嵌入式微处理器系统.ppt
2007.9,北京大学软件与微电子学院,嵌入式微处理器系统,第一章 概论,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,主要参考书：微处理器(CPU)的结构与性能 易建勋，清华大学出版社，2003 嵌入式系统开发圣经（第二版），探硅工作室，中国铁道出版社,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,了解处理器的必要性微处理器概况处理器工作过程嵌入式微处理介绍小结,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-必要性（1）,必要性汽车和发动机选择最合适的发动机从份发挥发动机的性能系统设计的需要,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-必要性（2）,必要性（续）手机和处理器选择最合适的处理器从份发挥处理的性能系统设计的需要,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-必要性（3）,必要性（续）,用好处理器！,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,了解处理器的必要性微处理器概况处理器工作过程嵌入式微处理介绍小结,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（1）,计算机系统的发展历程,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（2）,摩尔定律（Gordon Moore)每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将减低一半。,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（3）,1.CPU(Center Processing Unit)的发展第一台通用电子计算机设计者：J.Presper Eckert&Jon Mauchly(University of Pennsylvania)名称：ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator）时间：二次大战（1946年公开）性能18000个真空管、100 feet*8.5 feet20个10位寄存器“+”，200us用途：计算大炮发射表,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（4）,1.CPU(Center Processing Unit)的发展第一个微处理器 4004,Intel,1971.11性能主频：108kHz最大寻址：640KRAM:4096 bits for Program 1KX4bits for Data规模：2250个晶体管工艺：10um价格：200$发明人:Ted Hoff1968,加盟Intel1982,离开,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（5）,1.CPU的发展（续）Pentium 4性能主频：3GHz数据总线：64bits地址总线：36bitsRAM:512KB Cache规模：4000多万个晶体管工艺：0.13um价格：$180,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（6）,1.CPU的发展（续）CoreTM 2 DUO E6700性能双核主频：2.66GHz数据总线：64bits地址总线：36bitsRAM:2MB smart Cache规模：1亿个晶体管工艺：0.065um价格：$200,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（7）,1.CPU的发展（续）不同阶段的处理器（X86）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（8）,1.CPU的发展（续）X86 发展之路-主频（www.cpu-）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（9）,1.CPU的发展（续）X86 发展之路-规模（www.cpu-）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（10）,1.CPU的发展（续）X86 发展之路-工艺（www.cpu-）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（11）,2.CPU的分类指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer）Intel X86AMD K6TMS320XXXRISC（Reduced Instruction Set Computer）PowerPCARMAVRMIPS,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（12）,2.CPU的分类处理器字长8 bits 8088,89C5116 bits8086,Ti 54X32 bits80486,Ti C3X,C6X64 bitsItanium，PowerPC 970,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（13）,2.CPU的分类总线（BUS）结构Von Neumann（1944-6）定义：指令和数据在同一个物理空间例：X86Harvard（Howard Aiken，1949）定义：指令和数据在不同的物理空间例：DSP,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（14）,2.CPU的分类（续）应用方式MPUMCUDSP应用领域台式机 CPU笔记本CPU服务器CPU嵌入式CPU,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（15）,3.CPU的性能评测CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期CPI=一个程序的CPU时钟周期/该程序的指令数CPU时间=IC（指令数）X CPI/时钟频率时钟频率（周期）：由硬件技术决定CPI：由处理器组成和指令系统决定指令数：由指令系统和编译器决定,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（16）,3.CPU的性能评测MIPS：每秒百万条指令MIPS=指令数/（指令的执行时间 X 106）=时钟频率/（CPI X 106）执行时间=指令数/（MIPS X 106）MIPS依赖于指令集同一台机器的MIPS可能因程序而异MIPS可能不能反映处理器的性能,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（17）,3.CPU的性能评测MFLOPS：每秒百万次浮点运算次数MFLOPS=浮点运算次数/（浮点运算的时间 X 106）MFLOPS不能反映处理器的实际性能通常用来比较浮点运算器的性能Instruction数 和 Operation数可能不一致,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（18）,4.CPU制造工艺工艺发展加工精度提高-从10um 到 0.05um硅片尺寸进一步加大-从3英寸 到 18英寸连接材料改变 Al到Cu 生产环境每20cm2只能有一粒微尘（医院手术室的10000倍）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（19）,4.CPU制造工艺（续）制造材料硅原料 硅晶体棒 在圆晶上生成的芯片圆晶规格目前的标准圆晶直径为200mm正在向300mm发展,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（20）,4.CPU制造工艺（续）光刻技术光刻原理光刻原理和光刻机目前 0.045um技术已经成熟,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（21）,4.CPU制造工艺（续）基本工艺流程掩模生成 将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感光材料的玻璃上。光刻与刻蚀工艺在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。掺杂工艺在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器件。氧化及热处理将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化硅。气相沉积工艺通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形成薄膜层。,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（22）,5.提高CPU性能的方法改进指令系统X86MMX3DNow改进体系结构流水线超标量高速缓存超线程多核,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（23）,5.提高CPU性能的方法改进加工工艺减少CPU线宽改进硅材料采用铜线技术改进工作环境降低工作温度,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（24）,6.电气参数工作电压,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（25）,6.电气参数功率,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（26）,7.处理器规格内核最高主频总线结构指令集数据总线宽度最大寻址空间片内外设中断定时器通信单元数据控制,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概况（27）,7.处理器规格片内资源RAMROM片外封装电压功耗I/O数据总线地址总线,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概述（28）,8.主要厂商及产品Intel X86，MSC51，XscaleAMD X86 Compatible，K6VIA-X86 CompatibleTi DSP（TMS320CXXX）ADI-DSP（ADSP，Blackfin)Atmel(AVR)RENESAS(SHXX),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概述（29）,8.主要厂商及产品Motorola(Freescale)MC6800,PowerPCIBM-PowerPC 970(64bits)HP PA（DEC MIPS）ZIGLOG（Z80，rabbits4000）SUN-UltraSPARCARM ARM V3-6中科院计算所-Godson（龙芯）北大微处理器中心 众志,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-处理器概述（30）,9.如何使用处理器手册？Datasheet指令集介绍使用手册参考设计,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,了解处理器的必要性微处理器概况处理器工作过程嵌入式微处理介绍小结,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（1）,处理器的基本结构？,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（1）,1.CPU数字部件ALU加法器减法器比较器逻辑运算单元寄存器D锁存器寄存器移位寄存器RAM乘法器,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（2）,1.CPU数字部件数字部件示意图,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（3）,1.CPU数字部件（续）加法器全加器,多位加法如何实现？,如何用加法器实现减运算？,X-Y=X+Y的补码Y的补码=not Y+1,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（4）,1.CPU数字部件（续）乘法器计算方法（2 X2)计算过程 乘法器结构,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（5）,1.CPU数字部件（续）D锁存器,D触发器的驱动方程？,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（6）,1.CPU数字部件（续）寄存器,如何访问寄存器中的数据？,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（7）,1.CPU数字部件（续）移位寄存器,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（8）,1.CPU数字部件（续）SRAM,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（9）,2.计算机的基本模型,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（10）,3.CPU工作过程（续）CPU程序执行过程,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（11）,3.CPU工作过程（续）CPU指令执行过程取指（IF）-译码（ID）-执行（IE）-写回（WB）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（12）,3.CPU工作过程（续）CPU中一条指令执行过程（续）取指令（IF),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（13）,3.CPU工作过程（续）CPU中一条指令执行过程（续）指令译码（ID),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（14）,3.CPU工作过程（续）CPU中一条指令执行过程（续）指令执行（IE),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 工作过程（15）,3.CPU工作过程（续）CPU中一条指令执行过程（续）写回（WB),所有指令执行时都有wb吗？,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,了解处理器的必要性微处理器概况微处理器工作过程嵌入式微处理介绍小结,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入式微处理器（1）,1.典型的嵌入式系统,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入式微处理器（2）,2.嵌入式微处理器？用与嵌入式系统的处理器！CPU,MCU（单片机）DSP SOC,嵌入式系统微处理器（狭义）,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-嵌入式微处理器（3）,3.嵌入式系统微处理器的发展第一个嵌入式处理器：TMS1000TI 公司4位ROM：1024字节RAM:64 X 4 bitsInput:4bitsOutput:19位成功8位嵌入式处理器 8048-8051Intel 公司RAM:512K三个 16位计数24M Hz32个 可编程 I/O,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-嵌入式微处理器（4）,3.嵌入式系统微处理器的发展位宽4位 TMS1000,COPS 计算器、遥控器、玩具 8位 8048,Z8马达控制、电话录音16位 8096,68200 手机、mp3.32 位 ARM,MIPS32 Core 掌上电脑、PDA64位 MIPS 64 Core 多媒体,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-嵌入式微处理器（5）,3.嵌入式系统微处理器的发展复杂度CPU-MCU(单片机）(8086)(8096)MCU-SoC(c51)(Xscale)Single Core-Multi Core(C55)(OMAP),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论-嵌入式微处理器（6）,3.嵌入式系统微处理器的发展发行方式CPU 器件 传统处理器 IP Core ARM,MIPS,NIOS 可定制IP Core Xtensa(Tensilica),2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（7）,4.特点速度快I/O功能强功率低稳定性好实时性好体积小,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（8）,设想一下，普通手机电池能够维持P4工作多长时间？,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（9）,5.主要的嵌入式微处理器MCU（传统单片机）优点应用广开发资源丰富使用方便成本低缺点性能低,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（10）,5.主要的嵌入式微处理器X86(EIA)优点软件移植方便，开发快捷软件资源多功能强大缺点体积大功耗高实时性差,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（11）,5.主要的嵌入式微处理器（续）DSP优点速度快信号处理能力强缺点IO能力弱开发平台使用不方便,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（12）,5.主要的嵌入式微处理器（续）SoC优点功能全面系统设计方便系统体积小功耗低缺点可裁减性差,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（13）,6.ARM（Advanced RISC Machine)ARM是什么？嵌入式RISC处理器核。为什么ARM被广泛应用？简单便于和各种不同系统结合成熟被广泛掌握低成本利于市场推广,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（14）,6.ARM（Advanced RISC Machine)（续）发展历史第一个ARM原型，英国剑桥Acorn公司。基于ARM的台式机产品，20世纪80年代后期。成立Advanced RISC Machine Limited,199020世纪90年代，ARM 32bit嵌入式RISC处理器扩展到世界范围。提供的解决方案无线、消费电子和图像应用方面的开放平台。存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统。智能卡和SIM卡的安全应用。,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（15）,6.ARM（Advanced RISC Machine)（续）ARM的版本V1,V2,V3,V4(ARM 7，8，9),V5(ARM 10),V6(ARM 11)名称含义T:内含16位压缩指令集 ThumbD:支持片内Debug调试M:采用增强型乘法器（Multiplier)I:内含嵌入式ICE宏单元E:具有DSP功能S:可综合的软核SoftwareJ:Jazeller,允许直接执行Java字节码,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（16）,6.ARM（Advanced RISC Machine)（续）ARM处理器系列特点V1基本数据处理（无乘法）字节、半字和字的Load/Store指令转移指令，软件中断指令寻址空间：64MBV2乘法和乘加指令支持协处理器操作指令快速中断模式存储器和寄存器交换指令V3增加程序状态寄存器和程序状态保存寄存器异常处理寻址空间:4GB,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（17）,6.ARM（Advanced RISC Machine)（续）ARM处理器系列特点（续）V4-目前应用最为广泛增加了16位Thumb指令集完善了软件中断SWI的功能处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作V5带有连接和交换的转移BLX指令计数前导零CLZ指令增加了数字信号处理指令为协处理器提供更多可选择的指令V6THUMBTM:35%代码压缩DSP扩充：高性能定点DSP功能JazelleTM:Java性能优化，可提高8倍Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（18）,6.ARM（Advanced RISC Machine)(续）生产ARM的厂商及产品ATMELAT91 系列MCU(ARM7TDMI)SamsungS3C系列PDA用MCU(ARM7TDMI)IntelSA-1110(strong ARM),Xscale(V5TE)OKIML67000系列MCUTIOMAP ARM7+TMS5510Sharp公司LH77790手持式产品中的MPUPhilipsVWS22100 GSM ProcessorHyundaiHMS31C2816 Flash Card Controller,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（19）,7.为什么选择ARM作为目标Semiconductor Dis-aggregation,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（20）,7.为什么选择ARM作为目标ARM 最大的IP提供商,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（21）,7.为什么选择ARM作为目标应用广泛,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（22）,7.为什么选择ARM作为目标发展迅速,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（23）,7.为什么选择ARM作为目标资源多,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（24）,7.为什么选择ARM作为目标国内首选,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 嵌入微处理器（25）,7.如何为嵌入式系统选择处理器原则：满足系统的最大需求考虑因素器件速度外围接口片内资源开发难易程度体积功耗价格,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论,了解处理器的必要性微处理器概况微处理器工作过程嵌入式微处理介绍小结,2008.10,北京大学软件与微电子学院,概论 小结,学习和应用嵌入式系统必须掌握处理器的相关知识。CPU的指令执行过程可以分为四个步骤。RISC和CSIC各有其优缺点。CPU有一些基本的数据部件组成。嵌入式处理器有其自身的特点。ARM时目前应用最为广泛的嵌入式处理器之一。,2008.10,北京大学软件与微电子学院,作业,选择（详细）介绍一款微处理器芯片：（结合所确定的综合项目）特点性能体系结构总线封装应用领域本月10日前提交到助教（DOC），12日课堂报告（PPT）（挑选6种）,
