– 连续执行的执行功耗取决于其引起的逻辑变 化量
– 指令编码的海明距离，控制信号的海明距 离，
– 执行情况等，编译技术，OS，嵌入式应用
回顾之总线
总线
z 总线是什么？
– 总线就是各种信号线的集合，是 计算机各部件之间以及计算机之 间传送数据、地址和控制信息的 公共通路。
计算机各级总线示意图
CPU
z 当信号传输距离达到10Km 时，CAN 仍 可提供高达50Kbit/s 的数据传输速率。
总线＝网络？
z 总线技术与网络技术逐渐融合
– iSCSI – Infiniband – Blade Server – PICMG 3.0
回顾之操作系统
大内核模式Байду номын сангаас
用户级 内核级
应用程序 文件系统 内部进程通信 I/O设备管理 虚存管理 进程管理
z 优点
– 体积小 – 功耗低 – 成本低 – 可靠性高
SOC
z SOC (System On Chip) z 除个别无法集成的器件以外，整个嵌入
式系统大部分均可集成到一块或几块芯 片中。
– Motorola 的M-Core，某些ARM 系列器件， Echelon 和Motorola 联合研制的Neuron 芯片
z PCI 有32 位和64 位两种，
I2C
z PHILIPS 开发了一种用于内部IC 控制的 简单的双向两线串行总线I2C(inter IC 总 线)。负责IC相互之间以及与外界的通信
z 早期模式
– 100Kbits/s，7 位寻址
z 快速模式
– 400Kbits/s，10 位寻址
z 高速模式
– 3.4Mbits/s。
专用处理器
单板计算机
z 单板计算机(Microcontroller Unit, MCU)
z 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安 装在一块电路板上，称为单板计算机。
– STD-BUS、PC104等。 – 芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻
辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽 调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM、EEPROM 等 各种必要功能模块。
指令集之并行指令集
z EPIC(Explicitly Parallel Instruction Computing，显式并行指令计算)
z 使用ILP使编译器在程序运行前便能找出 其并行性，安排好指令执行的顺序。
z 分支推断 z 风险装载 z 更加聪明的编译器
指令集之超长指令集
z 超长指令字（VLIW）处理器 z 多发射机制 z 编译调度
Memory
PCI Interface
USB Interface
South Bridge
IDE Interface
System BIOS
ISA Interface
Super IO Port
硬件架构-嵌入式系统
Host Computer
ADC
CPU
SPI
Digital I/O ROM
IIC
UART
RAM
z 专用： DSP、IXP、IOP等
z 指令集
z RISC z CISC：DSP z EPIC z VLIW
处理器技术
z 处理器可以根据用户遇到的问题进行定制
期望功能
total = 0 for i = 1 to N loop
total += M[i] end loop
通用处理器
面向特定应用 的处理器
片内总线
z 位于处理器内部，用于ALU以及各种寄 存器等功能单元之间的相互链接
局部总线
z 在单板计算机、CPU卡等插件板上的板 上总线，用于芯片一极的链接。
z 一般是CPU芯片引脚的延伸，与CPU关 系密切。
系统总线
z 计算机系统各插件板之间的连接总线。 z ISA z EISA z VESA z PCI z Compact PCI
z I2C总线 z I2S总线 z SPI总线 z SCI总线
内部总线
外部总线
z 用于系统之间的连接，包括计算机系统 之间、计算机系统与外部设备之间的连 接。
z RS-232-C总线 z RS-485总线 z IEEE-488总线 z USB总线 z VXI总线 z IEEE1934
现场总线
z 基金会现场总线FF z ProfiBus z WorldFIP z ControlNet/DeviveNet z 控制局域网络CAN
硬件
微内核模式
用户级 内核级
客设文进其 户备件程他 进驱服服管 程动务务理
微内核 硬件
微内核
z Mach 首先使用微内核结构
z 通过划分系统程序和用户程序，把所有 不必要的部件移出内核，形成一个小内 核
嵌入式系统设计
说明
z 桌面计算机范围
– PC – Laptop – Mainframe – Server
回顾
体系结构之冯诺依曼结构
输入
存储器 运算器
控制器
数据线路 控制信号
输出
体系结构之哈佛结构
输入
程序存储器 运算器 控制器
数据存储器
数据线路 控制信号
输出
计算机系统层次
第1级 微程序级 第2级 物理机器级 第3级 操作系统级 第4级 汇编语言级 第5级 高级语言级
SPI
z 串行外围设备接口SPI（serial peripheral interface）总线技术是Motorola 公司推出 的一种同步串行接口。
PC104 总线
z 1992 年IEEE制定了PC104 ，叫做IEEE P996.1 兼容PC 嵌入式模块标准。
z PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的 工业控制总线。
Timers
Bus Interface
Memory
Network Interface
I/O
桌面机主板
嵌入式系统主板
回顾之处理器
处理器分类（1）
z 指令长度
z4 z8 z 16 z 32 z 64
z 集成度
z 微处理器 z 单片机 z SOC
处理器分类（2）
z 用途
z 通用： X86、AMD、Cyrix、ARM、 MIPS、PowerPC等
IR
PC
Program memory
Assembly code for:
total = 0 for i =1 to …
Datapath Registers
Custom ALU
Data memory
指令集之复杂指令集
z CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
register
IR
PC
Program memory
Assembly code for:
total = 0 for i =1 to …
Datapath Register file General ALU
Data memory
奔腾 II、III 处理器结构
微处理器（专用处理器）
z 用来执行单一特定程序
简单嵌入式系统
桌面系统层次示例
应用程序 操作系统
固件 硬件
FTP 服务器 Window XP Award BIOS
华硕主板
嵌入式系统层次示例
应用程序 操作系统
固件 硬件
Application uClinux EIS-BIOS
UC-EIS-LAB
硬件架构-桌面系统
CPU
AGP Slot
North Bridge
z PC104 有两个版本，8 位和16 位，分别 与PC 和PC/AT 相对应。
z PC104PLUS 则与PCI总线相对应，
CAN
z CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是国际上 应用最广泛的现场总线之一。
z CAN 是一种多主方式的串行通讯总线， 基本设计规范要求有高的位速率，高抗 电磁干扰性，而且能够检测出产生的任 何错误。
总线分类（从功能角度）
z 地址总线
– 传送地址的信号线。 – 地址线的数目决定了寻址范围，2地址线数目就
是寻址的范围。
z 数据总线
– 传递数据和代码的信号线。 – 地址线的数目决定了同时传送的数据位数。
z 控制总线
– 传递控制信号的总线，用来实现命令、状态 传递、中断、直接存储器存取的控制，以及 提供系统使用的时钟和复位信号等。
z Intel 公司，IEEE 和EISA 集团联合开发 了与IBM/AT 原装机总线意义相近的ISA 总线，即8/16 位的“工业标准结构”(ISAIndustry Standard Architecture)总线。
PCI
z 1991 年下半年，Intel 公司首先提出了 PCI 的概念，并联合IBM、Compaq、 AST、HP、DEC 等100 多家公司成立了 PCI 集团，其英文全称为：Peripheral Component Interconnect Special Interest Group(外围部件互连专业组)，简称 PCISIG。
指令系统与处理器结构的关系
z 指令系统设计：
– 决定于应用、性能、代码密度和方言的要求。 – 包括符号指令设计和编码设计。
z 指令的类型：
– 寻址方式：指令系统的重要特点。
z 与数据通路相关。
– 传输类指令：实现处理器内部存储之间以及与外部 存储之间的数据传送。
z 与数据通路相关
– 运算类指令：实现指令描述的功能。
总线分类（从功能角度）
z 电源和地线
– 决定了总线使用的电源种类以及地线分布和 用法。