块）n系统级嵌入系统级嵌入l按实时性要求分：（软件范畴）按实时性要求分：（软件范畴）l非实时系统（非实时系统（PDAPDA）l软实时系统（电子消费类产品）软实时系统（电子消费类产品）l硬实时系统（数控、航空航天等工业和军工系统）硬实时系统（数控、航空航天等工业和军工系统）15嵌入式系统的几个重要特征嵌入式系统的几个重要特征（1 1）系统内核小）系统内核小l由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置
17、的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。统要小得多。l比如比如ENEAENEA公司的公司的OSEOSE分布式系统，内核只有分布式系统，内核只有5K5K，而，而WindowsWindows的内核则要大得多。的内核则要大得多。16（）专用性强（）专用性强l嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植。l即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增
18、减不断进行修改。硬件的变化和增减不断进行修改。l同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的件的“升级升级”是完全不同的概念。是完全不同的概念。17（）系统精简（）系统精简l嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。（）高实时
19、性（）高实时性OSOSl这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，这是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固态存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性、实时性。性。18（5 5）嵌入式软件开发走向标准化）嵌入式软件开发走向标准化l嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行。上运行。l为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOSRTOS（RealRealTim
20、e Operating SystemTime Operating System）开发平台，这样才能保）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。障软件质量。19（6 6）嵌入式系统开发需要开发工具和环境）嵌入式系统开发需要开发工具和环境l由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，由于其本身不具备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。有一套开发工具和环境才能进行开发。l这些工具和环境一般是基
21、于通用计算机上的软硬件设这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。l开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。合进行。20l嵌入式处理器系统嵌入式处理器系统l嵌入式处理器嵌入式处理器l各种类型存储器各种类型存储器l模拟电路及电源模拟电路及电源l接口控制器及接插件接口控制器及接插件l嵌入式软件系统嵌入式软件系统l实时操作系统（实时操作系统（RTOSRTOS）l板级支
22、持包（板级支持包（BSPBSP）l设备驱动（设备驱动（Device DriverDevice Driver）l协议栈（协议栈（Protocol StackProtocol Stack）l应用程序（应用程序（ApplicationApplication）嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类21本节提纲本节提纲u嵌入式系统的定义与特点嵌入式系统的定义与特点u嵌入式微处理器的相关基本知识嵌入式微处理器的相关基本知识u嵌入式实时操作系统的相关基本知识嵌入式实时操作系统的相关基本知识u嵌入式系统的设计方法概述嵌入式系统的设计方法概述22l冯冯诺依曼体系结构和哈佛体系结构诺依曼体系结构和哈佛体系结构lCISC
23、CISC与与RICSRICSl影响影响CPUCPU性能的因素性能的因素l存储器系统存储器系统硬件基础硬件基础23冯冯诺依曼体系结构模型诺依曼体系结构模型指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器存储器存储器程序程序指令指令0指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4数据数据数据数据0数据数据1数据数据224指令的执行周期指令的执行周期T1）取指令（）取指令（InstructionFetch)：TF2）指令译码（）指令译码（InstructionDecode）：）：TD3）执行指令（）执行指令（InstructionExecute）：）：TE4）存储（）存
24、储（Storage）：）：TS每条指令的执行周期：每条指令的执行周期：T=TF+TD+TE+TS25冯冯诺依曼体系的特点诺依曼体系的特点1）数据与指令都存储在存储器中数据与指令都存储在存储器中2）被大多数计算机所采用）被大多数计算机所采用3）ARM7冯诺依曼体系冯诺依曼体系26哈佛体系结构哈佛体系结构指令寄存器指令寄存器控制器控制器数据通道数据通道输入输入输出输出中央处理器中央处理器程序存储器程序存储器指令指令0指令指令1指令指令2数据存储器数据存储器数据数据0数据数据1数据数据2地址地址指令指令地址地址数据数据27哈佛体系结构的特点哈佛体系结构的特点1）程序存储器与数据存储器分开程序存储器与
25、数据存储器分开2）提供了较大的数据存储器带宽）提供了较大的数据存储器带宽3）适合于数字信号处理）适合于数字信号处理4）大多数）大多数DSP都是哈佛结构都是哈佛结构5）ARM9是哈佛结构是哈佛结构28CISC和和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Complex Instruction Set ComputerComputer）l具有大量的指令和寻址方式具有大量的指令和寻址方式l大多数程序只使用少量的指令就能够运行。大多数程序只使用少量的指令就能够运行。RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instructio
26、n Set Reduced Instruction Set Computer)Computer)l8/28/2原则：原则：80%80%的程序只使用的程序只使用20%20%的指令的指令l在通道中只包含最有用的指令在通道中只包含最有用的指令l确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令l使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单29CISC与与RISC的数据通道的数据通道IFIDREGALUMEM开始退出IFIDALUMEMREG微操作通道开始退出单通数据通道30影响影响CPU性能的因素：流水线、超标量和缓存性能的因素：流水线、超标量和缓存RISC流水线技术：
27、几个指令可以并行执行流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了提高了CPU的运行效率的运行效率 内部信息流要求通畅流动内部信息流要求通畅流动译码取指执行add译码取指执行sub译码取指执行cmp时间AddSubCmp31超标量执行超标量执行超标量执行：超标量超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构采用多条流水线结构 执行1预取指令CACHE译码2译码1执行2执行1预取译码2译码1执行2流水线1流水线2数据32高速缓存（高速缓存（CACHE）1、为什么采用高速缓存为什么采用高速缓存 微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓微处理器的时钟频率比内存速度提高快得多，高速缓存可以提高内存的平均性
28、能。存可以提高内存的平均性能。2、高速缓存的工作原理、高速缓存的工作原理 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。存内容的拷贝。CPU高速缓存控制器CACHE主存数据数据地址33总线和总线桥总线和总线桥CPU低速设备桥数据高速总线存储器高速设备高速设备低速总线34存储器系统存储器系统RAM：随机存取存储器：随机存取存储器SRAM：静态随机存储器：静态随机存储器DRAM：动态随机存储器：动态随机存储器 1）SRAM比比DRAM快快 2）SRAM比比DRAM耗电多耗电多 3）DRAM存储密度比存储密度比SRAM高得多（容积）高得多（
29、容积）4）DRAM需要周期性刷新需要周期性刷新ROM：只读存储器：只读存储器FLASH：闪存：闪存35SRAM和和DRAM1）SRAM2）DRAMCSR/WAddrDataCS（片选）（片选）R/WCAS（列刷新）（列刷新）DataRAS（行刷新）（行刷新）Addr36输入输出接口输入输出接口1）I/O2）A/D、D/A3）键盘）键盘4）LCD5）存储器接口）存储器接口6）设备接口）设备接口37 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下一般就具备以下4 4个特点个特点l对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有对实时多
30、任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。的执行时间减少到最低限度。l具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。时也有利于软件诊断。l可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的可扩展的处理器结构，以能最迅速地
31、开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。最高性能的嵌入式微处理器。l嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有更是如此，如需要功耗只有mWmW甚至甚至WW级。级。嵌入式处理器嵌入式处理器38嵌入式处理器嵌入式处理器l嵌入式处理器的发展趋势嵌入式处理器的发展趋势n经济性（成本）经济性（成本）n微型化（封装、功耗）微型化（封装、功耗）n智能化（功能、速度）智能化（功能、速度）l嵌入式处理器的分类和现状嵌入式处理器的分类和现状
32、l微控制器（微控制器（MCUMCU）l微处理器（微处理器（MPUMPU）l数字信号处理器（数字信号处理器（DSPDSP）l混合处理器和片上系统（混合处理器和片上系统（SOCSOC）l可编程片上系统（可编程片上系统（SOPCSOPC）39硬件设计工具（硬件设计工具（EDA工具）工具）系统级设计工具系统级设计工具CadenceCadence的的SPWSPWSystem ViewSystem View模拟电路系统仿真工具模拟电路系统仿真工具PspicePspiceEWBEWBPCB设计工具设计工具ProtelProtelPADs PADs 的的Power PCB&Tool KitPower PCB&
33、Tool KitMentorMentor的的Expedition&Tool KitExpedition&Tool Kit可编程逻辑器件设计工具可编程逻辑器件设计工具Mentor FPGA Advantage&ModelSimMentor FPGA Advantage&ModelSimXilinx Foundation ISE&Tool KitXilinx Foundation ISE&Tool Kit各种综合和仿真第三方工具各种综合和仿真第三方工具40嵌入式处理器的发展嵌入式处理器的发展Intel 4004 Intel 4004 MicroprocessorMicroprocessorlInt
34、roducedin1970lFirstmicroprocessorl4bitarchitecture!l2,250transistors（晶体管）（晶体管）l12mm2lClock:108kHz41Intel8085MicroprocessorlIntroducedin1974l8-bitarchitecturelStillusedinsomemicrocontrollerapplications!42Intel8086MicroprocessorlIntroducedin1979l29,000transistorsl33mm2lClock:5MHzl16bitarchitecture43In
35、tel386MicroprocessorlIntroducedin1985l275,000transistorsl43mm2lClock:16MHzl32bitarchitecture44Intel486MicroprocessorlIntroducedin1989l1,200,000transistorsl81mm2lClock:25MHzl32bitarchitecture45IntelPentiumMicroprocessorlIntroducedin1993l3,100,000transistorsl296mm2lClock:60MHzl32bitarchitecture46Penti
36、um Processor DetailslStatelRegisterslMemorylControlROMlCombinationallogicREG47嵌入式微处理器分类嵌入式微处理器分类48（1）、嵌入式微控制器）、嵌入式微控制器（MCU）l嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的嵌入式微控制器的典型代表是单片机这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。的应用。l单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROM/EPROMROM/EPROM、RAMRAM、总线、总、总线、总线逻辑、定时线逻辑、定时/计数器、看门狗、计数器、看门狗、I/O
37、I/O、串行口、串行口、脉宽调制输出、脉宽调制输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash RAMFlash RAM、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外设。等各种必要功能和外设。49l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。而使功耗和成本下降、可靠性提高。l微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器称为微控制器。50l由于由于MCUMCU低廉的价格，优良的功能，所
38、以拥有的低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括品种和数量最多，比较有代表性的包括80518051、MCS-251MCS-251、MCS-96/196/296MCS-96/196/296、P51XAP51XA、C166/167C166/167、68K68K系列以及系列以及 MCU 8XC930/931 MCU 8XC930/931、C540C540、C541C541，并，并且有支持且有支持I2CI2C、CAN-BusCAN-Bus、LCDLCD及众多专用及众多专用MCUMCU和兼和兼容系列。容系列。l近来近来AtmelAtmel推出的推出的AVRAVR单片机由于其集
39、成了单片机由于其集成了FPGAFPGA等等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。机获得更高的发展。51（2 2）、嵌入式）、嵌入式数字信号数字信号处理器处理器（DSPDSP）lDSPDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、滤波、FFTFFT、谱分析等各种仪器上、谱分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模获得了大规模的应用。的应用。lDSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现
40、，但是由于专门年代就已经出现，但是由于专门的的DSPDSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPUMPU等由分立元件实现。等由分立元件实现。1982 1982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应芯片，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。用。DSP DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。述范围扩大到了通信和计算机方面。l目前最为广泛应用的嵌入式目前最为广泛应用的嵌入式DSPDSP处理器是处理器是TITI的的TMS320C2
41、000/C5000TMS320C2000/C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和SiemensSiemens的的TriCoreTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。52lMPUMPU嵌入式微处理器是由通用计算机中的嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPUCPU演演变而来的，变而来的，80386803868038780387l与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功去除
42、其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。（3 3）、嵌入式微处理器（）、嵌入式微处理器（Micro Processor Unit)Micro Processor Unit)53l和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有的嵌入式处理器类型有Am186/88Am186/88、386EX386EX、SC-400SC-400、Power PCPower PC、6800068000、MI
43、PSMIPS、ARM/StrongARMARM/StrongARM系列等系列等54lSOC SOC 就是就是System on Chip System on Chip，SoCSoC嵌入式系统微处嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。理器就是一种电路系统。l它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，它结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，像是像是ARM RISCARM RISC、MIPS RISCMIPS RISC、DSPDSP或是其他的微处或是其他的微处理器核心，加上通信的接口单元，像是万用串行理器核心，加上通信的接口单元，像是万用串行端口（端口（USBUSB）、）、TCP/IPTCP/I
44、P通信单元、通信单元、GPRSGPRS通信接口、通信接口、GSMGSM通信接口、通信接口、IEEE1394IEEE1394、蓝牙模块接口等等，、蓝牙模块接口等等，这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个这些单元以往都是依照各单元的功能做成一个个独立的处理芯片。独立的处理芯片。（4 4）、嵌入式片上系统）、嵌入式片上系统(System On Chip)(System On Chip)55 SoC SoC嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分嵌入式系统微处理器所具有的其他的好处可以分为下列几种：为下列几种：l利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。l减少芯片对
45、外管脚数，简化制造过程。减少芯片对外管脚数，简化制造过程。l减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可减少外围驱动接口单元及电路板之间的信号传递，可以加快微处理器数据处理的速度。以加快微处理器数据处理的速度。l内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时所造成系统杂讯。系统杂讯。56典型的嵌入式微处理器典型的嵌入式微处理器（MPU）1ARM/StrongARM（INTEL）lARMARM（Advanced RISC MachinesAdvanced RISC Machines）公司是全球领先的）公司是全球领先的16/3216/32位位RISCRIS
46、C微处理器知识产权设计供应商。微处理器知识产权设计供应商。lARMARM公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的公司通过转让它的高性能、低成本、功耗低的RISCRISC微处微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴来生产各具特色的芯片。色的芯片。lARMARM公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入公司已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的式解决方案的RISCRISC标准。标准。ARM处理器有三大特点：处理器有三大特点：1).1).小体积、低功耗、低成本而高性能；小体积、低功耗、低成本而高性能；2).16/322).1
47、6/32位双指令集；位双指令集；3).3).全球众多的合作伙伴。全球众多的合作伙伴。57ARMlARM7ARM7、ARM9ARM9、ARM9EARM9E、ARM10ARM10和和SecurCoreSecurCore。l其中其中ARM7ARM7是低功耗的是低功耗的3232位核，最适合应用于对价位和功位核，最适合应用于对价位和功耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的耗敏感的产品，它又分为应用于实时环境的ARM7TDMIARM7TDMI、ARM7TDMI-SARM7TDMI-S，以及适用于开放平台的，以及适用于开放平台的ARM720TARM720T和适用和适用于于DSPDSP运算及支持运算及支持Ja
48、vaJava的的ARM7EJARM7EJ等。等。lARM7ARM7主要在主要在PDAPDA、手持仪器仪表，、手持仪器仪表，ARM9ARM9、ARM10ARM10主要在通主要在通信、音视频多媒体。信、音视频多媒体。58MIPSlMIPSMIPS是是Microprocessor without Interlocked Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages MIPSPipeline Stages MIPS技术公司技术公司l它是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式它是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式3232位和位和6464位处理器的厂商，
49、在位处理器的厂商，在RISCRISC处理器方面占有重要地位。处理器方面占有重要地位。lMIPSMIPS公司设计公司设计RISCRISC处理器始于处理器始于8080年代初，年代初，MIPS MIPS公司公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。l19991999年，年，MIPSMIPS公司发布公司发布MIPS 32MIPS 32和和MIPS 64MIPS 64架构标准，架构标准，为未来为未来MIPSMIPS处理器的开发奠定了基础。处理器的开发奠定了基础。59PowerPClPowerPCPowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活。架构的特点是可伸缩性好，
50、方便灵活。PowerPCPowerPC处理器品种很多。处理器品种很多。l既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应既有通用的处理器，又有嵌入式控制器和内核，应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。无所不包。60基于基于PowerPCPowerPC架构的处理器有：架构的处理器有：lIBMIBM公司开发的公司开发的PowerPC 405 GPPowerPC 405 GP是一个集成是一个集成10/100Mbps10/100Mbps以太网控制器、串行和并