硬件基础第二次课.ppt

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1、硬件基础第二次课 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望本节提要本节提要1 13 32 24 4PCPC机的硬件基础机的硬件基础嵌入式处理器嵌入式处理器外围电路外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统实例嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线、心，主要由嵌入式处理器、存储器、总线、通信接口和输入通信接口和输入/输出设备组成。输出设备组成。嵌入式处理器存储器总线 通信接口输入输出设备 电源及辅助设

2、备本节提要本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础机的硬件基础嵌入式处理器嵌入式处理器外围电路外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统实例n按指令集分：CISC：复杂指令集：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）RISC：精简指令集：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)EPIC：并行指令集：并行指令集VLIW：超长指令集：超长指令集n按体系结构分：冯诺依曼体系结构哈佛体系结构嵌入式处理器分类CISC和RISCCISCCISC：复杂指令集（：复杂指令集（Complex Instruction Set Compute

3、rComplex Instruction Set Computer）具有大量的指令和寻址方式，具有大量的指令和寻址方式，指令种类多，指令种类多，指令长度可变指令长度可变RISCRISC：精简指令集（：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer)Reduced Instruction Set Computer)只包含最有用的指令，指令长度固定只包含最有用的指令，指令长度固定确保数据通道快速执行每一条指令确保数据通道快速执行每一条指令使使CPUCPU硬件结构设计变得更为简单硬件结构设计变得更为简单CISC的背景和特点 背景:n增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，

4、把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现n存储资源紧缺,为节省存储空间，强调高代码密度，指令格式不固定，指令可长可短，操作数可多可少,寻址方式复杂多样，操作数可来自寄存器，也可来自存储器CISC的主要缺点n指令使用频度不均衡。n高频度使用的指令占据了绝大部分的执行时间，扩充的复杂指令往往是低频度指令。n大量复杂指令的控制逻辑不规整，不适于VLSI工艺nVLSI的出现，使单芯片处理机希望采用规整的硬联逻辑实现，而不希望用微程序，因为微程序的使用反而制约了速度提高。(微码的存控速度比CPU慢5-10倍)。n软硬功能分配n复杂指令增加硬件的复杂度，使指令执行周期大大加长。n不利于先

5、进指令级并行技术的采用n流水线技术RISC基本设计思想n减小指令执行周期n减少指令种类n采用硬接线控制代替微程序控制n针对流水线化的处理器优化RISC的提出与发展nRISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801处理器是公认体现RISC思想的机器。n1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名词，并研制了RISC-,实验样机。n1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。n85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARC V1(1987)CISC与RISC的对比(1)（1）指令系统：RISC 设计者把主要精力放在常用指

6、令上，使它们有简单高效的特色。对不常用的功能，常通过组合指令来完成。因此，在RISC机器上实现特殊功能时，效率较低。而CISC 指令系统比较丰富，有专用指来完成特定的功能。因此，处理特殊任务效率较高。（2）存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。（3）程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序社设计相对容易，效率较高。CISC与RISC的对比(2)（4）中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在

7、一条指令执行结束后响应中断。（5）CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功能强、面积大、功耗大。（6）设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计周期短；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。（7）用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。（8）应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC更适合于专用机；而CISC则更适合于通用机。冯诺依曼体系结构冯诺依曼体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出中央处

8、理器存储器程序指令0指令1指令2指令3指令4数据数据0数据1数据2哈佛体系结构指令寄存器控制器数据通道输入输出CPU程序存储器指令0指令1指令2数据存储器数据0数据1数据2地址指令地址数据哈佛结构是不同于冯。诺依曼结构的一种并行体系结构，特点是哈佛结构是不同于冯。诺依曼结构的一种并行体系结构，特点是程程序和数据存储在不同的存储空间序和数据存储在不同的存储空间，每个存储器独立编址、独立访问。，每个存储器独立编址、独立访问。与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使与之对应的是系统中设置的两条总线（程序总线和数据总线），使数据吞吐量大大提高。数据吞吐量大大提高。嵌入式处理器有许多不

9、同的体系，在同一体系中又可能具有不同的时钟速度和总线数据宽度、集成不同的外部接口和设备。据不完全统计，目前嵌入式处理器的品种总量已超过千种，流行体系结构有30多个系列、主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86、SH等。n调查市场上已有的CPU 供应商；n处理器的处理速度；n技术指标；n处理器的低功耗；n处理器的软件支持工具；n处理器是否内置调试工具；n处理器供应商是否提供评估板；嵌入式处理器的选择本节提要本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础机的硬件基础嵌入式处理器嵌入式处理器外围电路外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统实例嵌入式系统外围电路 存储器 总线 通信接口 输入/输

10、出设备 电源及辅助设备存储器 按存储介质分半导体存储器、磁存储器、光存储器；按存取方式分 n随机存储器（RAM）：静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）。n只读存储器（ROM）：ROM、PROM、EPROM和EEPROMn串行访问存储器（SAM）：磁带、光盘 按信息的可保存性分 非永久记忆的存储器、永久记忆性存储器；按在计算机系统中的作用分 主存储器、辅助存储器、高速缓冲存储器、闪烁存储器等。存储器分类RAMRAM：随机存取存储器，：随机存取存储器，SRAM SRAM：静态随机存储器，：静态随机存储器，DRAM DRAM：动态随机存储器：动态随机存储器 1 1）SRAMSRAM比比DR

11、AMDRAM快快 2 2）SRAMSRAM比比DRAMDRAM耗电多耗电多 3 3）DRAMDRAM存储密度比存储密度比SRAMSRAM高得多高得多 4 4）DRAMDRAM需要周期性刷新需要周期性刷新闪速存储器(FLASH)n相对传统的EPROM芯片，这种芯片可以用电气的方法快速地擦写 n由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制造成本低于DRAM n它使用方便，既具有SRAM读写的灵活性和较快的访问速度，又具有ROM在断电后可不丢失信息的特点，所以快擦写存储器技术发展十分迅速 RAM总线总线n总线是把处理器与存储器、I/O设备相连接的信息通道；n总线是数据、地址和控制信息的公共通

12、路；n总线并不仅仅指的是一束信号线，而应包含相应的通信协议。总线总线总线总线典型PC总线总线PC总线分类(1)片内总线片内总线局部总线局部总线内部总线内部总线系统总线系统总线外部总线外部总线现场总线现场总线PC总线分类总线系统总线(1)PCPC总线总线ISAISA总线、总线、EISAEISA总线总线PCIPCI总线总线PCIExpress(PCI-E)PCIExpress(PCI-E)、HyperTransportHyperTransport工业：工业：STD总线、总线、VME总线、总线、PC/104总线、总线、Compact PCI（CPCI）总线。）总线。总线系统总线(2)ISAISA总线

13、总线nIBM 公司于1981 年推出的基于8 位机PC/XT 的总线，称为PC 总线。n1984 年IBM 公司推出了16 位PC 机PC/AT，其总线称为AT 总线。n为了能够合理地开发外插接口卡，由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。总线系统总线(2)ISA 总线的主要性能指标如下：n（1）I/O 地址空间0100H-03FFHn（2）24 位地址线可直接寻址的内存容量为16MBn（3）8/16 位数据线n（4）6

14、2+36 引脚n（5）最大位宽16 位(bit)n（6）最高时钟频率8MHzn（7）最大稳态传输率16MB/sn（8）中断功能n（9）DMA 通道功能n（10）开放式总线结构，允许多个CPU 共享系统资源总线系统总线(3)PCIPCI总线总线n1991 年下半年，Intel 公司首先提出了PCI 的概念。nIntel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。nPCI 有32 位和64

15、位两种，32位PCI 有124 引脚，64 位有188 引脚，目前常用的是32 位PCI。32 位PCI 的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。总线系统总线(3)PCI 总线的主要性能指标如下：n（1)支持10 台外设n（2）总线时钟频率33.3MHz/66MHzn（3）最大数据传输速率133MB/sn（4）时钟同步方式n（5）与CPU 及时钟频率无关n（6）总线宽度 32 位（5V）/64 位（3.3V）n（7）能自动识别外设总线系统总线(3)PC104PC104总线总线nPC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，实质上就是一种紧凑型的IEEE-P996。nPC104 有两

16、个版本，8 位和16 位，分别与PC 和PC/AT 相对应。PC104PLUS 则与PCI总线相对应。n8 位PC104 共有64 个总线管脚，单列双排插针和插孔，P1：64 针，P2：40 针，合计104 个总线信号，PC104 因此得名。当8 位模块和16 位模块连接时，16 位模块必须在8 位模块得下面。P2 总线连结在8-位元模块中是可选的。nPC104PLUS 与PC104 相比有以下3 个特点：n（1）相对PC/104 连接，增加了第三个连结接口支持PCI 总线n（2）改变了组件高度的需求，增加模块的柔韧性n（3）加入了控制逻辑单元，以满足高速总线的需求总线 I2C I2C总线总线

17、nPHILIPS公司开发，一种用于内部IC控制的简单的双向两线串行总线，负责IC相互之间以及与外界的通信。n早期模式n100Kbits/s，7位寻址n快速模式n400Kbits/s，10位寻址n高速模式n3.4Mbits/s，10位寻址总线外部总线(1)I2S I2S总线总线nPHILIPS公司开发，一种为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。SPI SPI总线总线n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。nSPI 总线是一种三线(时钟、数据输出、数据输入）同步总线，硬件功能很强，软件

18、简单；nSPI 是全双工的，即主机在发送的同时也在接收数据，传送的速率由主机编程决定；n系统可以简单，也可以复杂，主要有以下几种形式：n（1）一台主机MCU 和若干台从机MCU。n（2）多台MCU 互相连接成一个多主机系统。n（3）一台主机MCU 和若干台从机外围设备。总线外部总线(2)总线现场总线 CANCAN总线总线n全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，由德国Bosch公司最先提出，是国际上应用最广泛的现场总线之一。nCAN 是一种多主方式的串行通讯总线n40米以内，1Mbps；10Km，50Kbps；理论上可以支持无限多个设备n可靠性高，误码率为10

19、-11n抗电磁干扰性强总线嵌入式系统总线(1)总线嵌入式系统总线(2)总线嵌入式系统总线(3)通信接口 并行口（Parallel Port)RS-232/RS485接口（串口UART）USB接口（通用串行总线接口）IrDA（Infra Red Data Association）红外线接口）Bluetooth（蓝牙接口）Ethernet（以太网接口）IEEE1394接口 I2S(音频数据传输总线)SPI(串行外围设备接口)、GPIO(通用可编程接口)、CAN总线接口等并口（parallel port）n“并行”，是指8 位数据同时通过并行线进行传送，这样数据传送速度大大提高。n并行传送的线路长度

20、受到限制，因为长度增加，干扰就会增加，容易出错。n常见用途，打印机接口n并口三种工作模式：SPP、EPP、ECP并口（parallel port）串口n嵌入式系统使用上位机实现系统的调试及现场数据的采集和控制，常常采用串口。nRS232C 及其兼容插口n 传输速率低、传输距离近、抗共模干扰能力差n RC232C 的最高传输速率为20 kb/s,最大传输线长为30 米nRS485n 高抗共模干扰驱动能力，并且提供多点应用，同一线上最多可接32 个驱动器和接收器n 最大传输速率10Mb/s(12m)，最大传输距离为1200m（10kb/s）USB（Universal Serial Bus）nUSB

21、1.1n 12 Mb/s（1.5MB/s）串行总线n 即插即用n 最多可支持127个外部设备n 主机供电n小功率设备主机可以直接供电n大功率设备仍然需要外部供电nUSB 2.0n 480 Mb/s串行总线VddGndD+D-红外芯片接口 nIrDA/FastIrDA（Infrared Data Association）n红外线发光二极管n发射n硅晶PIN光检二极管n接受n控制电路nIrDA 1.0和1.1装置的通讯距离可达1公尺，误码率为10-9，光源外围的最大亮度为10klux（勒克斯）红外传输特点n距离n小于一米n低速n9.6115K bpsn高速n14M bpsn工业高速n16M bps

22、Bluetooth 接口n功耗低n100M，100mWn10M，2.5mWn1M，1mWn2.4-2.4835 GHz(使用ISM频段)n优势:世界范围内可用n劣势:与IEEE 802.11b产品相互干扰n声音和数据传输，总带宽为1Mbpsn成本低n低于US$5/蓝牙芯片蓝牙和红外线的比较：篮牙接口红外接口传输距离10米1米传输特性可以以任何角度传输只能在一定角度(15度)内进行传输安全机制具有完整安全机制安全性底移动性可以在嵌入式系统移动时进行传输需要在静止状态下进行传输传输速率1Mbps4Mbps价格5美元12美元IEEE1394n起源于APPLE公司1986年提出的FireWirenMP

23、U与多媒体设备连接接口n20400M bps，高速串行总线nP1394b 1.6Gbps,100米n支持63个器件，长度4.5米n热插拔，即插即用nSony：iLink；TI：Lynx Apple：FireWire输入输出设备 显示屏 触摸屏 语言输入输出设备 键盘LCD显示器触摸屏电源电源分类（1 1）线性稳压电源线性稳压电源 低压差（低压差（LDOLDO）线性稳压器）线性稳压器 （噪声小，静态电流小）（噪声小，静态电流小）（2 2）开关稳压电源）开关稳压电源 升压式升压式 （效率高，功耗低）（效率高，功耗低）降压式（常用于工作电流大于降压式（常用于工作电流大于1A1A的场合）的场合）反相式

24、反相式 （用的较少）（用的较少）（3 3）电荷泵电源）电荷泵电源（常用于需要负电源的场合（常用于需要负电源的场合）电源IC特点（1）工作电压低：一般为3.03.6V，少数5V、12V、28V；（2）工作电流不大：30300mA多数，几安也有；（3）封装尺寸小：SO、SOT贴装；（4）完善的保护措施：过流、过热、短路、接反；（5）耗电小及关闭电源功能；（5）有电源工作状态信号输出：低电压的检测与显示（6）输出电压精度高：24%之间，有的可达0.51%；（7）新型组合式电源IC：升压式DC/DC+LDO；电源IC选择（1）优先考虑升压式DC/DC 变换器；（2）采用LDO 的最佳条件；（3）需负电

25、源时尽量采用电荷泵；（4）不要追求高精度、功能全的最新器件；（5）不要“大马拉小车”：工作电流是最大输出电流的7090；（6）输出电流大时应采用降压式DC/DC 变换器；（7）DC/DC 变换器中L、C、D 要合理选择；本节提要本节提要1 13 32 24 4PC机的硬件基础机的硬件基础嵌入式处理器嵌入式处理器外围电路外围电路嵌入式系统实例嵌入式系统实例嵌入式网络嵌入式网络视频播放器视频播放器ModemADSL远程远程服务器服务器PSTNEthernet控制器控制器串口1串口2VGA inVGA outAudio out多媒体多媒体终端终端设置终端(NoteBook)LCD+Key Board串口3嵌入式网络视频播放器外部接口示意图嵌入式网络视频播放器外部接口示意图嵌入式网络视频播放器硬件结构框图UART处理器处理器PXA27xPXA27x16MB SDRAM4MBFlashCF卡扩展槽Up to 128MBUART电源管理时钟管理调试接口以太网控制器以太网接口Modem控制器设置终端FPGAXC2S100UARTUp to 256MB SDRAMMPEG-4解码EM8630视频切换模块控制信号VGA音频多媒体终端