嵌入式系统设计与应用课件(第3版)第2章 嵌入式系统硬件体系结构.ppt
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1、第第2章章 嵌入式系统硬件体系结构嵌入式系统硬件体系结构本章要点本章要点 学习完本章读者将掌握如下内容:学习完本章读者将掌握如下内容:1、嵌入式硬件的相关基础知识、嵌入式硬件的相关基础知识2、嵌入式硬件平台基本组成、嵌入式硬件平台基本组成3、ARM系列微处理器简介系列微处理器简介2.1相关基础知识相关基础知识2.1.1、嵌入式微处理器、嵌入式微处理器1、嵌入式微处理器的组成、嵌入式微处理器的组成 中央微处理器,简称中央微处理器,简称CPU,它是计算机中最重要,它是计算机中最重要的一个部分,它决定嵌入式系统的主要功能特性。的一个部分,它决定嵌入式系统的主要功能特性。CPU又由运算器和控制器两大部
2、分组成。又由运算器和控制器两大部分组成。2、微处理器的重要指标、微处理器的重要指标(1)主频、倍频、外频主频、倍频、外频 主频主频是指是指CPU的时钟频率,简单地说也就是的时钟频率,简单地说也就是CPU运算时的工作频率。运算时的工作频率。外频外频就是系统总线的工作频率。就是系统总线的工作频率。倍频倍频则是指则是指CPU外频与主频相差的倍数。三者的外频与主频相差的倍数。三者的关系:主频外频关系:主频外频倍频。倍频。(2)缓存缓存 L1 Cache(一级缓存一级缓存)L2 Cache(二级缓存二级缓存)L3 Cache(三级缓存三级缓存)2.1.2 嵌入式微处理器的流水线技术嵌入式微处理器的流水线
3、技术1、微处理器的流水线技术、微处理器的流水线技术通常微处理器在处理一条指令要经过三个步骤:通常微处理器在处理一条指令要经过三个步骤:取指(从存储器装载一条指令)、译码(识别将取指(从存储器装载一条指令)、译码(识别将要被执行的指令)、执行(处理指令并将结果写要被执行的指令)、执行(处理指令并将结果写回寄存器)。回寄存器)。流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程流水线技术通过多个功能部件并行工作来缩短程序执行时间,提高微处理器的运行效率和吞吐率。序执行时间,提高微处理器的运行效率和吞吐率。微处理器在同一时间周期并行执行若干条指令微处理器在同一时间周期并行执行若干条指令的取指、译码、执行操作
4、,其运行效率是逐条执的取指、译码、执行操作,其运行效率是逐条执行指令的行指令的3倍。倍。图图2.2 微处理器的三级流水线技术微处理器的三级流水线技术2、嵌入式微、嵌入式微处理器的流水理器的流水线 嵌入式微处理器嵌入式微处理器ARM7采用三级流水线,而采用三级流水线,而ARM9则采用五级流水线技术,而则采用五级流水线技术,而ARM11则更是则更是使用了使用了8级流水线。级流水线。2.1.3 寄存器与存储器寄存器与存储器1、寄存器、寄存器 寄存器(寄存器(register)是)是CPU的组成部分,是的组成部分,是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域,用内部用来存放数据的一些小型存储区域,用于暂
5、时存放参与运算的数据和运算结果。于暂时存放参与运算的数据和运算结果。2、随机存取存储器(、随机存取存储器(RAM)嵌入式系统的存储器中,最为常见的一嵌入式系统的存储器中,最为常见的一种是动态随机存取存储器(种是动态随机存取存储器(DRAM),在),在DRAM中晶体管和电容器合在一起就构成中晶体管和电容器合在一起就构成一个存储单元,代表一个数据位元。电容一个存储单元,代表一个数据位元。电容器保存一位二进制信息位器保存一位二进制信息位0或或1(电容(电容器有无电荷表示数据器有无电荷表示数据1或或0)。)。将很多将很多DRAM基本存储单元连接到同一个列基本存储单元连接到同一个列线(位线)和同一个行线
6、(字线)组成一个矩阵线(位线)和同一个行线(字线)组成一个矩阵结构,位线和字线相交,就形成了存储单元的地结构,位线和字线相交,就形成了存储单元的地址址 3.内存中数据存放的大小端模式内存中数据存放的大小端模式 在嵌入式系统中,存储是以字节为单位的,每个地在嵌入式系统中,存储是以字节为单位的,每个地址单元都对应着一个字节,一个字节为址单元都对应着一个字节,一个字节为8位。对于位位。对于位数大于数大于8位的处理器,例如位的处理器,例如16位或者位或者32位的处理器,位的处理器,由于寄存器宽度大于一个字节,如何安排多个字节的由于寄存器宽度大于一个字节,如何安排多个字节的存储,这就有了大端存储模式和小
7、端存储模式。存储,这就有了大端存储模式和小端存储模式。大端模式:大端模式:数据的高字节保存在内存的低地址中,而数据的高字节保存在内存的低地址中,而数据的低字节保存在内存的高地址中。数据的低字节保存在内存的高地址中。小端模式:小端模式:数据的高字节保存在内存的高地址中,而数据的高字节保存在内存的高地址中,而数据的低字节保存在内存的低地址中。数据的低字节保存在内存的低地址中。例如,一个例如,一个32位宽的数的十六进制表示为位宽的数的十六进制表示为 0 x01234567(地址从低位开始存放),如(地址从低位开始存放),如果是小端模式,则存储方式为:果是小端模式,则存储方式为:0 x67 0 x45
8、 0 x23 0 x01,如果是大端模式,则存储方式,如果是大端模式,则存储方式为:为:0 x01 0 x23 0 x45 0 x67。如图所示。如图所示。2.1.4 总线总线总线(总线(BUS)是接口电路与)是接口电路与CPU或者接口或者接口电路与电路与I/O外部设备之间连接的主要形式,外部设备之间连接的主要形式,是各功能部件之间传送信息的公共通路。是各功能部件之间传送信息的公共通路。采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各采用一组公共的信号线作为嵌入式系统各部件之间的通信线,这组公共信号线就称部件之间的通信线,这组公共信号线就称为总线。为总线。通信协议通信协议 通信协议是指通信双方的一种约定。
9、约定通信协议是指通信双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、传送速度、包括对数据格式、同步方式、传送速度、传送步骤等问题做出统一规定,通信双方传送步骤等问题做出统一规定,通信双方必须共同遵守。必须共同遵守。(1)总线时序协议)总线时序协议(2)异步时序协议的握手协议)异步时序协议的握手协议(3)总线仲裁方式)总线仲裁方式(4)总线标准)总线标准(1)总线时序协议)总线时序协议同步时序:同步时序:总线上所有事件共用同一时钟脉总线上所有事件共用同一时钟脉冲进行操作过程的控制,所有事件都冲进行操作过程的控制,所有事件都在时钟周期的开始发生。在时钟周期的开始发生。异步时序:异步时序:操作由源或目
10、的模块发出的特定操作由源或目的模块发出的特定信号确定。信号确定。双方相互提供联络信号。双方相互提供联络信号。(2)异步时序协议的握手协议)异步时序协议的握手协议握手协议是总线异步时序的基本构件。握手协议是总线异步时序的基本构件。握手协议数据传送过程的握手协议数据传送过程的4个周期:个周期:2.1.5 I/O端口端口I/O端口又称为端口又称为I/O接口,它是微处理器对外接口,它是微处理器对外控制和信息交换的必经之路,是控制和信息交换的必经之路,是CPU与外与外部设备连接的桥梁,它在部设备连接的桥梁,它在CPU与外部设备与外部设备之间起信息转换和匹配的作用。之间起信息转换和匹配的作用。I/O端口有
11、端口有串行和并行之分,串行串行和并行之分,串行I/O端口一次只能传端口一次只能传送一位二进制数信息,而并行送一位二进制数信息,而并行I/O端口一次端口一次能传送一组二进制数信息。能传送一组二进制数信息。图图2.8 I/O接口电路的位置接口电路的位置CPU对外设对外设I/O端口物理地址的编址方式有端口物理地址的编址方式有两种:两种:一种是一种是I/O映射方式(映射方式(I/Omapped););另一种是内存映射方式(另一种是内存映射方式(Memorymapped)。)。具体采用哪一种则取决于具体采用哪一种则取决于CPU的体系结构。的体系结构。2.1.6 中断中断中断方式是指,当外部设备准备与中断
12、方式是指,当外部设备准备与CPU进进行数据传输时,外部设备首先向行数据传输时,外部设备首先向CPU发出发出中断请求,中断请求,CPU接收到中断请求并在一定接收到中断请求并在一定条件下,暂时停止原来的程序并执行中断条件下,暂时停止原来的程序并执行中断服务处理程序,执行完毕以后再返回原来服务处理程序,执行完毕以后再返回原来的程序继续执行。的程序继续执行。图图2.9中断处理的各个阶段中断处理的各个阶段2.1.7 数据编码数据编码设用微处理器控制一串彩灯(发光二极管)设用微处理器控制一串彩灯(发光二极管)的亮灭。如图所示。的亮灭。如图所示。我们设不发光的口线(高电平)为我们设不发光的口线(高电平)为1
13、,发,发光的口线(低电平)为光的口线(低电平)为0。当彩灯当彩灯L1发光时,发光时,PD0口线为低电平,口线为低电平,而其余口线均为高电平。而其余口线均为高电平。则可以表示可以表示为以下以下对应值:PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD01 1 1 1 1 1 1 0用二进制数表示为:用二进制数表示为:11111110。用十六进制编码用十六进制编码,其值为:,其值为:FEH。再如,要彩灯再如,要彩灯L8发光,其余均不发光,则发光,其余均不发光,则有:有:用二进制数表示为:用二进制数表示为:01111111。十六进制编码为:十六进制编码为:7FH。则可以表示可以表示为以下以下对应值:PD
14、7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD00 1 1 1 1 1 1 1若希望两边亮,中间暗,则:若希望两边亮,中间暗,则:十六进制编码为:十六进制编码为:7EH。PD7PD6PD5PD4PD3PD2PD1PD00 1 1 1 1 1 1 02.2 嵌入式系统硬件平台嵌入式系统硬件平台图图2.12嵌入式系统硬件结构嵌入式系统硬件结构1、嵌入式处理器、嵌入式处理器嵌入式处理器通常包括几个部分:处理器嵌入式处理器通常包括几个部分:处理器内核、地址总线、数据总线、控制总线、内核、地址总线、数据总线、控制总线、片上片上I/O接口电路及辅助电路(如时钟、复接口电路及辅助电路(如时钟、复位电路等)。位电
15、路等)。嵌入式处理器可以分为嵌入式处理器可以分为3类:类:嵌入式微处理器、嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式微控制器、嵌入式嵌入式DSP(Digital Signal Processor,数字信号处理器),数字信号处理器),2、嵌入式系统中的存储设备、嵌入式系统中的存储设备(1)RAM、SRAM、DRAMRAM即是我们通常所说的内存。即是我们通常所说的内存。RAM又可又可分为分为SRAM(静态存储器)和(静态存储器)和DRAM(动态(动态存储器)。存储器)。(2)FlashFlash是一种非易失闪存,它具有和是一种非易失闪存,它具有和ROM一一样掉电后数据不会丢失的特性。样掉电后数据不会丢
16、失的特性。Flash是目是目前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器,前嵌入式系统中广泛采用的主流存储器,它的主要特点是按整体它的主要特点是按整体/扇区擦除和按字节扇区擦除和按字节编程,具有低功耗、高密度、小体积等优编程,具有低功耗、高密度、小体积等优点。点。Flash分为分为NOR Flash、NAND Flash两种。两种。NOR Flash的特点是在芯片内执行,可以的特点是在芯片内执行,可以直接读取芯片内储存的数据,因而速度比直接读取芯片内储存的数据,因而速度比较快。应用程序直接在较快。应用程序直接在Flash内运行,不必内运行,不必把代码读到系统把代码读到系统RAM中运行。中运行。NAND
17、Flash不能直接在不能直接在Flash内运行应用内运行应用程序,需要将数据复制到程序,需要将数据复制到RAM中运行。中运行。NAND Flash的特点是容量大。的特点是容量大。3、JTAG接口接口JTAG(Joint Test Action Group,联合测,联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议试行动小组)是一种国际标准测试协议(IEEE 1149.1兼容),主要用于芯片内部兼容),主要用于芯片内部测试。测试。我们经常用简易我们经常用简易JTAG接口直接烧写嵌接口直接烧写嵌入式系统入式系统Flash存储存储器。这种烧写方式是器。这种烧写方式是通过一根并口电缆和通过一根并口电缆和一块信号
18、转换集成电一块信号转换集成电路板以建立路板以建立PC机与开机与开发板之间的通信。发板之间的通信。2.3 ARM微处理器体系微处理器体系2.3.1 ARM公司及公司及ARM体系结构体系结构1、ARM公司简介公司简介ARM(Advanced RISC Machines),既),既可以认为是一个公司的名字,也可以认为可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。一种技术的名字。ARM 公司是专门从事基于公司是专门从事基于RISC 技术芯片技术芯片设计开发的公司,作为知识产权供应商,设计开发的公司,作为知识产权供应商,本身不
19、直接从事芯片生产,靠转让设计许本身不直接从事芯片生产,靠转让设计许可,由合作公司生产各具特色的芯。可,由合作公司生产各具特色的芯。2、ARM微处理器体系微处理器体系 ARM7系列系列 ARM9系列系列 ARM10系列系列 Cortex-M系列系列 Cortex-R系列系列 Cortex-A系列系列3、哈佛总线体系结构、哈佛总线体系结构 图图2.15 冯冯诺依曼结构诺依曼结构 图图2.16 哈佛结构哈佛结构 4、ARM微处理器的特点微处理器的特点(1)体积小、低功耗、低成本、高性能;)体积小、低功耗、低成本、高性能;(2)支持)支持Thumb(16 位位)/ARM(32 位位)双指令双指令集,能
20、很好的兼容集,能很好的兼容8/16 位器件;位器件;(3)大量使用寄存器,指令执行速度更快;)大量使用寄存器,指令执行速度更快;(4)大多数数据操作都在寄存器中完成;)大多数数据操作都在寄存器中完成;(5)寻址方式灵活简单,执行效率高;)寻址方式灵活简单,执行效率高;(6)指令长度固定。)指令长度固定。2.3.2 ARM系列微处理器简介系列微处理器简介1、ARM7系列微处理器系列微处理器2、ARM9系列微处理器系列微处理器3、Xscale系列微处理器系列微处理器4、Cortex 系列微处理器系列微处理器ARM Cortex系列微处理器是系列微处理器是ARM公司推出的第二公司推出的第二代微处理器
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