嵌入式系统设计
说明z桌面计算机范围
–PC
–Laptop
–Mainframe
–Server
回顾
计算机系统层次
提供与计算机结构无
关的程序设计语言
虚拟机高级语言级
第5级
为程序员提供一种符
号形式语言
虚拟机汇编语言级第4级为系统的操作和程序
设计提供平台
虚拟机操作系统级第3级执行机器指令，完成
相应的功能
硬件级物理机器级第2级执行一系列微指令，
解释执行机器指令硬件级微程序级第1级
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
z16
z32
z64
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
z专用：DSP、IXP、IOP等
z指令集
z RISC
z CISC：DSP
z EPIC
z VLIW
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。
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特点
–体积小
–功耗低
–可靠性高
微处理器（通用处理器）z可以使用那些可编程设备
–X86、PowerPC，AMD
z特点
–内存可编程（Program memory）
–通用的数据地址寄存器
–通用的ALU
z优点
–开发迅速
–低成本
–高灵活性
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
–图形加速器、TCP卸载器、DSP
z特点
–构造简单，仅包含执行单一特定程序所需的部件
–没有编程内存（program memory）
z优点
–速度快
–低功耗
–尺寸小
面向特定应用的处理器
z面向特定应用的优化的可编程处理器具有一般的特征。
–IOP、IXP
z特点
–可编程内存
–数据路径优化
–特殊功能单元
z优点
–一定的灵活性
–高性能
指令集之复杂指令集
z CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
z具有大量的指令和寻址方式
z8/2原则：80%的程序只使用20%的指令
z大多数程序只使用少量的指令就能够运行。
指令集之精简指令集
z RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)
z在通道中只包含最有用的指令
z确保数据通道快速执行每一条指令
z使CPU硬件结构设计变得更为简单
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
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。
z与ALU和其它运算部件相关
–系统类指令：完成对系统资源的访问。
z与操作系统的支持有关。
指令系统与处理器结构的关系z指令的编码：相关因素：代码密度，功耗，译码器
–垂直编码有利于译码器简化，但使用效率低–非垂直编码译码复杂，使用效率高。
–常常采用二者折衷方案。
ARM
z指令编码与功耗：
–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。
总线的主要参数
z总线的带宽
–总线的带宽指的是一定时间内总线上可传送的数据
量，即最大稳态数据传输率MB /S。
z总线的位宽
–总线的位宽指的是总线能同时传送的数据位数
–常见的总线位宽32 位、64 位等总线宽度。
总线的
位宽越宽则总线每秒数据传输率越大，也即总线带
宽越宽。
z总线的工作时钟频率
–总线的工作时钟频率以MHz 为单位，工作频率越高则总线工作速度越快，也即总线带宽越宽。
总线带宽
z总线带宽＝工作时钟频率×位宽
z 总线类型
–片内总线
–局部总线
–系统总线
–内部总线
–外部总线
–现场总线
总线分类（从接口角度）
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
内部总线z I2C总线
z I2S总线
z SPI总线
z SCI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
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。
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。
z备用线
–作为功能扩充和用户的特殊要求使用。
ISA
z IBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。
z1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机
PC/AT，其总线称为AT 总线。
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”(ISA-Industry Standard Architecture)总线。
PCI
z1991 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。
z PCI 有32 位和64 位两种，。