微处理器系统结构与嵌入式系统设计.ppt

1、自动化工程学院 杨峰Email:Mobile:13308176262,2018/7/8,1,/ 53,微处理器系统结构与嵌入式系统设计,第一章 概述,计算机的应用形式通用计算机与嵌入计算机普适计算与泛在通信半导体技术与计算机的发展机械式计算机、电子式计算机SoC、NoC嵌入式(计算机)系统 概念、特点、组成、发展趋势课程体系介绍,2018/7/8,2,/ 53,计算机是什么？,2018/7/8,3,/ 53,计算机的分类,后PC时代：通用计算机、嵌入式计算机,2018/7/8,4,/ 53,嵌入式(计算机)系统,嵌入式系统是一门交叉学科，涉及计算机、微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸多领

2、域。随着现代微电子技术、微机电系统MEMS、片上系统SoC、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，嵌入式系统向集成化、微型化，智能化、网络化方向发展。,2018/7/8,5,/ 53,普适计算(无所不在的计算机),2018/7/8,6,/ 53,泛在通信(无所不在的通信),2018/7/8,7,/ 53,物联网技术,2018/7/8,8,/ 53,物联网技术,2018/7/8,9,/ 53,IT行业的四大定律,Moore定律 微处理器内晶体管集成度每18个月翻一番Bell定律 如果保持计算能力不变，微处理器的价格每18个月减少一半；每10年会有一类新

3、的计算设备诞生：巨型机、小型机、工作站、PC到PDA的演变、新一代计算设备Gilder定律 未来25年（1996年预言）里，主干网的带宽将每6个月增加一倍；Metcalfe定律 网络价值同网络用户数的平方成正比；,2018/7/8,10,/ 53,计算机技术的发展,微电子技术计算机技术通信技术,2018/7/8,11,/ 53,节能 Power savings数字生活 Digital life泛在传感器网络 Ubiquitous Sensor Networks (USN) 高性能视频会议High-Performance Video Conferencing 数字安全Sybersecurity下

4、一代网络及功效Next-Generation Networks and Energy Efficiency 远距离协作工具Remote Collaboration Tools智能传送网 Intelligent Transport Systems (ITS) ,ITU-T 近年关注的热门话题,信息的生成、获取、存储、传输、处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分。,2018/7/8,12,/ 53,机械式计算机的发展,2018/7/8,13,/ 53,机械式计算机的发展,2018/7/8,14,/ 53,电子技术和半导体技术的诞生,电子管(vacuum tube)时代,晶体管(transisto

5、r)时代第一个晶体管的诞生,2018/7/8,15,/ 53,第一代电子管计算机ENIAC,2018/7/8,16,/ 53,第一台存储程序计算机EDSAC,2018/7/8,17,/ 53,从分立到集成,第一块IC诞生之后，基尔比在IRE(美国无线电工程师学会)的一次会议上宣布了“固体电路”(Solid circuit)的出现，这就是以后的“集成电路”的代名词 。,2018/7/8,18,/ 53,集成度迅猛发展,2018/7/8,19,/ 53,Gordon Moore：Intel的创始人之一,IC技术：SSI/MSI- LSI- VLSI- ULSI- GLSI-晶圆尺寸：100mm-

6、125mm- 150mm- 200mm- 300mm- 400mm-特征尺寸：3m- 2m- 1.2m- 0.8m- 0.5m- 0.35m-0.25m - 0.18m- 0.13m- 90nm- 65nm - 45nm -,Intel Core i7 四核处理器,2018/7/8,21,/ 53,系统级芯片 (SOC) 技术,软硬件协同设计设计及验证技术IP核生成和复用技术超深亚微米工艺及纳米IC设计技术,2018/7/8,22,/ 53,片上网络(NOC) 技术,P处理器 M存储器 C缓存 rni网络接口S交换开关Dsp核 re可重构逻辑L专用逻辑,2018/7/8,23,/ 53,计算机

7、发展的主要阶段,第零代（16421945年）机械计算器和继电器计算器第一代（19461955年）电子管计算机以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。第二代（19551965年）晶体管计算机以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。第三代（19651980年）集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络第四代（1980年至今）个人计算机以LSI、VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软

8、件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。第五代 无所不在的计算机生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、,2018/7/8,24,/ 53,2018/7/8,25,/ 53,嵌入式(计算机)系统,2018/7/8,26,/ 53,嵌入式系统的定义,IEEE定义devices used to control, monitor，or assist the operation equipment , machinery or plants 国内普遍认同的定义以各种形态嵌入到对

9、象体系中的专用计算机系统,芯片级（MCU、SoC）板级（单板、模块）设备级（工控机）,Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device,2018/7/8,27,/ 53,以应用为中心 软、硬件可裁剪 对体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本等有严格约束,嵌入式系统的特点,2018/7/8,28,/ 53,硬件,软件,开发系统,嵌入式处理器,存储器系统,外部接口,EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC,程序ROM数据RAM参数EEPROMNVRAM,并行接口串行接口音视频接口网络接口

10、,嵌入式操作系统,应用软件,VxWorksc/OSWindows CE嵌入式Linux,编译器链接器调试器,集成软件环境,硬件工具,仿真器编程器在线调试工具,外围设备,键盘LCD存储设备音频设备专用设备,嵌入式系统的组成,2018/7/8,29,/ 53,嵌入式(计算机)系统,2018/7/8,30,/ 53,2018/7/8,31,/ 53,2018/7/8,32,/ 53,2018/7/8,33,/ 53,嵌入式系统的发展趋势,网络化、支持分布式计算可编程、可在线更新集成度提高、SoC/NoC开发平台的完备化 友好的人机界面 ,34/32,34/30,2018/7/8,34,/ 53,计算

11、机专业系列课程,核心,系统架构,软件基础,本课程涉及主要内容： 计算机体系结构与组成原理； 微处理器系统结构； 嵌入式系统设计技术；,硬件基础,2018/7/8,35,/ 53,相关知识及课程,数字逻辑设计（先修） EDA设计技术 数模混合IC设计技术 汇编语言程序设计 C语言程序设计 计算机组成原理与系统结构 嵌入式系统设计 嵌入式操作系统,2018/7/8,36,/ 53,教材及推荐参考书,微处理器系统结构及嵌入式系统设计（第二版）李广军等，电子工业出版社 ，2010 嵌入式系统原理及技术杨峰等，科学出版社，2014 系统体系结构（第5版）郭新房等译. Stephen D. B.著，清华大

12、学出版社，2007计算机系统结构张晨曦等，高等教育出版社，2008 现代计算机组成原理潘松等，科学出版社，2007ARM体系结构与编程杜春雷，清华大学出版社，2007,2018/7/8,37,/ 53,2018/7/8,38,/ 53,2018/7/8,39,/ 53,教学进度及考核安排,第一章：概述 3-4课时 第二章：计算机系统的结构组成与工作原理 6-7课时 第三章：微处理器体系结构及关键技术 6-7课时 第四章：总线技术与总线标准 7-8课时 第五章：存储器系统 8-9课时 第六章：输入/输出接口 6-7课时 第七章：ARM微处理器编程模型 4课时 第八章: ARM汇编指令 4-5课时

13、 第九章： ARM程序设计 4-5课时 第十章：基于ARM微处理器的硬件系统设计3课时 第十一章：基于ARM微处理器的软件系统设计3课时 第十二章：基于ARM微处理器核的SOC设计 2课时上课64学时（包括习题课），实验16学时考核方式：平时10%+实验15%+期中15%+期末60%,第一章概述,1.1 计算机发展概述（了解）电子计算机发展概述普适计算与泛在通信1.2 集成电路与SoC设计（理解）集成电路技术的发展基于IP的SoC设计1.3 先进的处理器技术（了解）片上多核处理器(CMP)流处理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重构计算处理

14、器1.4 嵌入式系统（了解）嵌入式系统的概念 嵌入式系统的特点嵌入式系统中的处理器嵌入式系统的组成嵌入式系统的发展现状与趋势学习嵌入式系统的意义,第二章计算机系统的结构组成与工作原理,2.1 计算机系统的基本结构与组成（掌握）计算机系统的层次模型计算机系统的结构、组织与实现2.2 计算机系统的工作原理（掌握）冯诺依曼计算机架构模型机系统结构模型机指令集模型机工作流程2.3 微处理器体系结构的改进（理解） 冯诺依曼结构的改进并行技术的发展流水线结构超标量与超长指令字结构多机与多核结构2.4 计算机体系结构分类（理解）2.5 计算机性能评测（掌握）字长、存储容量、运算速度,第三章微处理器体系结构及

15、关键技术,3.1 微处理器体系结构及功能模块简介处理器的主要功能及部件（掌握） 处理器的基本功能结构（掌握） 一个简化的处理器模型结构示例（理解） 3.2 处理器设计（理解） 处理器的设计步骤控制器的操作与功能随机逻辑控制器设计微程序(微码)控制器结构及设计寄存器组(register file)设计3.3 指令系统设计（掌握） 机器指令的组成指令格式指令类型寻址方式指令系统设计要点3.4 指令流水线技术流水线技术的特点（掌握） 流水线操作的详细说明（掌握） 流水线的局限性（理解） 指令流水线设计（理解） 3.5 典型微处理体系结构简介（理解） ARM体系结构简介Intel x86体系结构简介,

16、第四章 总线技术与总线标准,4.1 总线技术（掌握） 总线技术概述总线仲裁总线操作与时序4.2 总线标准（理解） 片内AMBA总线PCI系统总线异步串行通信总线,第五章 存储器系统,5.1 存储器件的分类（掌握） 按存储介质分类按读写策略分类5.2 半导体存储芯片的基本结构与性能指标（掌握） 随机存取存储器只读存储器存储器芯片的性能指标5.3 存储系统的层次结构（掌握） 存储系统的分层管理虚拟存储器与地址映射现代计算机的多层次存储体系5.4 主存储器设计技术（掌握） 存储芯片选型存储芯片的组织形式地址译码技术存储器接口设计设计,第六章输入输出接口,6.1 输入/输出接口基础（掌握） 输入/输出

17、接口功能与结构输入/输出端口编址6.2 接口地址译码（掌握） 6.3 接口信息传输方式（掌握）程序查询传输方式程序中断传输方式直接存储器访问(DMA)方式通道方式6.4 并行接口（掌握）无握手信号并行接口带握手信号的并行接口可编程并行接口6.5 串行接口（理解）同步串行接口异步串行接口,第七章 ARM微处理器编程模型,7.1 ARM 内核体系结构（了解）ARM 体系结构版本ARM 内核简介7.2 ARM 编程模型（理解）处理器工作状态处理器运行模式寄存器组织数据类型和储存格式异常,第八章 ARM汇编指令,8.1 ARM指令格式（掌握）ARM指令的一般编码格式ARM指令的条件域指令的第二源操作数

18、8.2 ARM寻址方式（掌握）立即寻址寄存器直接寻址寄存器移位寻址寄存器间接寻址基址变址寻址多寄存器直接寻址相对寻址堆栈寻址8.3 ARM指令集（掌握）数据处理指令转移指令程序状态寄存器访问指令加载/存储指令异常产生指令伪指令,第九章ARM程序设计,9.1 ARM程序开发环境（掌握）常用ARM程序开发环境简介RVDS开发环境简介9.2 汇编语言伪指令（掌握）符号定义伪指令数据定义伪指令汇编控制伪指令其他常用伪指令汇编语言中常用的符号常用的运算符和表达式9.3 ARM汇编语言程序设计（掌握）ARM汇编语言程序结构ARM汇编语言程序实例9.4 ARM汇编语言与C/C+的混合编程（理解）C与汇编之间

19、的函数调用C/C+语言和汇编语言的混合编程,第十章基于ARM微处理器的硬件系统设计,10.1 基于ARM微处理器的系统设计概述（理解）10.2 S3C2440A微处理器（了解）S3C2440A微处理器简介S3C2440A内部结构及主要特性S3C2440A外部引脚10.3 ARM微处理器最小硬件系统（掌握）电源模块时钟模块复位模块JTAG调试接口外部存储器模块10.4 人机交互接口键盘与LED接口（掌握）LCD显示接口（理解）触摸屏接口（理解）10.5 通信接口串行通信接口（掌握）其他通信接口（理解）,第十一章基于ARM微处理器的软件系统设计,11.1 嵌入式软件系统结构及工作流程（掌握）11.

20、2 嵌入式软件系统的引导和加载Boot Loader程序的基本概念（掌握）U-Boot的分析与移植（理解）11.3 嵌入式Linux内核的移植（了解）Linux内核的结构内核的配置与裁剪内核的编译Linux内核配置编译实例11.4 Linux下驱动程序设计示例（了解）,第十二章 基于ARM微处理器核的SoC设计,12.1 概述（了解）12.2 SoC设计SoC的典型结构（理解）SoC设计中的关键技术（了解）12.3 SoC的片上总线片上总线的特点（理解）SoC中常用的总线标准（了解）12.4 SoC系统的设计流程（理解）SoC系统芯片的系统级设计 系统芯片的设计流程12.5 基于ARM内核的S

21、oC系统设计（了解）常用ARM CPU内核所使用的总线接口基于ARM的SoC结构基于ARM内核的SoC系统应用设计举例,2018/7/8,53,/ 53,教学实验装置,ARM集成开发环境建立ARM汇编实现LED控制实验ARM汇编实现串口通信实验ARM-Linux开发环境建立ARM-Linux下模块方式驱动程序实验ARM-Linux下键盘及数码管驱动程序设计实验ARM-Linux下LCD驱动程序设计实验ARM-Linux下触摸屏驱动程序设计实验ARM-Linux下SD卡驱动程序及文件系统设计实验ARM-Linux下AC97音频驱动程序设计实验ARM-Linux下以太网通信实验,教学内容实验,第一章 习题,作业：2、3、5、8思考：4、6、9,2018/7/8,55,/ 53,