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1、第3章 嵌入式处理器,内容,3.1 概述3.2 嵌入式系统的硬件组成3.3 嵌入式处理器的技术指标及选型原则3.4 典型的嵌入式处理器3.5 ARM处理器3.6 嵌入式CPU子系统的设计方法3.7 小结,3.1 概述,嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心，运行嵌入式系统的系统软件和应用软件。嵌入式处理器的种类非常多，不仅不同的行业使用不同种类和体系的嵌入式处理器，而且同一行业也使用不同种类和性能的处理器。因此，嵌入式系统的硬件设计工作变得非常复杂，要求硬件设计人员在极短的时间内完成硬件设计，尽快把产品推向市场。嵌入式系统的设计人员首先应满足客户的需求。通俗地说，用户需要什么，则设计什么；需要什么
2、产品，则设计什么产品；而不是我们熟悉什么，就使用什么样的处理器。,无论哪个行业，都有其规律性可寻。无论嵌入式处理器的功能如何复杂和不同，它们均含有以下几点：(1)处理器内核(内部)。(2)地址总线。(3)数据总线。(4)控制类总线。(5)处理器本身的辅助支持电路，如时钟、复位电路等。(6)片上I/O接口电路。,3.2.1 嵌入式系统的方式3.2.2 硬件子系统总体组成3.2.3 嵌入式处理器子系统3.2.4 嵌入式存储器子系统3.2.5 附属电路和IO子系统3.2.6 调试子系统3.2.7 如何选择处理单元,3.2 嵌入式系统的硬件组成,3.2.1 嵌入式系统的方式,1嵌入通用计算机型2嵌入专
3、用计算机型3如何决定嵌入方式,3.2.2 硬件子系统总体组成,图31 嵌入式系统硬件体系结构的功能部件,3.2.3 嵌入式处理器子系统,1通用微处理器2嵌入式微控制器3嵌入式微处理器4 DSP5可编程器件,3.2.4 嵌入式存储器子系统,在嵌入式系统中使用的存储器可以是内部存储器，也可以是外部存储器。通常处理器的内部存储器是非常有限的。对于小型的应用，如果这些存储器够用了，就没有必要使用外部存储器；否则，必须使用外部存储设备。嵌入式系统的存储器用于存放嵌入式系统的应用软件。通常，大多数嵌入式系统的软件以固件的形式存放，也有一部分以RAM的形式存放。一般的应用中，使用嵌入式微控制器不需要使用外部
4、存储器，而使用其他的处理单元则需要使用外部存储器。,3.2.5 附属电路和IO子系统,(1)嵌入式处理器工作时必须有附属电路，如时钟电路、复位电路、调试电路、监视定时器、译码器电路等。这些电路不完成数据的输入和输出功能，而是为嵌入式处理器的工作提供必要的条件。在设计嵌入式系统的硬件电路时，通常把它们与嵌入式处理器设计成一个模块，形成处理器子系统。(2)IO接口电路。包括两大类：输入接口电路和输出接口电路，完成嵌入式处理器与外部设备之间的交互和数据通信。这些电路包括网络接口与通信控制器、串行接口、模数转换和数/模转换接口、人机接口等。应用于不同行业的嵌入式系统，接口的功能和数量有很大的差异。,3
5、.2.6 调试子系统,调试子系统指的是JTAG调试接口和BDM调试接口。现代的嵌入式处理器大多具有JTAG调试接口，便于硬件和软件的调试。在设计嵌入式系统的硬件电路时，通常在电路板上引出JTAG接口，用于软件调试和程序下载、升级等。除了JTAG接口外，Motorola公司的嵌入式处理器还有BDM调试接口，用途与JTAG相同。总之，通常设计嵌入式系统的硬件时，虽然在调试阶段使用JTAG接口进行调试统运行阶段并不使用，但是通常的做法是保留此接口，用于程序下载和调试。,3.2.7 如何选择处理单元,选择处理器单元可分成如下两步：(1)选择哪一类处理单元：根据具体的设计应用，在通用处理器、嵌入式微控制
6、器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP、可编程器件之间作出选择(2)选择哪个厂家的产品，即选择处理器的制造商，一般需要考虑下面的问题：1)成本，包括处理器本身的成本和外围电路的成本。2)处理器的技术指标。3)开发工具的支持。4)制造商的持续生产情况。5)集成度和功能，通常采用高度集成的处理器设计的嵌入式系统的成本不一定低，需要考虑外部电路的成本。,3.3 嵌入式处理器的技术指标及选型原则,功能字宽处理速度工作温度功耗寻址能力平均无故障工作时间性能价格比工艺电磁兼容性指标,3.3.1 技术指标,3.3.2 嵌入式系统处理器选型原则,1嵌入式处理器选型原则 2 选择嵌入式处理器的具体方法,3.4.1 A
7、RMStrongARM3.4.2 MIPS3.4.3 PowerPC3.4.4 x863.4.5 68KColdfire,3.4 典型的嵌入式处理器,3.5 ARM处理器,3.5.1 ARMAdvanced RISC Machines3.5.2 ARM微处理器的应用领域及特点3.5.3 ARM微处理器系列3.5.4 ARM微处理器结构3.5.5 ARM微处理器的应用选型,典型的嵌入式处理器-ARM系列,ARM7ARM9ARM9EARMl0SecurCore未来。,ARM7系列,ARM7TDMIT:ThumbD:debugM:乘法器I：嵌入式ICE硬件提供片上断点和调试点支持 ARM7-SARM
8、720TARM7EJ 应用,ARM9系列,5级流水线；提供1.1MIPS/MHz的哈佛结构。应用引擎管理、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、PDA、网络电脑和智能电脑,ARM9E系列,DSP扩充；嵌入式ICE-RT调试逻辑；提供1.1MIPS/MH2的5级流水线和哈佛结构；紧耦合存储器（TCM）接口，可使存储器以最高的处理器速度运转，可直接连接到内核上，非常适用于必须有确定性能和快速访问时间的代码。,ARM10系列,ARM10系列为硬宏单元，带有：DSP扩展；嵌入式ICE-RT；全性能MMU；Cache；对于指令和数据，64位AHB接口；6级流水线；内部64位数据通路；25MIPS/MH
9、z；在实际应用中，与同等ARM9器件相比，在同样的时钟速度下，性能提高了50。,SecurCore SC100,SecurCore SC100系列专为安全需要而设计，具有特定的抗窜改（resisit tampering）和反工程（reverse engineering）特性。它还有灵活的保护单元，以确保操作系统和应用数据的安全。,基于ARM内核的产品,ATMEL公司带ARM核的芯片Cirrus Logic公司带ARM核的芯片Intel公司带ARM核的芯片NetSilicon公司带ARM核的芯片Samsung公司带ARM核的芯片Triscend公司带ARM核的芯片,ARM的合作伙伴,Agere
10、Systems、Agilent、AKM、Alcatel、AnalogDevices Inc、Atmel、Basis、Cirrus Logic，Conexant Systems Inc、Epson、Ericsson、Fujitsu、Global UniChip、Hynix、IBM、Intel、LinkUp、LSI Logic、Micronas、Mitel、Semiconductor、Mitsubishi Electric Corporation、Motorola、National Semiconductor、NEC、Netsilicon、Oki、Panasonic、Philips、Qualcom
11、m、Rohm、Sanyo、Samsung、Sharp、Sony、ST Microeletronics、Texas Instruments、3Com、Toshiba、Triscend、Yamaha、Zeevo,Atmel公司带ARM核的芯片,应用通用工业应用,Cirrus Logic公司带ARM核的芯片,通信-internet手持计算多媒体应用-音频,Intel公司带ARM核的芯片,NetSilicon公司带ARM核的芯片,Samsung公司带ARM核的芯片,应用-办公室产品应用通用以太网PDA温度范围主要商用,Triscend公司带ARM核的芯片,3.6 嵌入式CPU子系统的设计方法,3.6.
12、1 设计原则3.6.2 基于微控制器的设计3.6.3 基于嵌入式微处理器的设计,3.6.1设计原则,复用原则模块化原则标准化原则地址总线数据总线控制总线电源、网络标号的使用-网络标号的使用反映用途例如:RXD,TXD等分图的处理分图之间的连接线尽量少,3.6.2基于嵌入式控制器的系统设计,3.6.2基于嵌入式控制器的系统设计,电源、地、电源滤波。时钟电路，包括石英晶体、电容等。复位电路，图中没有复位电路，是因为LPC系列的微控制器可以内部复位。I/O部件的设计-驱动电路根据特定的应用而定,3.6.3基于嵌入式处理器的系统设计,contents处理器子系统的设计存储器子系统的设计I/O子系统的设
13、计,基于8051的处理器子系统,处理器核心总线辅助电路（复位、时钟等）IO电路：串行、并行、中断等,Net50的CPU子系统设计,contents时钟子系统JTAG接口引出数据总线引出地址总线复位与watchdog上电配置电路其它辅助电路,net50时钟设计,JTAG接口,引出数据总线,引出地址总线,复位与watchdog,上电配置电路,其它辅助电路,偏置电路电源电路电源滤波电路etc.,输入输出接口电路,单独设计与具体的应用紧密相关,3.6.3基于嵌入式处理器的系统设计小结,存储器子系统的设计-设计CPU子系统时设计接口信号数据总线双向地址总线单向控制总线信号读、写、片选、其它,3.6.3基于嵌入式处理器的系统设计小结,I/O子系统的设计与应用密切相关AD/DA通信输入输出人机接口其它,3.7 小结,解决嵌入式系统的CPU选择和应用设计问题嵌入式系统的形式嵌入式处理器、控制器介绍嵌入式处理器的选择方法嵌入式处理器子系统的设计原则和设计方法,
