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1、第第2章章 嵌入式系统硬件开发平台嵌入式系统硬件开发平台教材：嵌入式系统设计与应用教材：嵌入式系统设计与应用作者：张思民作者：张思民出版：清华大学出版社出版：清华大学出版社第第2章章 嵌入式系统硬件开发平台嵌入式系统硬件开发平台 2.1 相关基础知识相关基础知识2.2 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台2.3 ARM微处理器体系微处理器体系2.4 微处理器结构微处理器结构2.1相关基础知识相关基础知识嵌入式系统的组成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结构软件结构硬件结构硬件结构1、微处理器、微处理器中央微处理器，简称中央微处理器，简称CPU，它是计算机中，它是计算机中最重要
2、的一个部分，它决定嵌入式系统的最重要的一个部分，它决定嵌入式系统的主要功能特性。主要功能特性。CPU又由运算器和控制器又由运算器和控制器两大部分组成。两大部分组成。2、寄存器、寄存器所谓寄存器（所谓寄存器（register），是），是CPU内部内部用来存放数据的一些小型存储区域，用来存放数据的一些小型存储区域，用于暂时存放参与运算的数据和运算用于暂时存放参与运算的数据和运算结果。结果。寄存器是一种时序逻辑电路，但这种时寄存器是一种时序逻辑电路，但这种时序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存序逻辑电路只包含存储电路。寄存器的存储电路是由锁存器或触发器构成的，因为储电路是由锁存器或触发器构成的，因为
3、一个锁存器或触发器能存储一个锁存器或触发器能存储1位二进制数，位二进制数，所以由所以由N个锁存器或触发器可以构成个锁存器或触发器可以构成N位寄位寄存器。寄存器是存器。寄存器是CPU内部的元件，寄存器内部的元件，寄存器拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之拥有非常高的读写速度，所以在寄存器之间的数据传送非常快。间的数据传送非常快。外部设备也有寄存器，是一种存储单外部设备也有寄存器，是一种存储单元，其物理结构跟内存单元不一样，但作元，其物理结构跟内存单元不一样，但作用跟内存单元一样，都能保存信息。用跟内存单元一样，都能保存信息。在设计时，给外部设备的每个寄存器在设计时，给外部设备的每个寄存器都分配一
4、个地址，都分配一个地址，CPU可以根据地址访问可以根据地址访问某个寄存器，则该寄存器发生相应的动作：某个寄存器，则该寄存器发生相应的动作：或接收数据总线上的数据（对应于写操作）或接收数据总线上的数据（对应于写操作），或把自己的数据送到数据总线上（对应，或把自己的数据送到数据总线上（对应于读操作）。当于读操作）。当CPU访问某个寄存器时，访问某个寄存器时，同一个外设的其他寄存器和其他外设的寄同一个外设的其他寄存器和其他外设的寄存器由于没有存器由于没有CPU的指令不会发生动作。的指令不会发生动作。3、总线、总线总线（总线（BUS）是接口电路与）是接口电路与CPU或者接口或者接口电路与电路与I/O外
5、部设备之间连接的主要形式，外部设备之间连接的主要形式，是各功能部件之间传送信息的公共通路。是各功能部件之间传送信息的公共通路。采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各部件之间的通信线，这组公共信号线就称部件之间的通信线，这组公共信号线就称为总线。为总线。通信协议通信协议 通信协议是指通信双方的一种约定。约定通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤等问题做出统一规定，通信双方传送步骤等问题做出统一规定，通信双方必须共同遵守。必须共同遵守。（1）总线时序协议）总线时序协议（2）异步时序协议的
6、握手协议）异步时序协议的握手协议（3）总线仲裁方式）总线仲裁方式（4）总线标准）总线标准（1）总线时序协议）总线时序协议同步时序：同步时序：总线上所有事件共用同一时钟脉总线上所有事件共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制，所有事件都冲进行操作过程的控制，所有事件都在时钟周期的开始发生。在时钟周期的开始发生。异步时序：异步时序：操作由源或目的模块发出的特定操作由源或目的模块发出的特定信号确定。信号确定。双方相互提供联络信号。双方相互提供联络信号。（2）异步时序协议的握手协议）异步时序协议的握手协议握手协议是总线异步时序的基本构件。握手协议是总线异步时序的基本构件。握手协议数据传送过程的握手协议数据传
7、送过程的4个周期：个周期：4、I/O端口端口I/O端口又称为端口又称为I/O接口，它是微处理器对外接口，它是微处理器对外控制和信息交换的必经之路，是控制和信息交换的必经之路，是CPU与外与外部设备连接的桥梁，它在部设备连接的桥梁，它在CPU与外部设备与外部设备之间起信息转换和匹配的作用。之间起信息转换和匹配的作用。I/O端口有端口有串行和并行之分，串行串行和并行之分，串行I/O端口一次只能传端口一次只能传送一位二进制数信息，而并行送一位二进制数信息，而并行I/O端口一次端口一次能传送一组二进制数信息。能传送一组二进制数信息。图图2.3 I/O接口电路的位置接口电路的位置CPU对外设对外设I/O
8、端口物理地址的编址方式有端口物理地址的编址方式有两种：两种：一种是一种是I/O映射方式（映射方式（I/Omapped）；）；另一种是内存映射方式（另一种是内存映射方式（Memorymapped）。）。具体采用哪一种则取决于具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。的体系结构。5、中断、中断中断方式是指，当外部设备准备与中断方式是指，当外部设备准备与CPU进进行数据传输时，外部设备首先向行数据传输时，外部设备首先向CPU发出发出中断请求，中断请求，CPU接收到中断请求并在一定接收到中断请求并在一定条件下，暂时停止原来的程序并执行中断条件下，暂时停止原来的程序并执行中断服务处理程序，执行完毕以后再返
9、回原来服务处理程序，执行完毕以后再返回原来的程序继续执行。的程序继续执行。图图2.4中断处理的各个阶段中断处理的各个阶段6、数据编码、数据编码设用微处理器控制一串彩灯（发光二极管）设用微处理器控制一串彩灯（发光二极管）的亮灭。如图的亮灭。如图2.4所示。所示。我们设不发光的口线（高电平）为我们设不发光的口线（高电平）为1，发，发光的口线（低电平）为光的口线（低电平）为0。当彩灯当彩灯L1发光时，发光时，PD0口线为低电平，口线为低电平，而其余口线均为高电平。而其余口线均为高电平。则则可以表示可以表示为为以下以下对应值对应值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD01 1 1 1 1 1
10、 1 0用二进制数表示为：用二进制数表示为：11111110。用十六进制编码用十六进制编码，其值为：，其值为：FEH。再如，要彩灯再如，要彩灯L8发光，其余均不发光，则发光，其余均不发光，则有：有：用二进制数表示为：用二进制数表示为：01111111。十六进制编码为：十六进制编码为：7FH。则则可以表示可以表示为为以下以下对应值对应值：PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD00 1 1 1 1 1 1 1若希望两边亮，中间暗，则：若希望两边亮，中间暗，则：十六进制编码为：十六进制编码为：7EH。PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD00 1 1 1 1 1 1 02.2 嵌入式
11、系统硬件平台嵌入式系统硬件平台2.2 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台嵌入式微处理器芯片自己是不可能独立工嵌入式微处理器芯片自己是不可能独立工作的，需要必要的外围设备给它提供基本作的，需要必要的外围设备给它提供基本的工作条件。所谓嵌入式硬件平台由嵌入的工作条件。所谓嵌入式硬件平台由嵌入式处理器和嵌入式系统外围设备组成，其式处理器和嵌入式系统外围设备组成，其结构如图结构如图2.5所示。所示。图图2.5嵌入式系统硬件结构嵌入式系统硬件结构1、嵌入式处理器、嵌入式处理器嵌入式处理器通常包括几个部分：处理器嵌入式处理器通常包括几个部分：处理器内核、地址总线、数据总线、控制总线、内核、地址总线、数据
12、总线、控制总线、片上片上I/O接口电路及辅助电路（如时钟、复接口电路及辅助电路（如时钟、复位电路等）。位电路等）。嵌入式处理器可以分为嵌入式处理器可以分为3类：类：嵌入式微处理器、嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式微控制器、嵌入式嵌入式DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器），数字信号处理器），嵌入式微处理器分类（1）嵌入式微控制器嵌入式微控制器的典型代表是单片机，这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种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成单片机芯片内部集成ROMR
13、OM、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/OI/O、串串行口、脉宽调制行口、脉宽调制(PWM)(PWM)输出、输出、A/DA/D、D/AD/A、Flash R0MFlash R0M、EEPROMEEPROM等各种必要功能和外等各种必要功能和外设。设。（1）嵌入式微控制器l微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而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。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。微控制器的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，
14、适合于控制，因此称为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。微控制器。（2）嵌入式DSP处理器DSPDSP处理器是专门用于处理器是专门用于信号处理信号处理方面的处理器，其在系统方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、结构和指令算法方面进行了特殊设计，在数字滤波、FFTFFT、频谱分析等各种仪器上频谱分析等各种仪器上DSPDSP获得了大规模的应用。获得了大规模的应用。DSPDSP的理论算法在的理论算法在7070年代就已经出现，但是由于专门的年代就已经出现，但是由于专门的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
15、只能通过MPUMPU等由分等由分立元件实现。立元件实现。19821982年世界上诞生了首枚年世界上诞生了首枚DSPDSP芯片。在语音芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。合成和编码解码器中得到了广泛应用。DSPDSP的运算速度进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。方面。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TMS320C2000/C5000TMS320C2000/C5000系列，另外如系列，另外如IntelIntel的的MCS-296MCS-296和和Si
16、emensSiemens的的TriCoreTriCore也有各自的应用范围。也有各自的应用范围。2、嵌入式系统中的存储设备、嵌入式系统中的存储设备（1）RAM、SRAM、DRAMRAM即是我们通常所说的内存。即是我们通常所说的内存。RAM又可又可分为分为SRAM（静态存储器）和（静态存储器）和DRAM（动态（动态存储器）。存储器）。（2）FlashFlash是一种非易失闪存，它具有和是一种非易失闪存，它具有和ROM一一样掉电后数据不会丢失的特性。样掉电后数据不会丢失的特性。Flash是目是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器，前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器，它的主要特点是按整体它的主要特点
17、是按整体/扇区擦除和按字节扇区擦除和按字节编程，具有低功耗、高密度、小体积等优编程，具有低功耗、高密度、小体积等优点。点。Flash分为分为NOR Flash、NAND Flash两种。两种。NOR Flash的特点是在芯片内执行，可以的特点是在芯片内执行，可以直接读取芯片内储存的数据，因而速度比直接读取芯片内储存的数据，因而速度比较快。应用程序直接在较快。应用程序直接在Flash内运行，不必内运行，不必把代码读到系统把代码读到系统RAM中运行。中运行。NAND Flash不能直接在不能直接在Flash内运行应用内运行应用程序，需要将数据复制到程序，需要将数据复制到RAM中运行。中运行。NAN
18、D Flash的特点是容量大。的特点是容量大。3、JTAG接口接口JTAG（Joint Test Action Group，联合测，联合测试行动小组）是一种国际标准测试协议试行动小组）是一种国际标准测试协议（IEEE 1149.1兼容），主要用于芯片内部兼容），主要用于芯片内部测试。测试。我们经常用简易我们经常用简易JTAG接口直接烧写嵌接口直接烧写嵌入式系统入式系统Flash存储存储器。这种烧写方式是器。这种烧写方式是通过一根并口电缆和通过一根并口电缆和一块信号转换集成电一块信号转换集成电路板以建立路板以建立PC机与开机与开发板之间的通信。发板之间的通信。2.3 ARM微处理器体系微处理器体
19、系2.3.1 ARM公司及公司及ARM体系结构体系结构1、ARM公司简介公司简介ARM（Advanced RISC Machines），既），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。一种技术的名字。ARM 公司是专门从事基于公司是专门从事基于RISC 技术芯片技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可，由合作公司生产各具特色的芯。可，由合作公司生产各具特色的芯。2
20、、ARM微处理器体系微处理器体系 ARM7系列系列 ARM9系列系列 ARM9E系列系列 ARM10E系列系列 SecurCore系列系列 Inter的的Xscale Inter的的Strong ARM 3、哈佛总线体系结构、哈佛总线体系结构 图图2.8 冯冯诺依曼结诺依曼结构构 图图2.9 哈佛结构哈佛结构 4、ARM微处理器的特点微处理器的特点（1）体积小、低功耗、低成本、高性能；）体积小、低功耗、低成本、高性能；（2）支持）支持Thumb(16 位位)/ARM(32 位位)双指令双指令集，能很好的兼容集，能很好的兼容8/16 位器件；位器件；（3）大量使用寄存器，指令执行速度更快；）大量
21、使用寄存器，指令执行速度更快；（4）大多数数据操作都在寄存器中完成；）大多数数据操作都在寄存器中完成；（5）寻址方式灵活简单，执行效率高；）寻址方式灵活简单，执行效率高；（6）指令长度固定。）指令长度固定。2.4微处理器的结构微处理器的结构2.4.1 RISC体系结构体系结构和和ARM设计思想设计思想1、RISC体系结构体系结构在在CISC指令集的各种指令中，其使用频率指令集的各种指令中，其使用频率却相差悬殊，大约有却相差悬殊，大约有20的指令被反复使的指令被反复使用，占整个程序代码的用，占整个程序代码的80。而余下的。而余下的80的指令却不经常使用，在程序设计中只的指令却不经常使用，在程序设
22、计中只占占20。RISC结构优先选取使用频率最高的简单指结构优先选取使用频率最高的简单指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令，避免复杂指令；将指令长度固定，指令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑令格式和寻址方式种类减少；以控制逻辑为主。为主。2、ARM设计思想设计思想1、ARM微处理器被设计成较小的核，降低功耗，微处理器被设计成较小的核，降低功耗，延长电源的使用时间。延长电源的使用时间。2、存储量有限，这就要求嵌入式系统需要使用高、存储量有限，这就要求嵌入式系统需要使用高密度代码。密度代码。3、嵌入式系统对成本敏感，一般选用速度不高，、嵌入式系统对成本敏感，一般选用速度不高，成本较低的存储器
23、，以降低系统成本。成本较低的存储器，以降低系统成本。4、ARM内核不是一个纯粹的内核不是一个纯粹的RISC体系结构，这体系结构，这是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。是为使它能够更好地适应其嵌入式的应用领域。对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单对嵌入式系统的应用项目来说，系统的关键并不单纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功耗和纯在于微处理器的速度，而在于系统性能、功耗和成本。成本。2.4.2 ARM9微处理器结构的最小微处理器结构的最小系统设计系统设计1、什么是最小系统、什么是最小系统嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作嵌入式微处理器芯片自己是不能独立工作的，需要一些必要的外
24、围元器件给它提供的，需要一些必要的外围元器件给它提供基本的工作条件。基本的工作条件。一个一个 ARM 最小系统一般包括：最小系统一般包括：（1）ARM 微处理器芯片，微处理器芯片，（2）电源电路、复位电路，晶振电路，电源电路、复位电路，晶振电路，（3）存储器（存储器（FLASH 和和 SDRAM），），（4）UART（RS232及以太网）接口电路。及以太网）接口电路。（5）JTAG 调试接口。调试接口。2、S3C2410微处理器微处理器2.4.3 XSCALE微处理器结构微处理器结构本章小结本章小结本章首先简单介绍了嵌入式系统相关的基本章首先简单介绍了嵌入式系统相关的基础知识，这些知识和概念在以后学习嵌入础知识，这些知识和概念在以后学习嵌入式系统设计时都要用到。之后介绍了嵌入式系统设计时都要用到。之后介绍了嵌入式系统硬件平台的基本组成，并对式系统硬件平台的基本组成，并对ARM系系列微处理器作了简介。列微处理器作了简介。本章重点要掌握嵌入式系统硬件平台的组本章重点要掌握嵌入式系统硬件平台的组成，这是学习和应用嵌入式系统的基础。成，这是学习和应用嵌入式系统的基础。