嵌入式處理器特點PPT課件VIP

1、第2章 嵌入式處理器 2.1 嵌入式處理器的基本特征 2.2 嵌入式處理器的種類2.3 典型嵌入式處理器 2.4 嵌入式處理器的選型方法2.5 嵌入式處理器的發(fā)展趨勢2.6 本章小結(jié)習(xí)題 第1頁/共52頁相對通用處理器，嵌入式處理器有5個特點 體積小、集成度高、價格較低 這一特性與嵌入式系統(tǒng)的有限空間約束和較低的成本價格需求相適應(yīng) 可擴展的處理器結(jié)構(gòu) 能迅速開發(fā)出滿足各種應(yīng)用的最高性能嵌入式系統(tǒng) 功耗很低 尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)時，要求嵌入式處理器的功耗只有mW甚至W級2.1 嵌入式處理器基本特征第2頁/共52頁2.1 嵌入式處理器基本特征 對實時

2、多任務(wù)有很強的支持能力 能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度 具有功能很強的存儲區(qū)保護(hù)功能 這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，為避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤后的交叉影響，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護(hù)功能，同時也有利于軟件診斷。 第3頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 對全球嵌入式處理器的不完全統(tǒng)計：品種數(shù)量超過1000多種流行的體系結(jié)構(gòu)達(dá)30余種第4頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 總體而言，嵌入式處理器分為四大類型： 圖2-1 2-1 嵌入式處理器種類 第5頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 1. 嵌入式微處理器 (Micro-

3、Processor Unit，MPU) 由通用計算機中的CPU演變而來 第6頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MPU與通用計算機中的CPU不同之處 在嵌入式應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求 為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用計算機中的CPU都做了各種增強第7頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 例：X86與PC104模塊 Ali M6117C處理器， 兼容Intel 386SX-40 帶2/4MB Fast Pa

4、ge DRAM 帶48M Flash 看門狗定時器功能 第8頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 性能的增強PC104總線 PC104是一種緊湊型的ISA總線標(biāo)準(zhǔn)，其信號定義和ISA基本一致，但電氣和機械規(guī)范卻完全不同低功耗 4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗小尺寸結(jié)構(gòu) 標(biāo)準(zhǔn)模塊的機械尺寸是3.6X3.8英寸，即96X90mm 第9頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 PC104的堆棧式連接 去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接,即PC104總線模塊之間總線的連接通過上層的針和下層的孔相互咬和相連,這種層疊封裝有極好的抗震性。 ISA的金手指第10頁

5、/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MPU常見系列 X86 Am186/88 ARM MIPS PowerPC 68K等 第11頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 2. 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU) 又稱為單片機 第12頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MCU特點 單片化 一般以某種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成了ROM/EPROM/FLASH 、RAM 、總線、總線邏輯、定時/ 計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A等各種必要的功能和外設(shè) 由于單片機的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器 該特點大大

6、減小了體積，降低了功耗和成本，提高了可靠性，因而成為目前嵌入式系統(tǒng)的主流，占據(jù)了嵌入式系統(tǒng)大約70%的市場份額第13頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 每種具有多種衍生產(chǎn)品 每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核一樣，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝 使嵌入式微控制器最大限度地與不同的應(yīng)用需求相匹配，功能齊全又不浪費，減少了功耗及成本 第14頁/共52頁例：TI超低功耗16位MSP430系列 第15頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MCU種類 通用系列 代表性的包括 8051 、P51XA 、MCS-96 /196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、 MC68300等

7、半通用系列例如，支持USB接口、I2C 、CAN等眾多專用MCU 和兼容系列第16頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 其它 提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將 Am186CC/ CW 等嵌入式處理器稱之為 Microcontroller Motorola 公司把以 PowerPC為基礎(chǔ)的 PPC505 和 PPC555 亦列入單片機行列 TI 公司亦將其 TMS320C2XXX 系列DSP作為 MCU 進(jìn)行推廣 第17頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 3. 嵌入式 DSP 處理器 (Digital Signal Procssor， DSP ) 第18頁/共52頁2.2 嵌入式

8、處理器的種類 DSP特點 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 采用Harvard（哈佛）結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器 指令系統(tǒng)快速DSP指令（屬RISC精簡指令集）適合于對處理器運算速度要求較高、向量運算較多的應(yīng)用領(lǐng)域第19頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 DSP典型應(yīng)用 數(shù)字信號處理領(lǐng)域 數(shù)字濾波、快速傅立葉變換、頻譜分析等方面 多媒體信號處理 移動電話、語音識別 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等多媒體播放系統(tǒng) 智能化嵌入式系統(tǒng) 生物特征識別的終端 帶有加密解密算法的鍵盤等第20頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 DSP種類 一種是DSP處理器經(jīng)過單片化、適當(dāng)改造、增加片上外設(shè)而成 例如：TI的TMS3

9、20，它包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列、以及性能更高的C6000和C8000 系列 另一種是在通用單片機或 SOC(System On Chip) 中增加DSP協(xié)處理器 例如：Intel 的 MCS-296 和 Siemens的TriCore 第21頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 4. 嵌入式片上系統(tǒng) 隨著電子數(shù)據(jù)交換 (EDI) 的推廣和VLSI設(shè)計的普及化，以及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代已經(jīng)來臨，這就是 System On Chip(SOC) 第22頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC設(shè)計制造 各種通用處理器內(nèi)核

10、（包括IP核）將作為SOC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標(biāo)準(zhǔn)器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中 用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品第23頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC優(yōu)點 系統(tǒng)級集成、體積減小一個或多個微處理器核（如RISC+DSP）輸入/輸出USB/IEEE 1394/以太網(wǎng)/GSM/GPRS等通信接口 功耗降低 通過改變內(nèi)部工作電壓 可靠性提高利用內(nèi)嵌電路，避免外部電路板在信號傳 遞時產(chǎn)生的系統(tǒng)噪聲 第24頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC種類 通用系列 包括 Sie

11、mens的TriCore、Motorola 的M-Core、某些 ARM 系列器件、Echelon和Motorola 聯(lián)合研制的Neuron芯片等 專用系列代表性的產(chǎn)品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在同一塊硅片上，形成一個可加載 Java 或C語言專用 SOC，可用于公眾互如Internet安全方面 第25頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 多核系列 例：TI的OMAP 組成（見下圖） TI的DSPARM的ARM RISC兩個核 二維圖形加速器 外圍控制電路 應(yīng)用領(lǐng)域 多媒體影音數(shù)據(jù)處理、語音識別系統(tǒng)、無限通訊、電子

12、商務(wù)等第26頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 多核系列 例：TI的OMAP圖2-2 TI的OMAP硬件結(jié)構(gòu)圖 第27頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 8051單片機 ARM 68K/Coldfire PowerPC MIPS X86 國產(chǎn)嵌入式處理器 第28頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 18051單片機 經(jīng)典的8位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但功能、性能和片上資源相對16位/32位/64位嵌入式微控制器也較簡單 最早由Intel公司推出，其后多家公司購買了8051的內(nèi)核，使得以8051為內(nèi)核的MCU系列單片機在世界上產(chǎn)量最大、應(yīng)用也最廣泛（20個生產(chǎn)廠家，350個衍生產(chǎn)

13、品） 常見型號包括：Intel的MCS-51系列、Atmel 的89C51/52、89C1051/2051 第29頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 2ARM ASIC與IP ASIC:專用集成電路 (Application Specific Integrated Circuit） IP: 知識產(chǎn)權(quán) (Intellectual Property） 或稱為SIP（硅/半導(dǎo)體知識產(chǎn)權(quán) )指芯片電 路的制作方式或電路圖等方面的知識產(chǎn)權(quán)。 廠商向擁有技術(shù)的IP Provider直接購買IP 以縮短Time-to-Market。第30頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM（Advanced RI

14、SC Machines）公司 英國公司 90年代初，ARM率先推出32位RISC微處理器芯片系統(tǒng)SoC知識產(chǎn)權(quán)公開授權(quán)概念A(yù)RM通過出售芯片技術(shù)授權(quán)而非生產(chǎn)或銷售芯片，建立起新型的微處理器設(shè)計生產(chǎn)和銷售商業(yè)模式 IP Provider：出售ARM RISC構(gòu)架的微處理器核心、外圍和系統(tǒng)芯片設(shè)計技術(shù) 第31頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM內(nèi)核及ARM處理器的特點 小體積、低功耗、高性能而低成本 RISC(Reduced Instruction Set Computer )體系結(jié)構(gòu) 目前：ARM7 ￥ 70，ARM9 ￥ 100 16/32位雙指令集 16位Thumb指令集：密度高，所

15、占存儲空間較小 32位的ARM指令集：處理32位數(shù)據(jù)時性能較高 全球眾多的合作伙伴（見下圖）第32頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 圖2-3 ARM2-3 ARM全球合作伙伴 第33頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM產(chǎn)品系列包括ARM7、ARM9、ARM10和SecurCore、StrongARM、XScale等 ARM7：低功耗的32位核，適用于對價位和功耗敏感的產(chǎn)品 ARM9：集成度較高，集成了TFT LCD控制器、USB Host以及各種存儲卡接口，其功能已相當(dāng)于嵌入式微控制器 SecurCore：是專為安全需要而設(shè)計 XScale ：Intel目前主要推廣的一款A(yù)RM微處

16、理器系統(tǒng)，提供較強的多媒體功能和網(wǎng)絡(luò)通訊功能第34頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM應(yīng)用領(lǐng)域已成為移動通信、手持設(shè)備、多媒體數(shù)字消費嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn) 例： PDA:Compaq的iPAQ H3630、HP的Jornada 720、聯(lián)想的天璣5100均采用Intel的StrongARM SA-1110（206MHz） 移動通信：HP iPAQ hw6515 GPS 全智能手機采用Intel的PXA270處理器（312MHz ）第35頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 368K/Coldfire Motorola 68000(68K)比INTEL的8088還要早。Coldf

17、ire是68K的低成本替代產(chǎn)品 68K/Coldfire主要應(yīng)用于對實時性和可靠性要求較高的工業(yè)控制領(lǐng)域 第36頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 4PowerPC PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好，方便靈活 品種多，通用處理器&嵌入式控制器和內(nèi)核 例如 IBM公司的PowerPC 405 GP是一個集成10/100Mbps以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其它外設(shè)的高性能嵌入式處理器 Motorola MPC823e微處理器是一個高度綜合的片上系統(tǒng)（SOC）設(shè)備 第37頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 PowerPC應(yīng)用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務(wù)器到桌面計

18、算機系統(tǒng)，從消費類電子產(chǎn)品到大型通信設(shè)備，無所不包例：華為的交換機 第38頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 5MIPS MIPS公司Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages技術(shù)公司，是一家設(shè)計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS公司設(shè)計RISC處理器始于80年代初，后來MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)，1999年MIPS公司發(fā)布MIPS 32和MIPS 64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ) 第39頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 MIPS

19、特點 屬于高性能、高處理能力的高端嵌入式處理器 目前其成本價格和開發(fā)工具價格也很昂貴 第40頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 6X86 眾所周知的微處理器，起源于Intel架構(gòu)的8080 常見的X86系列有386EX和486DX，板級形式如PC104， 特點：CPU處理能力很強，適用于高端應(yīng)用領(lǐng)域 第41頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 7國產(chǎn)嵌入式處理器 方舟：(ARCA) 2001年7月，中芯微系統(tǒng)公司研制出“方舟一號” 主要應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)計算機、寬帶智能終端、交換機等，如神州數(shù)碼、聯(lián)想、美國慧智公司等的網(wǎng)絡(luò)計算機 與國外其它指令集不兼容，不支持高級的OS 龍芯：(GODSON,小名狗

20、剩) 2002年9月28號，中科院計算所研制 與MIPS有些淵源 第42頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 主要包括以下4項選型原則： (1)根據(jù)具體應(yīng)用領(lǐng)域選擇MPU/MCU/DSP/ SoC中的一種。例如： 在高端數(shù)據(jù)處理應(yīng)用領(lǐng)域，常選用嵌入式微處理器 在實時控制領(lǐng)域，多選用嵌入式微控制器 在數(shù)字圖像處理、多媒體信息設(shè)備等領(lǐng)域，往往選用嵌入式DSP處理器或帶有DSP內(nèi)核的嵌入式片上系統(tǒng) 第43頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 (2)根據(jù)具體應(yīng)用功能需求、性能指標(biāo)、運行環(huán)境和成本預(yù)算等查找廠商提供的該類嵌入式處理器芯片的Datasheet等資料，選擇芯片的具體型號和配置參數(shù) 例：TI的MCS-51系列單片機(見下) 第44頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 (3)關(guān)注生產(chǎn)廠商是否提