嵌入式系统基础部分－嵌入式系统处理器.ppt

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1、嵌入式系统原理与应用,哈佛大学凌晨4点半的景象!,馆训,1现在睡觉的话会做梦而现在学习的话会让梦实现 This moment will nap, you will have a dream; But this moment study,you will interpret a dream. 2我无所事事地度过的今天是昨天死去的人们所奢望的明天 I leave uncultivated today, was precisely yesterday perishes tomorrow which person of the body implored. 3感到晚了的时候其实是最快的时候 Thoug

2、ht is already is late, exactly is the earliest time. ,馆训,4不要把今天的事拖到明天 Not matter of the today will drag tomorrow. 5学习的痛苦是一时的而没有学习的痛苦是一辈子的 Time the study pain is temporary, has not learned the pain is life-long. 6学习不是人生的全部但连学习都征服不了你还能做什么？ The study certainly is not the life complete. But, sincecontin

3、ually life part of - studies also is unable to conquer, what butalso can make? ,哈佛大学凌晨4点半的景象,7学习不是因为缺少时间而是缺少努力 Studies this matter, lacks the time, but is lacks diligently. 8所有人的成功都不是偶然的 Nobody can casually succeed, it comes from the thoroughself-control and the will. 9.无法避免的痛苦就去享受吧！ Please enjoy th

4、e pain which is unable to avoid. ,哈佛大学凌晨4点半的景象,10早起的鸟儿有虫吃 Only has compared to the others early, diligently diligently, canfeel the successful taste. 11成功并不属于每个人 Nobody can casually succeed 12.时间在流逝 HOW time flies 13.今天流下的口水将变成明天流下的泪水 Now drips the saliva, will become tomorrow the tear,嵌入式系统基础 -硬件,嵌

5、入式系统硬件架构,硬件架构,包括多种部件 嵌入式处理器：MPU、DSP等; 存储器系统: Flash + RAM + +MEM card + mini HD 输入: keypad, video/audio in, A/D 输出: 显示(LED / LCD / OLED ), video/audio out, D/A 通讯接口: Ethernet (802.3), WiFi (802.11) 总线接口: RS232/RS485, USB, 1394（Firewire） 电源管理: 待机、休眠、功耗管理等,嵌入式系统硬件分类,商业通用部件 (COTS) 传感器，I/O设备等等 成本低廉 面向特定应

6、用的ICs (ASICs) ICs 面向应用的需求进行定制开发 对于特定的任务具有高性能 面向特定领域的处理器 DSPs 微控制器 微处理器,嵌入式处理器,嵌入式处理器的发展,嵌入式处理器设计因素,体系结构,指令集,性能,功耗和管理,成本,集成度,嵌入式处理器的集成度,用于桌面和服务器的处理器的芯片内部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、总线接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系统总线、外部总线和外部设备独立在其他芯片和电路内。 嵌入式处理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、总线等部分外，还集成了各种外部接口和设备，如中断控制器、DMA、定时器、UART等。符合嵌入式系统的低成本

7、和低功耗需求，一块单一的集成了大多数需要的功能块的芯片价格更低，功耗更少。,嵌入式处理器的集成度,嵌入式处理器是面向应用的，其片内所包含的组件的数目和种类是由它的市场定位决定的。 在最普通的情况下，嵌入式处理器包括： 片内存储器：部分嵌入式微处理器 外部存储器的控制器，外设接口(串口，并口) LCD控制器：面向终端类应用的嵌入式微处理器 中断控制器，DMA控制器，协处理器 定时器，A/D、D/A转换器 多媒体加速器：当高级图形功能需要时 总线 其他标准接口或外设,嵌入式处理器的集成度,单芯片方式（Single Chip） 芯片组方式（Chip Set）：由处理器主芯片和一些从芯片组成,嵌入式处

8、理器的集成度,单芯片方式：华邦W90P710芯片的内部 结构,嵌入式处理器的集成度,芯片组方式：两芯片组的手持PC方案,返回,嵌入式处理器的体系结构,算术格式（Arithmetic Format） 由于低成本和低功耗的限制，大多数的嵌入式微处理器使用定点运算（fixed-point arithmetic），即数值被表示为整数或在1.0和1.0之间的分数，比数值表示为尾数和指数的浮点版本的芯片便宜。 当嵌入式系统中需要使用浮点运算时，可采用软件模拟的方式实现浮点运算，只不过这样要占用更多的处理器时间。 功能单元（Functional Units） 通常包括不止一个的功能单元，典型的是包含一个AL

9、U、移位器和MAC，处理器通常用一条指令完成乘法操作。 流水线（Pipeline） 通常采用单周期执行指令，可能导致比较长的流水线,返回,嵌入式处理器体系结构,按体系结构的不同可分为五大类 ARM MIPS POWER PC X86 SH系列,嵌入式处理器家族,ARM家族,ARM 公司的ARM RISC处理器 ARM 7 Thumb 家族 ARM 9 Thumb 家族 ARM 10 Thumb 家族 ARM 11 Thumb 家族,Intel StrongARM家族,StrongARM 110 StrongARM 1100 StrongARM 1110 StrongARM 1111,INTEL

10、的Xscale架构处理器,基于ARM V5TE体系结构 兼容ARM V5TE ISA指令集（不支持浮点指令集） 在处理器内核周围提供了 指令和数据存储器管理单元 指令、数据和微小数据缓存 写缓冲、挂起缓冲和分支目标缓冲器 电源管理 性能监控 调试 JTAG单元以及协处理器接口 MAC协处理器 内核存储总线,MIPS家族,从1986年推出R2000处理器以来，MIPS陆续推出R3000、R4000、R8000等。之后, MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。 1999年，MIPS公司发布了MIPS32和MIPS64体系结构标准，集成了原来所有的MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功

11、能。 此后MIPS公司又陆续开发了高性能、低功耗的32位和64位处理器内核。,MIPS RISC,MIPS,在MIPS的32位内核中 4K系列对应于SOC应用设计； M4K系列内核是为在下一代消费电子、网络、宽带应用中越来越受欢迎的多CPU SOC所设计； 4KE系列具有目前32位通用嵌入式处理器中最高的DMIPS/MHz性能指标； 4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS体系结构，特别适用于需要安全数据传输的领域，比如网络、智能卡等； 5K和20Kc系列属于MIPS的64位内核 5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的运行速率。 20Kc是当今最快的可授权嵌入式处理

12、器内核。一般运行在600MHz，具有7段流水线的20Kc内核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮点运算能力。,MIPS,在嵌入式处理器市场中，基于MIPS内核的处理器占据了相当大的数量 2002年，一共付运了8700万片采用MIPS内核的嵌入式处理器，份额仅次于ARM位居全球第二。 在目前快速增长的比如Cable Modem、DSL Modem、DVD录像机等领域内，MIPS的市场份额位居第一。 MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等众多厂商,PowerPC体系结构,Motorola半导体（现Freescale半导体）联合IBM以及苹果电脑 IBM PowerPC750

13、 PowerPCG3 Motorola MPC MC,X86体系结构,Intel X86体系结构 AMD最新的X86体系结构嵌入式处理器产品为Geode 系列处理器 CISC指令集,Intel 4004,Intel 8008 (1972),Intel 8080 (1974),2MHZ 第一个真正可用的微处理器,Intel 8086-8088 (1978),Intel 286 (1982),Intel 386 (1985),Intel486 DX (1989),Intel Pentium (1993),Intel Pentium Pro (1995),Intel Pentium II (1997

14、),Intel Pentium III (1999),Intel Pentium 4 (2000),Intel 多核处理器,AMD多核处理器,SH体系结构,SH(SuperH)系列是由前日立半导体公司（现Renesas公司）推出的嵌入式处理器 SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期 为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存，以减少访问内存的时间,SH体系结构,1999年底，SH系列累计生产达1.18亿片。 SH系列投入市场后，用量最多的是工业，

15、占总量的36%，第二位是办公自动化，占总量的26%；第三位是消费领域；再其次的是通信领域。 此外，汽车导航、定位、控制系统，也是SH系列不小的一个市场。 在美国，SH系列占有较大的市场份额 型号 SH1-4（32位） SH5(64位),68K/Coldfire,摩托罗拉公司推出的业界被最广泛应用的嵌入式处理器内核。 68K内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核。其最著名的代表芯片是68360。 已经发展到第五版本V5。 Coldfire继承了68K的特点并继续兼容它。 应用领域 工业控制 机器人研究 家电控制等领域,嵌入式处理器的指令集,为满足应用领域的需要，嵌入式处理器的指令集一般要针对特定领

16、域的应用进行剪裁和扩充。 目前很多应用系统需要类似于DSP的数字处理功能。这些指令主要有： 乘加(MAC)操作：它在一个周期中执行了一次乘法运算和一次加法运算。 SIMD类操作：允许使用一条指令进行多个并行数据流的计算。 零开销的循环指令：采用硬件方式减少了循环的开销。仅使用两条指令实现一个循环，一条是循环的开始并提供循环次数，另一条是循环体。 多媒体加速指令：像素处理、多边形、3D操作等指令。,返回,嵌入式处理器的指令集分类,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式 8/2原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程

17、序只使用少量的指令就能够运行。 RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单,嵌入式处理器的指令集分类,EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，显式并行指令计算) 使用ILP使编译器在程序运行前便能找出其并行性，安排好指令执行的顺序。 分支推断 风险装载 更加聪明的编译器 超长指令字（VLIW）处理器 多发射机制 编译调度,CISC的背景和特点,背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 增强指令功能，设置一些

18、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（微程序）指令系统来实现 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。,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

19、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 流水线技术,RISC基本设计思想,减小CPI: CPUtime=Instr_Count * 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,RISC:减少指令平均执行周期数,CPUtime= Instr_Count *CPI * Clock_cycle ICRISC IC CISC, 30%-

20、40% CCRISC CCCISC CPIRISC CPICISC ， 20% 超标量、超流水线、VLIW等系统结构， 目标在于减小CPI， 可使CPI1,RISC的提出与发展,Load/Store结构提出： CDC6600(1963)-CRAY1(1976) RISC思想最早在IBM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

21、 V1(1987),典型的高性能RISC处理器,SUN公司的SPARC(1987) MIPS公司的SGI:MIPS(1986) HP公司的PA-RISC, IBM, Motorola公司的PowerPC DEC、Compac公司的Alpha AXP IBM的RS6000(1990)第一台Superscalar RISC机,CISC与RISC的数据通道,IF,ID,REG,ALU,MEM,开始,退出,IF,ID,ALU,MEM,REG,微操作通道,开始,退出,单通数据通道,CISC与RISC的对比,CISC与RISC的对比,指令系统与处理器结构的关系,指令系统设计： 决定于应用、性能、代码密度和

22、方言的要求。 包括符号指令设计和编码设计。 指令的类型： 寻址方式：指令系统的重要特点。 与数据通路相关。 传输类指令：实现处理器内部存储之间以及与外部存储之间的数据传送。 与数据通路相关 运算类指令：实现指令描述的功能。 与ALU和其它运算部件相关 系统类指令：完成对系统资源的访问。 与操作系统的支持有关。,指令系统与处理器结构的关系,指令的编码：相关因素：代码密度，功耗，译码器 垂直编码有利于译码器简化，但使用效率低 非垂直编码译码复杂，使用效率高。 常常采用二者折衷方案。ARM 指令编码与功耗： 连续执行的执行功耗取决于其引起的逻辑变化量 指令编码的海明距离，控制信号的海明距离， 执行情

23、况等，编译技术，OS，嵌入式应用,影响CPU性能的因素：流水线,流水线技术：几个指令可以并行执行 提高了CPU的运行效率 内部信息流要求通畅流动,流水线&无流水线,超标量执行：超标量CPU采用多条流水线结构,影响CPU性能的因素：超标量,影响CPU性能的因素：高速缓存,1、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 高速缓存是一种小型、快速的存储器，它保存部分主存内容的拷贝。,影响CPU性能的因素：总线和总线桥,嵌入式处理器的性能,低端（低价，低性能） 一般低端嵌入式处理器的性能最多达到50MIPS，应用在对性能要求不高

24、但对价格和功耗有严格要求的应用系统中。 中档，低功耗 中档的嵌入式处理器可达到较好的性能（如150MIPS以上），采用增加时钟频率、加深流水深度、增加Cache及一些额外的功能块来提高性能，并保持低功耗。,嵌入式处理器的性能,高端嵌入式处理器用于高强度计算的应用，使用不同的方法来达到更高的并行度 单指令执行乘法操作：通过加入额外的功能单元和扩展指令集，使许多操作能在一个单一的周期内并行执行。 每个周期执行多条指令：桌面和服务器的超标量处理器都支持单周期多条指令执行，在嵌入式领域通常使用VLIW(very large instruction word)来实现，这样只需较少的硬件，总体价格会更低些

25、。例如TI的TMS320C6201芯片，通过使用VLIW方法，能在每个周期同时执行8条独立的32位指令。 使用多处理器：采用多处理器的方式满足应用系统的更高要求。一些嵌入式微处理器采用特殊的硬件支持多处理器。如TI的OMAP730包括了三个处理器核ARM9、ARM7、DSP。,返回,嵌入式处理器的功耗管理,大多数嵌入式系统有功耗的限制（特别是电池供电的系统），它们不支持使用风扇和其他冷却设备。 降低工作电压：1.8v、1.2v甚至更低，而且这个数值一直在下降。 提供不同的时钟频率：通过软件设置不同的时钟分频。 关闭暂时不使用的功能块：如果某功能块在一个周期内不使用，就可以被完全关闭，以节约能量

26、。,嵌入式处理器的功耗管理,提供功耗管理机制 运行模式（Running Mode）：处理器处于全速运行状态下。 待命模式（Standby Mode）：处理器不执行指令，所有存储的信息是可用的，处理器能在几个周期内返回运行模式。 时钟关闭模式（clock-off mode）：时钟完全停止，要退出这个模式系统需要重新启动。 影响功耗的其他因素还有总线（特别是总线转换器，可以采用特殊的技术使它的功耗最小）和存储器的大小（如果使用DRAM，它需要不断的刷新）。为了使功耗最小，总线和存储器要保持在应用系统可接受的最小规模。,返回,嵌入式处理器的成本,为降低价格，需要在嵌入式处理器的设计中考虑不同的折衷方

27、案。 处理器的价格受如下因素影响: 处理器的特点：功能块的数目、总线类型等。 片上存储器的大小。 芯片的引脚数和封装形式：如PQFP(Plastic Quad Flat Package)通常比BGA(Ball Grid Array Package)便宜。 芯片大小（die size）：取决于制造的工艺水平。,嵌入式处理器的成本,代码密度（code density）：代码存储器的大小将影响价格，不同种类的处理器有不同的代码密度： CISC芯片代码密度高，但结构复杂，其额外的控制逻辑单元使价格变得很高； RISC芯片拥有简单的结构，代码密度低，因为其指令集简单； VLIW代码密度最低，因为它的指令

28、字倾向于采用多字节。,嵌入式处理器分类,嵌入式处理器,嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器： 通用CPU Intel x86/xScale、MT 68K、PowerPC (IBM/Freescale) 专用CPU 专用： NP、IXP、IOP等 MCU嵌入式微控制器 单片机 4/8/16/32 bit； 8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300 嵌入式微处理器MPU ARM、MIPS、Intel xScale、Dragonball (Freescale)等公司 DSP数字信号处理器 TI、Mot

29、orola、ADI等公司 SoC嵌入式片上系统 DSP + RISC CPU + I/O +Memory 可编程片上系统(系统芯片)PSoC FPGA、PAL/GAL、PLD/CPLD 、Tensilica、Xtensa MultiCoreSOC多核嵌入式处理器 ASIC,嵌入式处理器技术,处理器可以根据用户遇到的问题进行定制,total = 0 for i = 1 to N loop total += Mi end loop,通用处理器,专用处理器,面向特定应用的处理器,期望功能,（1）嵌入式微控制器,MCU（ Micro Controller Unit ）嵌入式微控制器的典型代表是单片机（

30、又称单片微型计算机，Single Chip Microcomputer) ，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的应用。 单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。,目前典型的MCU内部框图,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。 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，因此称为微控制器。,51单片机,MCU的主要应用领域,工业与农业方面 仪器仪表与电讯方面

31、日常生活用品方面 导航控制与数据处理方面 汽车控制方面,1.2 单片机发展概况,MCU发展概况,MCU的发展简史 Intel公司:1971年首次宣布4004的4位微处理器；1980年推出MCS-51；1983年推出MCS-96系列16位单片机。 Motorola公司:1974年开始推出MC6800微处理器；1979年开始生产单片机MC6801，在1983年前后发展成为较高性能的M68HC05系列；2000年前后推出了M68HC08系列单片机；2004年(2004年6月Motorola更名为Freescale半导体公司)推出增强型8位单片机HCS08系列，使8位单片机的品种更加丰富。同时，其8位

32、MCU、16位MCU、32位MCU并行发展，增加了市场份额，也方便了用户的选型。 其他公司:德州仪器，三菱、日立、飞利浦、韩国LG等也开发了性能优越的单片机。各类单片机不断出现，据统计，至今已达500多种。,1.3 MCU发展新特点及选型原则,新MCU的特点,价格更低：每片几十元的MCU，其内部资源已经相当丰富。 使用更加方便 ：内部含有EPROM或ROM，不需要外部扩展总线；有的MCU内部甚至固化了晶振电路。 功耗更低 ：有等待状态、睡眠状态、关闭状态等。 低电压型：工作电压只要2.7V ，甚至1.8V。 Flash型 ：具有闪速存储器(Flash Memory)，实现大规模电擦除。,（2）

33、嵌入式DSP处理器,DSP (Digital Signal Processor)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。 DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。 贝尔实验室于1979年制造出全球第一个单芯片(DSP) 1982年世界上诞生了首枚商用DSP芯片。在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。 广泛应用的Texas Instruments 的 TMS320 系列和Motorola 的DSP56000系列,DSPs,DSP 可以代表数字信号处理技术，也可以代表数字信号处理器

34、，其实两者是不可分割的，前者是理论上的技术，要通过后者变成实际产品。 两者结合起来就成为解决某一实际问题或实现某一产品的手段数字信号处理解决方案（DSPs）。,DSP,连续的数据流的处理及高精度复杂运算，则应该选用DSP 器件 特征 运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址 来源 DSP 处理器经过单片化、EMC 改造、增加片上外设成为嵌入式DSP 处理器，如TI 的TMS320C2000/C5000 在通用单片机或片上系统（SoC）中增加DSP 协处理器，如Intel 的MCS-296,DSP应用领域,多媒体革命的引擎 通讯/网络设备、数字多媒体(HDTV) 应用于数字滤波、FFT、反余弦变

35、换、频谱分析、语音与图像等多媒体处理、智能变频控制等领域 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,DSP,应用范围 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 如Texas Instruments 的 TMS320 系列和Motorola 的DSP56000 系列,DSP,目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

36、,冯诺依曼结构的DSP,哈佛结构的DSP,典型哈佛结构的DSP,DSP在数字信号处理系统中的位置,DSP 芯片,Motorola DSP56301,（3）嵌入式微处理器（通用处理器）,可以使用那些可编程设备 X86、PowerPC，AMD、ARM、MIPS、68K 特点 内存可编程（Program memory） 通用的数据地址寄存器 通用的ALU 优点 开发迅速 低成本 高灵活性,架构,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。目前主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/Stro

37、ngARM系列等,ARM,低端: No cache. No floating point. No MMU. 高端: Cache. Floating-point. MMU.,奔腾 II、III 处理器结构,（4）嵌入式微处理器,MPU（ Micro Processor Unit ）嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。 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，去除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。,（4）嵌入式微处理器（专用处理器）,用来执行单一特定程序 图形加速器GP、TCP卸载器 特点 构造简单，仅包含

38、执行单一特定程序所需的部件 没有编程内存（program memory） 优点 速度快 低功耗 尺寸小,架构,面向特定应用的嵌入式微处理器,面向特定应用的优化的可编程处理器具有一般的特征。 IOP、IXP、Cell 特点 可编程内存 数据路径优化 特殊功能单元 优点 一定的灵活性 高性能,架构,（5）新的发展方向：SoC,ASIC Core,Memory,Embedded Processor Core,Analog Functions,Communication,Sensor Interface,SoC,SoC (System on Chip )，SoC嵌入式系统微处理器就是一种电路系统。 S

39、oC是追求产品系统最大包容的集成器件,SoC,SoC是追求产品系统最大包容的集成器件 硬件上结合了许多功能区块，将功能做在一个芯片上，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。 ARM RISC、MIPS RISC、DSP或是其他的微处理器核心 通信的接口单元 通用串行端口（USB） TCP/IP通信单元 GPRS通信接口 GSM通信接口 IEEE1394 蓝牙模块接口等等 成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。,SoC出现原因,运用VHDL等硬件描述语言不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合

40、时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。,软件硬件化、硬件软件化,软件依托硬件而存在，但又高于硬件！ 软件可以替代硬件吗？ 硬件可以替代软件吗？,SoC,由于SoC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知 Philips的Smart XA Siemens的TriCore Motorola的M-Core 某些ARM系列器件 Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。,SoC,SoC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点： 利用改变内部工作电压，降低芯片功耗。 减少芯片对外管脚数，简化制造过程。 减少外围驱动接

41、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。 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。,SoC应用领域,SoC芯片将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。,SoC发展趋势,Systems-on-chip（SoC） 32-bit RISC CPU 具有 RAM和ROM接口 具有DMA, 中断以及时钟控制器接口 具有磁盘或flash接口 具有以太网/802.11接口 具有LCD/CRT接口 New SoCs appearing almost every week! 举例 Intel StrongARM SA-1110 Motorola Pow

42、erPC MPC823e NEC VR4181 等等,http:/ 贝尔实验室 CMOS技术 100,000 像素 低功耗 廉价,http:/www.bell- one step closer to “Smart Dust” 2mm x 2.5 mm AVR-like RISC core 3k RAM 8-bit ADC FSK radio transceiver Paged memory system Lots of other cool stuff Manufacturing cost $ 0.3 for the die $ 0.5 for the five external compon

43、ents (antenna, crystals, power source etc),http:/www.cs.berkeley.edu/jhill/spec/,SoC的下一代 RSoC,可重配置的SoC（Reconfigurable SoC） 处理器内核 + 可编程(可再编程)逻辑 FPGA 通过重配置在硬件级别修改硬件的功能 举例: Atmels FPSLIC Up to 40K Gates 8-bit 微处理器 40 MHz Triscends A7S Up to 40K Gates ARM-based,http:/ 现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Ar

44、ray） 复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device） SOPC的技术基础 超大规模可编程逻辑器件 开发工具的成熟 FPGA密度提高 FPGA成本足以与ASIC抗衡 FPGA设计、综合、仿真、测试工具性能飞速提高 微处理器核以IP的形式嵌入到FPGA中 IP Core开发理念的发展与深入人心 信号处理算法、软件算法模块、控制逻辑 目前已经成熟的SOPC开发平台： XilinxSpartanIIFPGA和MicroBlaze软处理器IP Core XilinxVirtexIIPro FPGA和PowerPC硬处理器IP Core AlteraXA1/X

45、A10/NoisII FPGA和处理器IP Core ActelCoreMP7( ARM7 Core),SOPCAlteraEPXA10,SOPC-NoisII Stratix& Cyclone Edition,可配置与可重配置,可配置: CPU 架构特征在设计阶段就被选择并定义。 可重配置: 硬件可以被重新配置。 甚至可以在执行过程中动态重配置。,Tensilica 可配置处理器,可配置性: 处理器参数（如缓存大小等等） 指令集 结果: HDL 处理器模式 软件开发环境,Xtensa 可配置能力,指令集: ALU extensions, coprocessors, wide instruct

46、ions, DSP-style, function unit implementation. 内存: I cache config, D cache config, memory protection/translation, address space size, mapping of special-purpose memories, DMA access. 接口: Bus width, protocol, system register access, JTAG, queue interfaces to other processors. 外围设备: Timers, interrupts

47、, exceptions, remote debug.,多核嵌入式处理器,TI OMAP ARM9 + C55x Intel 酷睿双核处理器 AMD AMD皓龙处理器 BroadCom BCM1250 MIPS 64 X2 Motorola MPC8260 PowerQUICCII PowerPC+CPM Infineon TC10GP和增强型TC1130 三核(TriCore)结构的微处理器 Hitachi SH7410、SH7612 MCU+DSP,IBM双内核PowerPC芯片,TI DM270,TI OMAP,我国嵌入式处理器发展,我国嵌入式处理器发展,方舟系列 方舟1号 方舟2号 龙芯系列 兼顾通用和嵌入式应用,方舟,RISC技术 应用：网络、终端、工控,方舟1号,方舟2号,