嵌入式系统20052硕士课程(免费阅读).ppt

嵌入式硬件系统 浙江大学计算机学院 陈天洲 tzchen@zju.edu.cn 2005年3月 1 嵌入式微处理器的发展 初期的划分： 一般用途型（仅包含单纯的CPU） 单片机控制器型（将CPU、ROM、RAM、I/O做在一芯片上） 以处理器的位数来划分 不同等级的处理器应用： 1.1 四位及八位嵌入式系统微处理器 1.2 16位以上嵌入式系统微处理器 1.3 协处理器（Co-processor） Intel推出的协处理器及其搭配的X86架构 1.4 RISC和CISC 计算机自40年代中叶问世以来，其体系结构的发展经历了： 简单?复杂?极其复杂?简单?复杂?极其复杂 CISC计算机 复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer 背景: 存储资源紧缺, 强调编译优化 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。 CISC的特点 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 ５，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 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精华:减少指令平均执行周期数 CPUtime= IC *CPI *CC ICRISC IC CISC, 30%40% CCRISC CCCISC， CPIRISC CPICISC 差距在缩小 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 V1(1987) 高性能RISC处理器典型 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 1.5 数字信号处理器(DSP) 乘法与加法运算 离散傅立叶变换(DFT) 离散余弦变换(DCT) Finite Impluse Respones Filter 2 嵌入式片上系统( SoC ) SoC System on Chip CPU + DSP + USB + TCP/IP + GPRS + GSM + IEEE1394 + BLUETOOCH + … SOC的优点: 改变内部工作电压，减少功耗 减少芯片对外管脚数，简化制造过程 减少外围驱动与电路板之间的信号传递，提高速度 内嵌的线路可以避免外部电路板在信号传递时引起的干扰 2.1 SOC的设计开发 SOC System on Chip简介 从狭义角度讲，它是信息系统的芯片集成，是将系统集成在一块芯片上 从广义角度讲，SoC就是一个微小型系统 SoC不是各个芯片功能的简单叠加，而是从整个系统的功能和性能出发，用软硬结合的设计和验证方法，利用IP复用及深亚微米技术，在一个芯片上实现复杂的功能 SoC是ASIC(Application Specific Integrated Circuits) 设计方法学中的新技术 SoC 是市场和技术共同推动的结果 从市场层面上看，人们