硬件基础第二次课.ppt

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1、2,C H A P T E R,嵌入式硬件基础,本节提要,1,3,2,4,PC机的硬件基础,嵌入式处理器,外围电路,嵌入式系统实例,嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线、通信接口和输入/输出设备组成。 嵌入式处理器 存储器 总线 通信接口 输入输出设备 电源及辅助设备,本节提要,1,3,2,4,PC机的硬件基础,嵌入式处理器,外围电路,嵌入式系统实例,按指令集分： CISC：复杂指令集 （Complex Instruction Set Computer） RISC：精简指令集 （Reduced Instruction Set Computer) EPIC：并

2、行指令集 VLIW：超长指令集 按体系结构分： 冯诺依曼体系结构 哈佛体系结构,嵌入式处理器分类,CISC和RISC,CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer） 具有大量的指令和寻址方式， 指令种类多， 指令长度可变,RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 只包含最有用的指令，指令长度固定 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,CISC的背景和特点,背景: 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 存储资源紧缺, 为

3、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,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。 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,减小指令执行周期

4、 减少指令种类 采用硬接线控制代替微程序控制 针对流水线化的处理器优化,RISC的提出与发展,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 V1(1987),CISC与RISC的对比(1),（1）指令系统：RISC 设计者把主要精力放在常用指令上，使它们有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完

5、成。因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率较低。而CISC 指令系统比较丰富，有专用指来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。 （2）存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。 （3）程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。,CISC与RISC的对比(2),（4）中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中断。 （5）CPU：RISC C

6、PU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。 （6）设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。 （7）用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。 （8）应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC更适合于专用机；而CISC则更适合于通用机。,冯诺依曼体系结构,冯诺依曼体系结构,指令寄存器,控制器,数据通道,输入,输出,中央处理器,存储器,程序,指令0,指令

7、1,指令2,指令3,指令4,数据,数据0,数据1,数据2,哈佛体系结构,哈佛结构是不同于冯。诺依曼结构的一种并行体系结构，特点是程序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址、独立访问。与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据吞吐量大大提高。,嵌入式处理器有许多不同的体系，在同一体系中又可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。 据不完全统计，目前嵌入式处理器的品种总量已超过千种，流行体系结构有30多个系列、主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86、SH等。,调查市场上已有的CPU 供应商； 处理器的处理速度； 技术指标； 处理器的低

8、功耗； 处理器的软件支持工具； 处理器是否内置调试工具； 处理器供应商是否提供评估板；,嵌入式处理器的选择,本节提要,1,3,2,4,PC机的硬件基础,嵌入式处理器,外围电路,嵌入式系统实例,嵌入式系统外围电路,存储器 总线 通信接口 输入/输出设备 电源及辅助设备,存储器, 按存储介质分 半导体存储器、磁存储器、光存储器； 按存取方式分 随机存储器（RAM）：静态存储器（SRAM）、 动态存储器（DRAM）。 只读存储器（ROM）： ROM、PROM、EPROM和EEPROM 串行访问存储器（SAM）：磁带、光盘 按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器、永久记忆性存储器； 按在计算机系统中的

9、作用分 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、闪烁存储器等。,存储器分类,RAM：随机存取存储器， SRAM：静态随机存储器， DRAM：动态随机存储器 1）SRAM比DRAM快 2）SRAM比DRAM耗电多 3）DRAM存储密度比SRAM高得多 4）DRAM需要周期性刷新,闪速存储器(FLASH),相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM 它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速,RAM,总线,总线,总线是把处理器

10、与存储器、I/O设备相连接的信息通道； 总线是数据、地址和控制信息的公共通路； 总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。,总线,总线,总线,总线典型PC总线,总线PC总线分类(1),片内总线 局部总线 内部总线 系统总线 外部总线 现场总线,PC总线分类,总线系统总线(1),PC总线 ISA总线、EISA总线 PCI总线 PCIExpress(PCI-E)、HyperTransport 工业：STD总线、 VME总线、PC/104总线、Compact PCI（CPCI）总线。,总线系统总线(2),ISA总线 IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC

11、 总线。 1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。 为了能够合理地开发外插接口卡，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。,总线系统总线(2),ISA 总线的主要性能指标如下： （1） I/O 地址空间0100H-03FFH （2） 24 位地址线可直接寻址的内存容量为16MB （3） 8/16 位数据线 （4） 62+36 引脚 （5） 最大位宽16 位(bit) （6） 最高时

12、钟频率8MHz （7） 最大稳态传输率16MB/s （8） 中断功能 （9） DMA 通道功能 （10） 开放式总线结构，允许多个CPU 共享系统资源,总线系统总线(3),PCI总线 1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。 Intel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 Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称PCISIG。 PCI 有32 位和64 位两种，32位PCI 有124 引脚，64 位有188 引脚

13、，目前常用的是32 位PCI。32 位PCI 的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。,总线系统总线(3),PCI 总线的主要性能指标如下： （1) 支持10 台外设 （2） 总线时钟频率33.3MHz/66MHz （3） 最大数据传输速率133MB/s （4） 时钟同步方式 （5） 与CPU 及时钟频率无关 （6） 总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V） （7） 能自动识别外设,总线系统总线(3),PC104总线 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-P996。 PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT

14、相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应。 8 位PC104 共有64 个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64 针，P2：40 针，合计104 个总线信号，PC104 因此得名。当8 位模块和16 位模块连接时，16 位模块必须在8 位模块得下面。P2 总线连结在8-位元模块中是可选的。 PC104PLUS 与PC104 相比有以下3 个特点： （1） 相对PC/104 连接，增加了第三个连结接口支持PCI 总线 （2） 改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性 （3） 加入了控制逻辑单元，以满足高速总线的需求,总线,I2C总线 PHILIPS公司开发，一种用于内部IC控制的简单的双

15、向两线串行总线，负责IC相互之间以及与外界的通信。 早期模式 100Kbits/s，7位寻址 快速模式 400Kbits/s，10位寻址 高速模式 3.4Mbits/s，10位寻址,总线外部总线(1),I2S总线 PHILIPS公司开发，一种为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。,SPI总线 串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola 公司推出的一种同步串行接口。 SPI 总线是一种三线(时钟、数据输出、数据输入）同步总线，硬件功能很强，软件简单； SPI 是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主

16、机编程决定； 系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式： （1） 一台主机MCU 和若干台从机MCU。 （2） 多台MCU 互相连接成一个多主机系统。 （3） 一台主机MCU 和若干台从机外围设备。,总线外部总线(2),总线现场总线,CAN总线 全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。 CAN 是一种多主方式的串行通讯总线 40米以内，1Mbps；10Km，50Kbps；理论上可以支持无限多个设备 可靠性高，误码率为10-11 抗电磁干扰性强,总线嵌入式系统总线(1),总线嵌入式系统总线(2)

17、,总线嵌入式系统总线(3),通信接口,并行口（Parallel Port) RS-232/RS485接口（串口UART） USB接口（通用串行总线接口） IrDA（Infra Red Data Association）红外线接口） Bluetooth（蓝牙接口） Ethernet（以太网接口） IEEE1394接口 I2S (音频数据传输总线) SPI(串行外围设备接口)、GPIO(通用可编程接口)、 CAN总线接口等,并口（parallel port）,“并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。 并行传送的线路长度受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错

18、。 常见用途，打印机接口 并口三种工作模式：SPP、EPP、ECP,并口（parallel port）,串口,嵌入式系统使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制，常常采用串口。 RS232C 及其兼容插口 传输速率低、传输距离近、抗共模干扰能力差 RC232C 的最高传输速率为20 kb/s, 最大传输线长为30 米 RS485 高抗共模干扰驱动能力，并且提供多点应用，同一线上最多可接32 个驱动器和接收器 最大传输速率10Mb/s (12m)，最大传输距离为1200m（10kb/s）,USB（Universal Serial Bus ）,USB1.1 12 Mb/s（1.5MB/s）串

19、行总线 即插即用 最多可支持127个外部设备 主机供电 小功率设备主机可以直接供电 大功率设备仍然需要外部供电 USB 2.0 480 Mb/s串行总线,Vdd,Gnd,D+ D-,红外芯片接口,IrDA/FastIrDA（Infrared Data Association ） 红外线发光二极管 发射 硅晶PIN光检二极管 接受 控制电路 IrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux （勒克斯）,红外传输特点,距离 小于一米 低速 9.6115K bps 高速 14M bps 工业高速 16M bps,Bluetooth 接口,功耗低 1

20、00M，100mW 10M，2.5mW 1M，1mW 2.4-2.4835 GHz (使用ISM频段) 优势: 世界范围内可用 劣势: 与IEEE 802.11b产品相互干扰 声音和数据传输，总带宽为1Mbps 成本低 低于US$5/蓝牙芯片,蓝牙和红外线的比较：,IEEE1394,起源于APPLE公司1986年提出的FireWire MPU与多媒体设备连接接口 20400M bps，高速串行总线 P1394b 1.6Gbps, 100米 支持63个器件，长度4.5米 热插拔，即插即用 Sony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWire,输入输出设备,显示屏 触摸屏 语言输入输

21、出设备 键盘,LCD显示器,触摸屏,电源,电源分类,（1） 线性稳压电源 低压差（LDO）线性稳压器 （噪声小，静态电流小） （2）开关稳压电源 升压式 （效率高，功耗低） 降压式（常用于工作电流大于1A的场合） 反相式 （用的较少） （3）电荷泵电源（常用于需要负电源的场合）,电源IC特点,（1）工作电压低：一般为3.03.6V，少数5V、12V、28V； （2）工作电流不大：30300mA多数，几安也有； （3）封装尺寸小：SO、SOT贴装； （4）完善的保护措施：过流、过热、短路、接反； （5）耗电小及关闭电源功能； （5）有电源工作状态信号输出：低电压的检测与显示 （6）输出电压精度高

22、：24%之间，有的可达0.51%； （7）新型组合式电源IC：升压式DC/DC+LDO；,电源IC选择,（1）优先考虑升压式DC/DC 变换器； （2）采用LDO 的最佳条件； （3）需负电源时尽量采用电荷泵； （4）不要追求高精度、功能全的最新器件； （5）不要“大马拉小车”：工作电流是最大输出电流的7090； （6）输出电流大时应采用降压式DC/DC 变换器； （7）DC/DC 变换器中L、C、D 要合理选择；,本节提要,1,3,2,4,PC机的硬件基础,嵌入式处理器,外围电路,嵌入式系统实例,嵌入式网络视频播放器,Modem,ADSL,远程 服务器,PSTN,Ethernet,控制器,串口1,串口2,VGA in,VGA out,Audio out,多媒体 终端,设置终端(NoteBook) LCD + Key Board,串口3,嵌入式网络视频播放器外部接口示意图,嵌入式网络视频播放器硬件结构框图,UART,处理器PXA27x,16MB SDRAM,4MB Flash,CF卡扩展槽Up to 128MB,UART,电源 管理,时钟 管理,调试 接口,以太网 控制器,以太网 接口,Modem,控制器,设置终端,FPGA XC2S100,UART,Up to 256MB SDRAM,MPEG-4解码EM8630,视频切换模块,控制信号,VGA,音频,多 媒 体 终 端,