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1、自动化工程学院自动化工程学院 杨峰杨峰Email:Email:Mobile:13308176262Mobile:133081762622024/4/81/53微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计第一章第一章 概述概述1计算机的应用形式计算机的应用形式通用计算机与嵌入计算机通用计算机与嵌入计算机普适计算与泛在通信普适计算与泛在通信2半导体技术与计算机的发展半导体技术与计算机的发展机械式计算机、电子式计算机机械式计算机、电子式计算机SoC、NoC3嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统 概念、特点、组成、发展趋势概念、特点、组成、发展趋势4课程体系介绍课程体系介绍2024
2、/4/82/53计算机是什么计算机是什么？2024/4/83/53计算机的分类计算机的分类后后PC时代：通用计算机、嵌入式计算机时代：通用计算机、嵌入式计算机2024/4/84/53嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统嵌入式系统是一门嵌入式系统是一门交叉学科交叉学科，涉及计算机、，涉及计算机、微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸多领域。多领域。随着现代微电子技术、微机电系统随着现代微电子技术、微机电系统MEMSMEMS、片上系统片上系统SoCSoC、纳米材料、无线通信技术、信、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互号处理技
3、术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，嵌入式系统向联网的迅猛发展，嵌入式系统向集成化、微型集成化、微型化，智能化、网络化化，智能化、网络化方向发展。方向发展。2024/4/85/53 CPU 90%LSI-VLSI-ULSI-GLSI-晶圆尺寸：晶圆尺寸：100mm-125mm-150mm-200mm-300mm-400mm-特征尺寸：特征尺寸：3m-2m-1.2m-0.8m-0.5m-0.35m-0.25m-0.18m-0.13m-90nm-65nm-45nm-Intel Core i7 四核处理器四核处理器2024/4/821/53系统级芯片系统级芯片(SOC)技术技术系统知识系
4、统知识(硬件与软件硬件与软件)电路设计知识电路设计知识(DAC、ADC 等等)制造工艺知识制造工艺知识(90nm,65nm,45nm)晶圆工艺知识晶圆工艺知识(300mm 晶圆晶圆)A/DA/D数字射频处理器数字射频处理器数字滤波与控制数字滤波与控制混合信号处理器 数字 基带混合信号处理器软硬件协同设计设计及验证技术软硬件协同设计设计及验证技术IP核生成和复用技术核生成和复用技术超深亚微米工艺及纳米超深亚微米工艺及纳米IC设计技术设计技术2024/4/822/53片上网络片上网络(NOC)技术技术P处理器处理器 M存储器存储器 C缓存缓存 rni网络接口网络接口S交换开关交换开关Dsp核核 r
5、e可重构逻辑可重构逻辑L专用逻辑专用逻辑2024/4/823/53计算机发展的主要阶段计算机发展的主要阶段第零代（第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器年）机械计算器和继电器计算器第一代（第一代（19461955年）电子管计算机年）电子管计算机以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。机器语言，后期采用汇编语言。第二代（第二代（19551965年）晶体管计算机年）晶体管计算机以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，以晶体管为逻辑部件，内存
6、用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。并出现了早期的操作系统。第三代（第三代（19651980年）集成电路计算机年）集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络第四代（第四代（1980年至今）个人计算机年至今）个人计算机以以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生
7、了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。段诞生并获得飞速发展。第五代第五代 无所不在的计算机无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、2024/4/824/532024/4/825/53嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统2024/4/826/53嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 IEEE
8、定义定义devices used to control,monitor，or assist the operation equipment,machinery or plants 国内普遍认同的定义国内普遍认同的定义以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统机系统芯片级（芯片级（MCU、SoC）板级（单板、模块）板级（单板、模块）设备级（工控机）设备级（工控机）Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device2024/4/827/53以应用为中心以应
9、用为中心 软、硬件可软、硬件可裁剪裁剪 对体积、功对体积、功耗、实时性、耗、实时性、可靠性、功能、可靠性、功能、成本等有严格成本等有严格约束约束嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点2024/4/828/53硬件硬件软件软件开发系统开发系统嵌入式处理器嵌入式处理器存储器系统存储器系统外部接口外部接口EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC程序ROM数据RAM参数EEPROMNVRAM并行接口串行接口音视频接口网络接口嵌入式操作系统嵌入式操作系统应用软件应用软件VxWorksc/OSWindows CE嵌入式Linux编译器链接器调试器集成软件环境集成软件环境硬件工具硬件工具仿真器编程器在线调试工具
10、外围设备外围设备键盘LCD存储设备音频设备专用设备嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成2024/4/829/53嵌入式嵌入式(计算机计算机)系统系统2024/4/830/532024/4/831/532024/4/832/532024/4/833/53嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的发展趋势 1 1网络化、支持分布式计算网络化、支持分布式计算2 2可编程、可在线更新可编程、可在线更新3 3集成度提高、集成度提高、SoC/NoCSoC/NoC4 4开发平台的完备化开发平台的完备化 5 5友好的人机界面友好的人机界面 6 634/3234/302024/4/834/53计算机专业系列课程计算机专业系列
11、课程核心核心系统架构系统架构软件基础软件基础本课程涉及主要内容：本课程涉及主要内容：计算机体系结构与组成原理；计算机体系结构与组成原理；微处理器系统结构；微处理器系统结构；嵌入式系统设计技术；嵌入式系统设计技术；硬件基础硬件基础2024/4/835/53相关知识及课程相关知识及课程v 数字逻辑设计（先修）数字逻辑设计（先修）v EDA设计技术设计技术v 数模混合数模混合IC设计技术设计技术v 汇编语言程序设计汇编语言程序设计v C语言程序设计语言程序设计v 计算机组成原理与系统结构计算机组成原理与系统结构v 嵌入式系统设计嵌入式系统设计v 嵌入式操作系统嵌入式操作系统2024/4/836/53
12、教材及推荐参考书教材及推荐参考书v微处理器系统结构及嵌入式系统设计（第二版）微处理器系统结构及嵌入式系统设计（第二版）李广军等，电子工业出版社李广军等，电子工业出版社 ，20201010 v嵌入式系统原理及技术嵌入式系统原理及技术杨峰等，科学出版社，杨峰等，科学出版社，20201414 v系统体系结构（第系统体系结构（第5 5版）版）郭新房等译郭新房等译.Stephen D.B.Stephen D.B.著，清华大学出版社，著，清华大学出版社，20072007v计算机系统结构计算机系统结构张晨曦等，高等教育出版社，张晨曦等，高等教育出版社，20082008 v现代计算机组成原理现代计算机组成原理
13、潘松等，科学出版社，潘松等，科学出版社，20072007vARMARM体系结构与编程体系结构与编程杜春雷，清华大学出版社，杜春雷，清华大学出版社，200720072024/4/837/532024/4/838/532024/4/839/53教学进度及考核安排教学进度及考核安排 第一章第一章：概述概述 3-4 3-4课时课时 第二章第二章：计算机系统的结构组成与工作原理计算机系统的结构组成与工作原理 6-7 6-7课时课时 第三章第三章：微处理器体系结构及关键技术微处理器体系结构及关键技术 6-7 6-7课时课时 第四章第四章：总线技术与总线标准总线技术与总线标准 7-87-8课时课时 第五章第
14、五章：存储器系统存储器系统 8-98-9课时课时 第六章第六章：输入输入/输出接口输出接口 6-76-7课时课时 第七章第七章：ARM微处理器编程模型微处理器编程模型 4 4课时课时 第八章第八章:ARM汇编指令汇编指令 4-54-5课时课时 第九章第九章：ARM程序设计程序设计 4-5 4-5课时课时 第十章第十章：基于基于ARM微处理器的硬件系统设计微处理器的硬件系统设计3 3课时课时 第十一章第十一章：基于基于ARM微处理器的软件系统设计微处理器的软件系统设计 3 3课时课时 第十二章第十二章：基于基于ARM微处理器核的微处理器核的SOC设计设计 2 2课时课时上课上课6464学时（包括
15、习题课），学时（包括习题课），实验实验1616学时学时考核方式：平时考核方式：平时10%+10%+实验实验15%+15%+期中期中15%+15%+期末期末60%60%第第一一章章概概述述1.1 计算机发展概述计算机发展概述（了解）（了解）电子计算机发展概述电子计算机发展概述普适计算与泛在通信普适计算与泛在通信1.2 集成电路与集成电路与SoC设计设计（理解）（理解）集成电路技术的发展集成电路技术的发展基于基于IP的的SoC设计设计1.3 先进的处理器技术先进的处理器技术（了解）（了解）片上多核处理器片上多核处理器(CMP)流处理器流处理器(Stream Processor)PIM(Proces
16、sor In Memory)可重构计算处理器可重构计算处理器1.4 嵌入式系统嵌入式系统（了解）（了解）嵌入式系统的概念嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点嵌入式系统的特点嵌入式系统中的处理器嵌入式系统中的处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成嵌入式系统的发展现状与趋势嵌入式系统的发展现状与趋势学习嵌入式系统的意义学习嵌入式系统的意义第二第二章章计算计算机系机系统的统的结构结构组成组成与工与工作原作原理理2.1 计算机系统的基本结构与组成计算机系统的基本结构与组成（掌握）（掌握）计算机系统的层次模型计算机系统的层次模型计算机系统的结构、组织与实现计算机系统的结构、组织与实现2.2 计算机系统的工
17、作原理计算机系统的工作原理（掌握）（掌握）冯冯诺依曼计算机架构诺依曼计算机架构模型机系统结构模型机系统结构模型机指令集模型机指令集模型机工作流程模型机工作流程2.3 微处理器体系结构的改进微处理器体系结构的改进（理解）（理解）冯冯诺依曼结构的改进诺依曼结构的改进并行技术的发展并行技术的发展流水线结构流水线结构超标量与超长指令字结构超标量与超长指令字结构多机与多核结构多机与多核结构2.4 计算机体系结构分类计算机体系结构分类（理解）（理解）2.5 计算机性能评测计算机性能评测（掌握）（掌握）字长字长、存储容量存储容量、运算速度运算速度第三第三章章微处微处理器理器体系体系结构结构及关及关键技键技术
18、术3.1 微处理器体系结构及功能模块简介微处理器体系结构及功能模块简介处理器的主要功能及部件处理器的主要功能及部件（掌握）（掌握）处理器的基本功能结构处理器的基本功能结构（掌握）（掌握）一个简化的处理器模型结构示例一个简化的处理器模型结构示例（理解）（理解）3.2 处理器设计处理器设计（理解）（理解）处理器的设计步骤处理器的设计步骤控制器的操作与功能控制器的操作与功能随机逻辑控制器设计随机逻辑控制器设计微程序微程序(微码微码)控制器结构及设计控制器结构及设计寄存器组寄存器组(register file)设计设计3.3 指令系统设计指令系统设计（掌握）（掌握）机器指令的组成机器指令的组成指令格式
19、指令格式指令类型指令类型寻址方式寻址方式指令系统设计要点指令系统设计要点3.4 指令流水线技术指令流水线技术流水线技术的特点流水线技术的特点（掌握）（掌握）流水线操作的详细说明流水线操作的详细说明（掌握）（掌握）流水线的局限性流水线的局限性（理解）（理解）指令流水线设计指令流水线设计（理解）（理解）3.5 典型微处理体系结构简介典型微处理体系结构简介（理解）（理解）ARM体系结构简介体系结构简介Intel x86体系结构简介体系结构简介第四章第四章 总线技术与总线标准总线技术与总线标准4.1 总线技术总线技术（掌握）（掌握）总线技术概述总线技术概述总线仲裁总线仲裁总线操作与时序总线操作与时序4
20、.2 总线标准总线标准（理解）（理解）片内片内AMBA总线总线PCI系统总线系统总线异步串行通信总线异步串行通信总线第第五五章章 存存储储器器系系统统5.1 存储器件的分类存储器件的分类（掌握）（掌握）按存储介质分类按存储介质分类按读写策略分类按读写策略分类5.2 半导体存储芯片的基本结构与性能指标半导体存储芯片的基本结构与性能指标（掌握）（掌握）随机存取存储器随机存取存储器只读存储器只读存储器存储器芯片的性能指标存储器芯片的性能指标5.3 存储系统的层次结构存储系统的层次结构（掌握）（掌握）存储系统的分层管理存储系统的分层管理虚拟存储器与地址映射虚拟存储器与地址映射现代计算机的多层次存储体系
21、现代计算机的多层次存储体系5.4 主存储器设计技术主存储器设计技术（掌握）（掌握）存储芯片选型存储芯片选型存储芯片的组织形式存储芯片的组织形式地址译码技术地址译码技术存储器接口设计存储器接口设计设计设计 第第六六章章输输入入输输出出接接口口6.1 输入输入/输出接口基础输出接口基础（掌握）（掌握）输入输入/输出接口功能与结构输出接口功能与结构输入输入/输出端口编址输出端口编址6.2 接口地址译码接口地址译码（掌握）（掌握）6.3 接口信息传输方式接口信息传输方式（掌握）（掌握）程序查询传输方式程序查询传输方式程序中断传输方式程序中断传输方式直接存储器访问直接存储器访问(DMA)方式方式通道方式
22、通道方式6.4 并行接口并行接口（掌握）（掌握）无握手信号并行接口无握手信号并行接口带握手信号的并行接口带握手信号的并行接口可编程并行接口可编程并行接口6.5 串行接口串行接口（理解）（理解）同步串行接口同步串行接口异步串行接口异步串行接口第七章第七章 ARM微处理器编程模型微处理器编程模型7.1 ARM 内核体系结构内核体系结构（了解）（了解）ARM 体系结构版本体系结构版本ARM 内核简介内核简介7.2 ARM 编程模型编程模型（理解）（理解）处理器工作状态处理器工作状态处理器运行模式处理器运行模式寄存器组织寄存器组织数据类型和储存格式数据类型和储存格式异常异常第八第八章章 ARM汇编汇编
23、指令指令8.1 ARM指令格式指令格式（掌握）（掌握）ARM指令的一般编码格式指令的一般编码格式ARM指令的条件域指令的条件域指令的第二源操作数指令的第二源操作数8.2 ARM寻址方式寻址方式（掌握）（掌握）立即寻址立即寻址寄存器直接寻址寄存器直接寻址寄存器移位寻址寄存器移位寻址寄存器间接寻址寄存器间接寻址基址变址寻址基址变址寻址多寄存器直接寻址多寄存器直接寻址相对寻址相对寻址堆栈寻址堆栈寻址8.3 ARM指令集指令集（掌握）（掌握）数据处理指令数据处理指令转移指令转移指令程序状态寄存器访问指令加载程序状态寄存器访问指令加载/存储指令存储指令异常产生指令异常产生指令伪指令伪指令第第九九章章AR
24、M程程序序设设计计9.1 ARM程序开发环境程序开发环境（掌握）（掌握）常用常用ARM程序开发环境简介程序开发环境简介RVDS开发环境简介开发环境简介9.2 汇编语言伪指令汇编语言伪指令（掌握）（掌握）符号定义伪指令符号定义伪指令数据定义伪指令数据定义伪指令汇编控制伪指令汇编控制伪指令其他常用伪指令其他常用伪指令汇编语言中常用的符号汇编语言中常用的符号常用的运算符和表达式常用的运算符和表达式9.3 ARM汇编语言程序设计汇编语言程序设计（掌握）（掌握）ARM汇编语言程序结构汇编语言程序结构ARM汇编语言程序实例汇编语言程序实例9.4 ARM汇编语言与汇编语言与C/C+的混合编程的混合编程（理解
25、）（理解）C与汇编之间的函数调用与汇编之间的函数调用C/C+语言和汇编语言的混合编程语言和汇编语言的混合编程第十第十章章基于基于ARM微处微处理器理器的硬的硬件系件系统设统设计计10.1 基于基于ARM微处理器的系统设计概述微处理器的系统设计概述（理解）（理解）10.2 S3C2440A微处理器微处理器（了解）（了解）S3C2440A微处理器简介微处理器简介S3C2440A内部结构及主要特性内部结构及主要特性S3C2440A外部引脚外部引脚10.3 ARM微处理器最小硬件系统微处理器最小硬件系统（掌握）（掌握）电源模块电源模块时钟模块时钟模块复位模块复位模块JTAG调试接口调试接口外部存储器模
26、块外部存储器模块10.4 人机交互接口人机交互接口键盘与键盘与LED接口接口（掌握）（掌握）LCD显示接口显示接口（理解）（理解）触摸屏接口触摸屏接口（理解）（理解）10.5 通信接口通信接口串行通信接口串行通信接口（掌握）（掌握）其他通信接口其他通信接口（理解）（理解）第十一章基于第十一章基于ARM微处理器的软件系统设计微处理器的软件系统设计11.1 嵌入式软件系统结构及工作流程嵌入式软件系统结构及工作流程（掌握）（掌握）11.2 嵌入式软件系统的引导和加载嵌入式软件系统的引导和加载Boot Loader程序的基本概念程序的基本概念（掌握）（掌握）U-Boot的分析与移植的分析与移植（理解）
27、（理解）11.3 嵌入式嵌入式Linux内核的移植内核的移植（了解）（了解）Linux内核的结构内核的结构内核的配置与裁剪内核的配置与裁剪内核的编译内核的编译Linux内核配置编译实例内核配置编译实例11.4 Linux下驱动程序设计示例下驱动程序设计示例（了解）（了解）第十二章第十二章 基于基于ARM微处理器核的微处理器核的SoC设计设计12.1 概述概述（了解）（了解）12.2 SoC设计设计SoC的典型结构的典型结构（理解）（理解）SoC设计中的关键技术设计中的关键技术（了解）（了解）12.3 SoC的片上总线的片上总线片上总线的特点片上总线的特点（理解）（理解）SoC中常用的总线标准中
28、常用的总线标准（了解）（了解）12.4 SoC系统的设计流程系统的设计流程（理解）（理解）SoC系统芯片的系统级设计系统芯片的系统级设计 系统芯片的设计流程系统芯片的设计流程12.5 基于基于ARM内核的内核的SoC系统设计系统设计（了解）（了解）常用常用ARM CPU内核所使用的总线接口内核所使用的总线接口基于基于ARM的的SoC结构结构基于基于ARM内核的内核的SoC系统应用设计举例系统应用设计举例2024/4/853/53教教学学实实验验装装置置uARM集成开发环境建立集成开发环境建立uARM汇编实现汇编实现LED控制实验控制实验uARM汇编实现串口通信实验汇编实现串口通信实验uARM-
29、Linux开发环境建立开发环境建立uARM-Linux下模块方式驱动程序实验下模块方式驱动程序实验uARM-Linux下下键盘及数码管驱动键盘及数码管驱动程序设计实验程序设计实验uARM-Linux下下LCD驱动程序设计实验驱动程序设计实验uARM-Linux下下触摸屏驱动程序设计实验触摸屏驱动程序设计实验uARM-Linux下下SD卡驱动程序及文件系统设计实验卡驱动程序及文件系统设计实验uARM-Linux下下AC97音频驱动程序设计实验音频驱动程序设计实验uARM-Linux下下以太网通以太网通信实验信实验教学内容实验教学内容实验第一章第一章 习题习题作业：作业：2 2、3 3、5 5、8 8思考：思考：4 4、6 6、9 92024/4/855/53