1、2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系1嵌入式系統設計原理專業：醫學信息與計算機2006級四年制本科主講：李偉鵬單位：生物醫學工程學院電子技術系電話：48284址：LWPFIMMU.COM時間：2009.09.07-2009.11.13南方醫科大學2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系2第一講 第1章嵌入式系統概述2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系3第一章 嵌入式系統概述n本講主要內容:n嵌入式系統的定義n嵌入式系統的基本組成n嵌入式系統的特點n嵌入式系統的主要應用領域n嵌入式系統的發展趨勢n嵌入式系統的設計概述nARM嵌

2、入式微處理器概述2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系4第1節 嵌入式系統的定義2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系5第1章 嵌入式系統概述1.1嵌入式系統的定義n第一種定義：嵌入式系統是以應用為中心、計算機技術為基礎，軟、硬件可裁剪，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。n第二種定義：把基于處理器（通用處理器和嵌入式處理器）的設備稱為計算機，把計算機分成兩大部分，即通用計算機和嵌入式計算機 。n這兩個定義都十分明確地表述嵌入式系統屬于一種專用計算機應用系統。n 嵌入式系統-嵌入式計算機，即非通用計算機系統。2022年3月20日星期

3、日生物醫學工程學院電子技術系61.1嵌入式系統的定義n嵌入式系統可應用于所有電器：個人數字助理（PDA）、手機、機頂盒、汽車控制系統、微波爐控制器、電梯控制器、安全系統、自動售貨機控制器、醫療儀器、立體音響、自動取款機等。n嵌入式系統是面向用戶、面向產品、面向應用的、它寄生于應用領域，與應用市場一起發展，因此，大多數嵌入式系統的開發者往往不是計算機專業的人才，而是各個行業的技術人員，例如開發數字醫療設備，往往是生物醫學工程技術人員和計算機專業的技術人員一起來參與完成。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系7第2節 嵌入式系統的基本組成2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子

4、技術系81.2嵌入式系統的基本組成n嵌入式系統由硬件、軟件和開發系統組成n硬件結構圖電源晶振電路復位電路SRAMCPUDRAMFlashADC/DACUSBRS-232IrDALCDKeyboardCPU和外圍電路外部電路2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系91.2嵌入式系統的基本組成2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系101.2嵌入式系統的基本組成1.嵌入式系統的硬件n嵌入式核心芯片：nEMPU-嵌入式微處理器nEMCU-嵌入式微控制器nEDSP-嵌入式數字信號處理器nESoC-嵌入式片上系統nEPSoC-嵌入式可編程片上系統n存儲器系統n程序存儲器（ROM,

5、EPROM,Flash）n數據存儲器（隨機存儲器）n參數存儲器（EEPROM）nNVRAMn外部接口n一般嵌入式處理器上已集成了接口，但是外設需要外接。例如大多數的嵌入式通信控制器集成了以太網接口，但是收發器需要外部電路。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系111.2嵌入式系統的基本組成2.嵌入式系統的軟件n分為兩大部分，4個層次。n嵌入式操作系統：VRTX、pSOS、VxWorks、Windows CE、EPOC、Linux、PALM、OS9、Java CHORUS OS、QNX、NAVIOn應用軟件:為不同應用而編寫的軟件。n4個層次：n設備驅動接口（DDI，Device

6、Driver Interface）-負責嵌入式系統與外部設備的信息交互；n實時操作系統（RTOS，Real Time Operation system）n基本模塊：是操作系統的核心，負責整個系統的任務高度，存儲分配、時鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面（GUI，Graphics User Interface）等基本服務。n擴展模塊：提供操作的擴展功能，包括網絡、數據庫等。n可編程應用接口（API，Application Programmable Interface） 也稱為編程中間件、應用中間軟件，是為編制應用程序提供的各種編程接口庫。n應用軟件-針對不同就用而由開發者自己編寫的軟件。2

7、022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系121.2嵌入式系統的基本組成2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系131.2嵌入式系統的基本組成3.嵌入式系統的開發工具和開發系統n開發工具：獨立于嵌入式系統產品之外，用于開發主機，包括語言編譯、連接定位器、調試器-構成開發系統和開發工具。n開發語言：C語言，嵌入式C+，Java，匯編語言。n匯編語言使用場合：n開發小系統時，可有效地減少代碼存儲空間；n用于系統的初始化和與硬件有關的代碼；n對于時間要求苛刻的應用，例如基于DSP數據處理的嵌入式系統。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系14第3節 嵌入式系統的特點

8、2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系151.3 嵌入式系統的特點n嵌入式系統的主要特點n通常含有面向特定應用的嵌入式CPU。n是計算機技術、半導體技術和電子技術與各行業的具體應用相結合的產物。n其硬件和軟件的設計效率要高。n與具體應用緊密結合，其升級換代也與具體產品同步進行，因此生命周期較長。n其軟件均固化在存儲芯片或單片機中，因此，速度和可靠性較高。n不具備獨立開發能力，必須借助外部開發工具或系統進行設計，因此用戶不能對其中的程序功能進行修改。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系161.3 嵌入式系統的特點n嵌入式處理器n嵌入式處理器分為三類：n微處理器，MP

9、U。與通用計算機的CPU相對應的微處理器。n微控制器，MCU。它將CPU、存儲器和其他外設封裝在同一集成電路里，也稱為單片機。n數據信號處理器，DSP。專門用于對離散時間信號進行極快的處理計算，提高編譯效率和執行速度。n微內核結構n大多數嵌入式操作系統采用了微內核結構，內核只提供基本功能，如：任務調度、任務間的通信與同步、內存管理、時鐘管理等。其他應用組件，如：網絡功能、文件管理、GUI系統等均工作在用戶態，以系統進程或函數調用的方式工作。應用組件是可剪裁的。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系171.3 嵌入式系統的特點n任務調度n在嵌入式系統中，任務即進程或線程。大多數嵌入

10、式操作系統支持多任務。任務調度有三種方式：n可搶占式n不可搶占式n時間片輪轉n硬實時系統和軟實時系統n軟實時系統并不要求限定某一任務必須在一定的時間內完成，只要求各任務運行得越快越好。n硬實時系統對響應時間有嚴格的要求，一旦系統響應不能滿足，可能引起系統崩潰或致命的錯誤。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系181.3 嵌入式系統的特點n內存管理n針對有MMU處理器而設計的操作系統，能與硬件配合采用虛擬存儲器的概念。虛擬內存地址被送到MMU，MMU將它映射為物理地址。物理地址是分頁的，采用分頁加載進程，操作系統將當前要運行的部分頁裝入內存運行。n大多數操作系統針對沒有MMU的處理

11、器設計，不使用虛擬內存管理技術，而是采用實存儲器管理策略。對內存的訪問是直接的，直接送到地址線上輸出，即使用的地址是實際的物理地址。操作系統對內存空間沒有保護，程序運行前需要分配好內存空間。n內核加載方式n嵌入式操作系統內核可在Flash直接運行，也可加載到內存運行。n嵌入式操作系統對用戶程序一般采用靜態鏈接的形式。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系191.3 嵌入式系統的特點n嵌入式系統的核心是微處理器，而嵌入式微處理器具備以下四個特點：n具備實時多任務處理能力；n具有存儲區保護功能；n可擴展的處理器結構；n功耗很低。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系20

12、第4節 嵌入式系統的主要應用領域2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系211.4 嵌入式系統的主要應用領域n家庭信息化網絡n網絡瀏覽、視頻點播、文字處理、電子郵件、個人事務管理。n機頂盒、掌上電腦、DVD、MP3、數碼相機、數字電視、WebTV、網絡冰箱、網絡空調、家庭網關、智能家用電器、嵌入式視頻服務器、車載導航器系統等n移動計算設備n手機、PDA、掌上電腦。n網絡設備n路由器、交換機、網絡服務器、網絡接入點。n工業控制、仿真、醫療儀器n這些領域對嵌入式系統的需求在不斷增長，同時也對嵌入式微處理器的運算速度、可擴充能力、系統可靠性、功耗和集成度方面提出更高的要求。n同時，Jav

13、a技術的發展，對開發相關無線通信軟件起到推動作用。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系221.4 嵌入式系統的主要應用領域2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系231.4 嵌入式系統的主要應用領域n嵌入式視頻服務器的架構2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系241.4 嵌入式系統的主要應用領域n現代化家庭2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系251.4 嵌入式系統的主要應用領域n中國數字電視發展規劃n20022002年完成地面廣播傳輸標準的測試；年完成地面廣播傳輸標準的測試；n20022002年底頒布國家數字電視有線傳輸標準；年底頒布國

14、家數字電視有線傳輸標準；n20032003年底前頒布國家數字電視地面廣播標準和年底前頒布國家數字電視地面廣播標準和相關配套標準，確定數字電視標準體系；相關配套標準，確定數字電視標準體系；n20052005年在有條件的城市推廣數字電視播出；年在有條件的城市推廣數字電視播出；n20082008年的北京奧運會上向全世界傳輸數字高清年的北京奧運會上向全世界傳輸數字高清晰度電視節目，主要的大城市開始數字電視商晰度電視節目，主要的大城市開始數字電視商業廣播；業廣播；n20152015年數字電視成為我國電視播出的主要方式。年數字電視成為我國電視播出的主要方式。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技

15、術系261.4 嵌入式系統的主要應用領域n通信市場通信市場n電話交換系統n電纜系統n衛星和全球定位系統（L3D）n數據交換設備n移動電話nPDA2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系271.4 嵌入式系統的主要應用領域n通信市場通信市場n智能網絡電話機n通過普通電話線與網絡相連。n寬帶網絡電話機n通過寬帶接入Internet。n目前IP電話發展現狀n據統計，全球電話業務收入綜合年增長率將以的速度增長，到年電話已占國際電話業務量的三分之一。到年，國際長途將占業務市場的。電話已成為當前各國電話運營重點發展的業務之一。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系281.4 嵌入

16、式系統的主要應用領域n工業市場工業市場n制造工廠污水處理系統n發電站和電力傳輸系統n自動化工廠控制系統開發，維護和測試的工具n石油提煉和相關的貯運設施，建筑設備n計算機輔助制造系統n能源控制系統，核電站n機器人系統等n商業和金融市場商業和金融市場n自動柜員機n信用卡系統n售貨端系統n安全系統2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系291.4 嵌入式系統的主要應用領域n辦公市場辦公市場n電話系統n傳真系統n復印機n計時系統n照相機和攝象機n運輸市場運輸市場n航空、鐵路、公路運輸系統n航空管理、雷達系統n交通指揮系統n停車系統、售票系統n乘客信息系統n檢票系統n行李處理系統n應急設備等

17、2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系301.4 嵌入式系統的主要應用領域n建筑市場建筑市場 電力供應，備用電源和發電機，火警控制系統，供熱和通風系統，電梯和升降系統，車庫管理，安保系統，電子門鎖系統，樓宇管理系統，閉路電視系統，電子保險柜，警鈴等n醫療市場醫療市場n心臟除顫器n心臟起搏器n患者信息和監視系統n理療控制系統n電磁成像系統n便攜式生理參數記錄儀2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系311.4 嵌入式系統的主要應用領域n醫療影像網絡醫療影像網絡PACSPACSn主要功能：n醫學影像的采集和數字化n圖像的存儲和管理n醫學圖像的高速傳輸n圖像的數字化處理和重

18、現n圖像信息與其他信息nPACSPACS子系統子系統n影像實時采集子系統 n影像分析處理子系統 n影像的查詢、管理和存儲子系統 n圖文編輯及打印子系統 n數字圖像回寫子系統 n遠程會診子系統 n系統管理子系統2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系321.4 嵌入式系統的主要應用領域n醫療影像網絡醫療影像網絡PACSPACS2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系331.4 嵌入式系統的主要應用領域n軍事領域軍事領域n軍事工業應用特點n市場壟斷性強n高利潤n可靠性要求高n安全性要求高n成本要求不高n軍事工業產品n數字化單兵信息裝備n夜視掃描、全球定位、指揮通信21世紀部

19、隊旅及旅以下作戰指揮系統（FBCB2）C4ISR系統(指揮、控制、通訊、電腦、情報、監視、偵察)2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系341.4 嵌入式系統的主要應用領域n軍事領域的特殊要求軍事領域的特殊要求n尺寸和重量:n在軍事和航天環境中，空間是非常珍貴的。對用于航天器或航空器上的計算機系統的尺寸大小要求是苛刻的。重量是在航空器或飛機上采用的另一個重要因素，但在工業上應用并不重要。n功率消耗:n電池壽命自然是設計運動或可攜帶軍事系統和空間設備的關鍵問題。因為發熱與功耗成正比，降低功耗就成了對工作在較高溫度環境中的系統的重要要求。 n震動和沖擊:n軍事和空間系統要適合在惡劣運動

20、環境中工作和貯存。這些環境包括：大范圍或小范圍的重復運動；芯片、模塊和模板可能部分或全部變位或斷線；由于震動而加重的電化學反應引起的腐蝕，使模板互連金手指管腳的導電性能變差；由于使用硬盤驅動器致使數據的完整性成為難題等。 n溫度和濕度:n大多數軍事和空間系統是工作在溫度和濕度環境相對不可控的條件下。用于軍事和空間產品的電子產品的可靠工作范圍必須在-40+85。 2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系351.4 嵌入式系統的主要應用領域n軍事領域軍事領域2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系361.4 嵌入式系統的主要應用領域n軍事領域軍事領域n21世紀部隊旅及旅以下

21、作戰指揮系統（FBCB2） 作為美國陸軍戰斗指揮系統的一部分，FBCB2應用軟件將在Applique+ V4型計算機上運行，構成旅及旅以下級別陸軍的數字化戰斗指揮信息系統。FBCB2系統將向作戰的士兵和指揮官、戰斗支援部隊以及戰斗服務支援部隊提供在行進中、近實時的事態感知以及指揮和控制信息，使他們在屏幕上就能分辨出友方部隊和敵方部隊。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系371.4 嵌入式系統的主要應用領域n軍事領域軍事領域n關于中國C4ISR系統的消息n消息來源聲稱這一系統的研制已經進行多年，有關的分系統目前已經部分進入中國軍隊服役。戰區級別的C3I系統預計若干年之內全面建成。

22、n規劃之中的國家級C4ISR系統包括2個以上的海岸指揮作戰中心下設若干海岸雷達,海岸火炮,聲納分系統并使用數據鏈同國家宇宙作戰中心相連接。國家宇宙指揮作戰中心又通過衛星同聯合作戰指揮中心,防空作戰中心、陸軍作戰指揮中心等分系統銜接.整個大系統還包括兩個以上的電子作戰指揮中心。每個下設電子對抗,電子作戰飛機,電子偵察,電子支援分中心。它又透過國家宇宙作戰中心同防空指揮中心等銜接.在電子作戰指揮中心之外,還設有一個雷達信息處理系統。下設電子偵察,防空雷達等分系統,并與戰術防空系統聯網。戰術防空系統包括地對空導彈部隊,防空雷達,國土防空戰斗機等分系統。戰術防空系統又通過宇宙作戰中心同防空作戰中心聯網

23、。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系38第5節 嵌入式系統的發展趨勢 2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系391.5嵌入式系統的發展趨勢 n嵌入式應用軟件的開發需要強大的開發工具和操作系統的支持n面對嵌入式系統應用領域的不斷擴大，功能要求更加多樣化和強大，將推動開發工具和操作系統的進一步支持。n連網成為必然趨勢n為適應嵌入式分布處理結構和上網應用需求，要求嵌入式系統配備有網絡通信接口。n支持小型電子設備實現小尺寸、微功耗和低成本n為了適應這些需求，要求嵌入式系統芯片設計和軟件設計更加簡化、采用更加先進的嵌入式設計技術。n提供精巧的多媒體人機界面n嵌入式設備之所

24、以得到用戶的接受，是因為它們已初步具備臺式計算機的多媒體人機界面的交互能力，但達到臺式計算機的功能還需要進一步的努力。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系401.5嵌入式系統的發展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系411.5嵌入式系統的發展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系421.5嵌入式系統的發展趨勢 n芯片的高集成度2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系431.5嵌入式系統的發展趨勢 n硬件發展的潛力2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系441.5嵌入式系統的發展趨勢

25、 n設計能力推動工藝的改進2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系451.5嵌入式系統的發展趨勢 n基于集成電路核的SOC設計2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系461.5嵌入式系統的發展趨勢 n軟硬件協同設計2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系47第6節 嵌入式系統設計概述2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系481.6嵌入式系統設計概述n嵌入式系統硬件主流n32,64位微處理器是目前嵌入式系統的核心n主要硬件廠商包括Intel，Motorola，Philip，AMD等n每個月都有新產品出現n嵌入式計算機內核分類n嵌入式微處理器(Em

26、bedded Microprocessor Unit, EMPU) n嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU) n嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) n嵌入式片上系統(System On Chip)2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系491.6嵌入式系統設計概述n嵌入式微處理器嵌入式微處理器(EMPU)(EMPU)n通用計算機中的CPUn專門設計的電路板 n只保留和嵌入式應用有關的母板功能 n增強工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面n功能與和工業控制計算機相似n嵌入式處理器目前主要有Am

27、186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系501.6嵌入式系統設計概述n嵌入式微控制器嵌入式微控制器(EMCU)(EMCU)n又稱單片機 n以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設n微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。n代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS

28、-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。n另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統約70的市場份額。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系511.6嵌入式系統設計概述n嵌入式嵌入式DSPDSP處理器處理器(EDSP)(EDSP)nDSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。n在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領

29、域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。n有代表性的產品是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。nTMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。nDSP56000目前已經發展成為DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系521.6嵌入式系統設計概述n嵌入式片上系統嵌入式片上系統(SOC)(SOC) n在一個硅片上實

30、現一個復雜的系統 n整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去n應用系統電路板將變得很簡潔 nSOC可以分為通用和專用兩類。n通用系列包括Infineon (Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。n專用SOC一般專用于某個或某類系統中。有代表性的產品是Philips的Smart XA2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系531.6嵌入式系統設計概述n嵌入式外圍設備嵌入式外圍設備n嵌入式外圍設備是指在嵌入式硬件系統中，除了嵌入式處理器之外的完成存儲、通信、保護、調試、

31、現實等輔助功能的其他部件。n根據外圍設備的功能可分為以下3類：n存儲器類型：靜態易失型存儲器(RAM/SRAM)，動態存儲器(DRAM)，非易失型存儲器(ROM、EPROM、EEPROM、FLASH)。其中，FLASH(閃存)以可擦寫次數多，存儲速度快，容量大及價格便宜等有點在嵌入式領域得到廣泛的應用。n接口類型：目前存在的所有接口在嵌入式系統中都有其廣泛的應用，但是以下幾種接口的應用最為廣泛，包括RS-232接口(串口)、IrDA(紅外)、SPI(串行設備接口)、I2C、USB、Ethernet和普通并口。n顯示類型：CRT、LCD和觸摸屏等外圍顯示設備。2022年3月20日星期日生物醫學工

32、程學院電子技術系541.6嵌入式系統設計概述n嵌入式操作系統主流軟件nVxWorks 是目前嵌入式系統領域中使用最廣泛、市場占有率最高的系統。nOS-9是主要為高科技產品設計的，提高了很好的安全和容錯性，并且有很好的升級能力和靈活性。nPalm OS，是Palm公司的操作系統，和微軟的Windows CE是PDA操作系統的兩大巨頭。n嵌入式系統軟件嵌入式系統軟件n嵌入式系統設計語言嵌入式系統設計語言 n嵌入式操作系統 n嵌入式系統開發環境n實時在線仿真系統實時在線仿真系統ICEICEn高級語言編譯器高級語言編譯器n源程序模擬器源程序模擬器2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系55

33、1.6嵌入式系統設計概述n嵌入式實時操作系統n實時系統(Real Time System) 一個能夠在指定或者確定的時間內完成系統功能及對外部或內部事件在同步或異步時間內做出響應的系統，在邏輯或時序控制中如果出現偏差將會引起嚴重后果。n當今的實時系統，大多數是嵌入式系統。n有兩種類型的實時系統：n軟實時系統并不要求限定某一任務必須在一定的時間內完成，只要求各任務運行得越快越好n硬實時系統對系統響應時間有嚴格要求，一旦系統響應時間不能滿足，就可能會引起系統崩潰或致命的錯誤，一般在工業控制中應用較多。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系56第7節 ARM微處理器概述 2022年3月

34、20日星期日生物醫學工程學院電子技術系571.7ARM微處理器概述 1.7.1 ARM微處理器的特點及其應用nARM：Advanced RISC Machines；n一個公司；n一類微處理器；n一種技術n采用知識產權的微處理器，通稱為微處理器。nARM微處理器采用RISC體系結構，具有下列特點：n支持Thumb(16位)/ARM（32位）雙指令集；n使用大量寄存器，數據操作大多數在寄存器中完成；n尋址方式靈活簡單，指令長度固定，執行速度快、效率高。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系581.7ARM微處理器概述 1.7.2 ARM微處理器系列nARM微處理器包括ARM公司和其他

35、公司基于ARM體系結構的處理器。主要產品有：nARM7nARM9nARM9EnARM10EnARM11-它是ARM新指令架構-ARMv6的第一代設計實現。nARM12-cortexnSecurCorenXscalenStrong ARM2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系591.7ARM微處理器概述 nARM7微處理器系列n它是一種低功耗的位處理器，適合于低成本的消費產品。n支持實時在線仿真器；n功耗極低；n三級流水線結構；代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集；n支持大多數操作系統，如：Windows CE、Linux、Palm OS等；n指令系統與ARM9、ARM9E和A

36、RM10E等系列兼容，方便于產品升級。n運算處理能力高達130MIPS，適用于大多數復雜的應用。nARM7系列產品種類nARM7TDMInARM7TDMI-SnARM720TnARM7EJ2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系601.7ARM微處理器概述 nARM9微處理器系列n它是ARM7的一種升級，功能更加強大。nARM9E微處理器系列n它是9的增強型，單一內核，提供微控制器、DSP、Java應用系統的綜合解決方案。nARM10E微處理器系列n采用兩種先進的節能方式，除了功耗更低外，其功能比ARM9和ARM9E更強。nSecurCore微處理器系列n專為安全需要設計的，它除了

37、具有ARM功能外，還提供了信息安全解決方案。nStrongARM微處理器系列n屬于Intel公司的產品，主要有SA-1100系列。其結構與ARM相同，主要是采用了Intel的設計技術，目前已應用于多家公司的掌上電腦。nXscale處理器nIntel的一款主打產品，支持16位的Thumb指令和DSP指令集，主要應用于數字移動電話、PDA和網絡產品。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系611.7ARM微處理器概述 1.7.3 ARM微處理器結構1RISC體系結構 微處理器采用RISC結構，RISC結構是CISC結構演化而來的。nRISC的特點n具有大量的寄存器，大多操作都在寄存器中

38、完成；n尋址方式靈活簡單，執行效率高；n通過載入和存儲指令訪問存儲器；n采用固定長度的指令格式；n所有的指令都可以條件執行，以提高指令執行效率；n同一條數據處理指令中包含算術邏輯單元處理和移位處理；n使用地址自動增加（減少）來優化程序中的循環處理；n載入和存儲指令可以批量傳輸數據，從而提高數據傳輸效率。2022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系621.7ARM微處理器概述 nRISC基本設計思想n減小CPI: CPUtime=Instr_Count * CPI * Clock_cyclen精簡指令集:保留最基本的,去掉復雜、使用頻度不高的指令n采用Load/Store結構，有助于減少指令格式，統一存儲器訪問方式n采用硬接線控制代替微程序控制nRISC精華:減少指令平均執行周期數nCPUtime= IC CPUtime= IC * *CPICPI * *CCCCnICRISC IC CISC, 30%-40%nCCRISC CCCISC，nCPIRISC CPICISC 差距在縮小超標量、超流水線、VLIW等系統結構， 目標在于減小CPI， 可使CPI12022年3月20日星期日生物醫學工程學院電子技術系631.7ARM微處理器概述 nRISC的提出與發展nLoad/Store結構提出： CDC6600(1963)-CRAY1(1976)nRISC思想最早在IBM公司提出