嵌入式微处理器系统知识讲解.ppt

嵌入式微处理器系统概论概论 n n了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况微处理器概况微处理器概况n n处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-必要性（必要性（1）n n必要性必要性必要性必要性n n汽车和发动机汽车和发动机汽车和发动机汽车和发动机n n选择最合适的发动机选择最合适的发动机选择最合适的发动机选择最合适的发动机n n从份发挥发动机的性能从份发挥发动机的性能从份发挥发动机的性能从份发挥发动机的性能n n系统设计的需要系统设计的需要系统设计的需要系统设计的需要2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-必要性（必要性（2）n n必要性（续）必要性（续）必要性（续）必要性（续）n n手机和处理器手机和处理器手机和处理器手机和处理器n n选择最合适的处理器选择最合适的处理器选择最合适的处理器选择最合适的处理器n n从份发挥处理的性能从份发挥处理的性能从份发挥处理的性能从份发挥处理的性能n n系统设计的需要系统设计的需要系统设计的需要系统设计的需要2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-必要性（必要性（3）n n必要性（续）必要性（续）必要性（续）必要性（续）用好处理器！用好处理器！2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 n n了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况微处理器概况微处理器概况n n处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（1）计算机系统的计算机系统的计算机系统的计算机系统的发展历程发展历程发展历程发展历程 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（2）摩尔定律（摩尔定律（摩尔定律（摩尔定律（Gordon Moore)Gordon Moore)每每18个月，集成电路的性能将提高一个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将减低一半。倍，而其价格将减低一半。2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（3）1.CPU(Center Processing Unit)1.CPU(Center Processing Unit)的发展的发展的发展的发展n n第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机n n设计者：设计者：设计者：设计者：J.Presper Eckert&Jon Mauchly J.Presper Eckert&Jon Mauchly(University of(University of PennsylvaniaPennsylvania)n n名称：名称：名称：名称：ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator and Electronic Numerical Integrator and CalculatorCalculator）n n时间：二次大战（时间：二次大战（时间：二次大战（时间：二次大战（19461946年公开）年公开）年公开）年公开）n n性能性能性能性能n n1800018000个真空管、个真空管、个真空管、个真空管、n n100 feet*8.5 feet100 feet*8.5 feetn n2020个个个个1010位寄存器位寄存器位寄存器位寄存器n n“+”“+”，200us200usn n用途：计算大炮发射表用途：计算大炮发射表用途：计算大炮发射表用途：计算大炮发射表 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（4）1.CPU(Center Processing Unit)1.CPU(Center Processing Unit)的发展的发展的发展的发展n n第一个微处理器第一个微处理器第一个微处理器第一个微处理器 n n4004,Intel,1971.114004,Intel,1971.11n n性能性能性能性能n n主频：主频：主频：主频：108108kHzkHzn n最大寻址：最大寻址：最大寻址：最大寻址：640640K Kn nRAM:4096 bits for ProgramRAM:4096 bits for Program 1KX4bits for Data 1KX4bits for Datan n规模：规模：规模：规模：22502250个晶体管个晶体管个晶体管个晶体管n n工艺：工艺：工艺：工艺：1010umumn n价格：价格：价格：价格：200$200$n n发明人发明人发明人发明人:Ted HoffTed Hoffn n1968,1968,加盟加盟加盟加盟IntelInteln n1982,1982,离开离开离开离开2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（5）1.CPU的发展（续）的发展（续）n n Pentium 4 Pentium 4n n性能性能性能性能n n主频：主频：主频：主频：3 3GHzGHzn n数据总线：数据总线：数据总线：数据总线：6464bitsbitsn n地址总线：地址总线：地址总线：地址总线：3636bitsbitsn nRAM:512KB CacheRAM:512KB Cachen n规模：规模：规模：规模：4004000 0多万个晶体管多万个晶体管多万个晶体管多万个晶体管n n工艺：工艺：工艺：工艺：0.130.13umumn n价格：价格：价格：价格：$180$1802008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（6）1.CPU的发展（续）的发展（续）n n Core CoreTMTM 2 DUO E6700 2 DUO E6700n n性能性能性能性能n n双核双核双核双核n n主频：主频：主频：主频：2.66GHz2.66GHzn n数据总线：数据总线：数据总线：数据总线：6464bitsbitsn n地址总线：地址总线：地址总线：地址总线：3636bitsbitsn nRAM:2MB smart CacheRAM:2MB smart Cachen n规模：规模：规模：规模：1 1亿个晶体管亿个晶体管亿个晶体管亿个晶体管n n工艺：工艺：工艺：工艺：0.0.065um065umn n价格：价格：价格：价格：$200$2002008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（7）1.CPU的发展（续）的发展（续）n n 不同阶段的处理器（不同阶段的处理器（不同阶段的处理器（不同阶段的处理器（X86X86）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（8）1.CPU1.CPU的发展（续）的发展（续）的发展（续）的发展（续）n n X86 X86 发展之路发展之路发展之路发展之路-主频主频主频主频（www.cpu-www.cpu-）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（9）1.CPU1.CPU的发展（续）的发展（续）的发展（续）的发展（续）n n X86 X86 发展之路发展之路发展之路发展之路-规模规模规模规模（www.cpu-www.cpu-）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（10）1.CPU1.CPU的发展（续）的发展（续）的发展（续）的发展（续）n n X86 X86 发展之路发展之路发展之路发展之路-工艺工艺工艺工艺（www.cpu-www.cpu-）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（11）2.CPU2.CPU的分类的分类的分类的分类n n指令系统指令系统指令系统指令系统n nCISCCISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer）Intel X86Intel X86AMD K6AMD K6TMS320XXXTMS320XXXn nRISC RISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set Computer）PowerPCPowerPCARMARMAVRAVRMIPSMIPS2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（12）2.CPU2.CPU的分类的分类的分类的分类n n处理器字长处理器字长处理器字长处理器字长n n8 8 bits bits 8088,89C518088,89C51n n16 bits16 bits8086,Ti 54X8086,Ti 54Xn n32 bits32 bits80486,Ti C3X,C6X80486,Ti C3X,C6Xn n64 bits64 bitsItaniumItanium，PowerPC 970PowerPC 9702008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（13）2.CPU2.CPU的分类的分类的分类的分类n n总线（总线（总线（总线（BUSBUS）结构）结构）结构）结构n nVon Neumann Von Neumann（1944-61944-6）n n定义：指令和数据在同一个物理空间定义：指令和数据在同一个物理空间定义：指令和数据在同一个物理空间定义：指令和数据在同一个物理空间n n例：例：例：例：X86X86n nHarvardHarvard（Howard AikenHoward Aiken，19491949）n n定义：指令和数据在不同的物理空间定义：指令和数据在不同的物理空间定义：指令和数据在不同的物理空间定义：指令和数据在不同的物理空间n n例：例：例：例：DSPDSP 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（14）2.CPU2.CPU的分类（续）的分类（续）的分类（续）的分类（续）n n应用方式应用方式应用方式应用方式n nMPUMPUn nMCUMCUn nDSPDSPn n应用领域应用领域应用领域应用领域n n台式机台式机台式机台式机 CPUCPUn n笔记本笔记本笔记本笔记本CPUCPUn n服务器服务器服务器服务器CPUCPUn n嵌入式嵌入式嵌入式嵌入式CPUCPU2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（15）3.CPU3.CPU的性能评测的性能评测的性能评测的性能评测n nCPICPI：执行一条指令所需的平均时钟周期：执行一条指令所需的平均时钟周期：执行一条指令所需的平均时钟周期：执行一条指令所需的平均时钟周期CPI=CPI=一个程序的一个程序的一个程序的一个程序的CPUCPU时钟周期时钟周期时钟周期时钟周期/该程序的指令数该程序的指令数该程序的指令数该程序的指令数CPUCPU时间时间时间时间=IC=IC（指令数）（指令数）（指令数）（指令数）X CPI/X CPI/时钟频率时钟频率时钟频率时钟频率n n时钟频率（周期）：由硬件技术决定时钟频率（周期）：由硬件技术决定时钟频率（周期）：由硬件技术决定时钟频率（周期）：由硬件技术决定n nCPICPI：由处理器组成和指令系统决定：由处理器组成和指令系统决定：由处理器组成和指令系统决定：由处理器组成和指令系统决定n n指令数：由指令系统和编译器决定指令数：由指令系统和编译器决定指令数：由指令系统和编译器决定指令数：由指令系统和编译器决定2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（16）3.CPU3.CPU的性能评测的性能评测的性能评测的性能评测n nMIPSMIPS：每秒百万条指令：每秒百万条指令：每秒百万条指令：每秒百万条指令 MIPS=MIPS=指令数指令数指令数指令数/（指令的执行时间（指令的执行时间（指令的执行时间（指令的执行时间 X 10X 106 6）=时钟频率时钟频率时钟频率时钟频率/（CPI X 10CPI X 106 6 ）执行时间执行时间执行时间执行时间=指令数指令数指令数指令数/（MIPS X 10MIPS X 106 6 ）n nMIPSMIPS依赖于指令集依赖于指令集依赖于指令集依赖于指令集n n同一台机器的同一台机器的同一台机器的同一台机器的MIPSMIPS可能因程序而异可能因程序而异可能因程序而异可能因程序而异n nMIPSMIPS可能不能反映处理器的性能可能不能反映处理器的性能可能不能反映处理器的性能可能不能反映处理器的性能2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（17）3.CPU的性能评测的性能评测n nMFLOPSMFLOPS：每秒百万次浮点运算次数：每秒百万次浮点运算次数：每秒百万次浮点运算次数：每秒百万次浮点运算次数 MFLOPS=MFLOPS=浮点运算次数浮点运算次数浮点运算次数浮点运算次数/（浮点运算的时间（浮点运算的时间（浮点运算的时间（浮点运算的时间 X 10X 106 6）n nMFLOPSMFLOPS不能反映处理器的实际性能不能反映处理器的实际性能不能反映处理器的实际性能不能反映处理器的实际性能n n通常用来比较浮点运算器的性能通常用来比较浮点运算器的性能通常用来比较浮点运算器的性能通常用来比较浮点运算器的性能n nInstructionInstruction数数数数 和和和和 OperationOperation数可能不一致数可能不一致数可能不一致数可能不一致2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（18）4.CPU4.CPU制造工艺制造工艺制造工艺制造工艺n n工艺发展工艺发展工艺发展工艺发展n n加工精度提高加工精度提高加工精度提高加工精度提高-从从从从1010um um 到到到到 0.05 0.05umumn n硅片尺寸进一步加大硅片尺寸进一步加大硅片尺寸进一步加大硅片尺寸进一步加大-从从从从3 3英寸英寸英寸英寸 到到到到 18 18英寸英寸英寸英寸n n连接材料改变连接材料改变连接材料改变连接材料改变 AlAl到到到到Cu Cu n n生产环境生产环境生产环境生产环境n n每每每每2020cmcm2 2只只只只能有一粒微能有一粒微能有一粒微能有一粒微尘（医院手尘（医院手尘（医院手尘（医院手术室的术室的术室的术室的1001000000倍）倍）倍）倍）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（19）4.CPU4.CPU制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）n n制造材料制造材料制造材料制造材料n n硅原料硅原料硅原料硅原料 硅晶体棒硅晶体棒硅晶体棒硅晶体棒 在圆晶上生成的芯片在圆晶上生成的芯片在圆晶上生成的芯片在圆晶上生成的芯片n n圆晶规格圆晶规格圆晶规格圆晶规格n n目前的标准圆晶直径为目前的标准圆晶直径为目前的标准圆晶直径为目前的标准圆晶直径为200200mmmmn n正在向正在向正在向正在向300300mmmm发展发展发展发展 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（20）4.CPU4.CPU制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）n n光刻技术光刻技术光刻技术光刻技术n n光刻原理光刻原理光刻原理光刻原理光刻原理和光刻机光刻原理和光刻机光刻原理和光刻机光刻原理和光刻机n n目前目前目前目前 0.0.045um045um技术已经成熟技术已经成熟技术已经成熟技术已经成熟2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（21）4.CPU4.CPU制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）制造工艺（续）n n基本工艺流程基本工艺流程基本工艺流程基本工艺流程n n掩模生成掩模生成掩模生成掩模生成 将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感光材料的玻璃上。光材料的玻璃上。光材料的玻璃上。光材料的玻璃上。n n光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺光刻与刻蚀工艺在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将在光刻胶上形成与掩模图形区域相反的感光区，然后将没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。没有光刻胶保护的硅片上层材料刻蚀去掉。n n掺杂工艺掺杂工艺掺杂工艺掺杂工艺在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器件。件。件。件。n n氧化及热处理氧化及热处理氧化及热处理氧化及热处理将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化将硅片置于有氧气的高温环境中，在硅表面形成二氧化硅。硅。硅。硅。n n气相沉积工艺气相沉积工艺气相沉积工艺气相沉积工艺通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形通过化学反应，产生固态粒子并且沉积在硅片表面，形成薄膜层。成薄膜层。成薄膜层。成薄膜层。2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（22）5.5.提高提高提高提高CPUCPU性能的方法性能的方法性能的方法性能的方法n n改进指令系统改进指令系统改进指令系统改进指令系统n nX86X86n nMMXMMXn n3DNow3DNown n改进体系结构改进体系结构改进体系结构改进体系结构n n流水线流水线流水线流水线n n超标量超标量超标量超标量n n高速缓存高速缓存高速缓存高速缓存n n超线程超线程超线程超线程n n多核多核多核多核2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（23）5.5.提高提高提高提高CPUCPU性能的方法性能的方法性能的方法性能的方法n n改进加工工艺改进加工工艺改进加工工艺改进加工工艺n n减少减少减少减少CPUCPU线宽线宽线宽线宽n n改进硅材料改进硅材料改进硅材料改进硅材料n n采用铜线技术采用铜线技术采用铜线技术采用铜线技术n n改进工作环境改进工作环境改进工作环境改进工作环境n n降低工作温度降低工作温度降低工作温度降低工作温度2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（24）6.6.电气参数电气参数电气参数电气参数n n工作电压工作电压工作电压工作电压2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（25）6.6.电气参数电气参数电气参数电气参数n n功率功率功率功率2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（26）7.7.处理器规格处理器规格处理器规格处理器规格n n内核内核内核内核n n最高主频最高主频最高主频最高主频n n总线结构总线结构总线结构总线结构n n指令集指令集指令集指令集n n数据总线宽度数据总线宽度数据总线宽度数据总线宽度n n最大寻址空间最大寻址空间最大寻址空间最大寻址空间n n片内外设片内外设片内外设片内外设n n中断中断中断中断n n定时器定时器定时器定时器n n通信单元通信单元通信单元通信单元n n数据控制数据控制数据控制数据控制2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概况（处理器概况（27）7.7.处理器规格处理器规格处理器规格处理器规格n n片内资源片内资源片内资源片内资源n nRAMRAMn nROMROMn n片外片外片外片外n n封装封装封装封装n n电压电压电压电压n n功耗功耗功耗功耗n nI/OI/On n数据总线数据总线数据总线数据总线n n地址总线地址总线地址总线地址总线2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概述（处理器概述（28）8.主要厂商及产品主要厂商及产品n nIntel X86Intel X86，MSC51MSC51，XscaleXscalen nAMD X86 CompatibleAMD X86 Compatible，K6K6n nVIA -X86 CompatibleVIA -X86 Compatiblen nTi DSP Ti DSP（TMS320CXXXTMS320CXXX）n nADI-DSP ADI-DSP（ADSPADSP，Blackfin)Blackfin)n nAtmel(AVR)Atmel(AVR)n nRENESAS(SHXX)RENESAS(SHXX)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概述（处理器概述（29）8.主要厂商及产品主要厂商及产品n nMotorola(Freescale)MC6800,Motorola(Freescale)MC6800,PowerPCPowerPCn nIBM-PowerPC 970(64bits)IBM-PowerPC 970(64bits)n nHP PA HP PA（DEC MIPSDEC MIPS）n nZIGLOG ZIGLOG（Z80Z80，rabbits4000rabbits4000）n nSUN-UltraSPARCSUN-UltraSPARCn nARM ARM V3-6ARM ARM V3-6n n中科院计算所中科院计算所中科院计算所中科院计算所-GodsonGodson（龙芯）龙芯）龙芯）龙芯）n n北大微处理器中心北大微处理器中心北大微处理器中心北大微处理器中心 众志众志众志众志2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-处理器概述（处理器概述（30）9.如何使用处理器手册？如何使用处理器手册？n nDatasheetDatasheetn n指令集介绍指令集介绍指令集介绍指令集介绍n n使用手册使用手册使用手册使用手册n n参考设计参考设计参考设计参考设计2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 n n了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况微处理器概况微处理器概况n n处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（1）处理器的基本结构？处理器的基本结构？2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（1）1.CPU1.CPU数字部件数字部件数字部件数字部件n nALUALUn n加法器加法器加法器加法器n n减法器减法器减法器减法器n n比较器比较器比较器比较器n n逻辑运算单元逻辑运算单元逻辑运算单元逻辑运算单元n n寄存器寄存器寄存器寄存器n nDD锁存器锁存器锁存器锁存器n n寄存器寄存器寄存器寄存器n n移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器n nRAMRAMn n乘法器乘法器乘法器乘法器2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（2）1.CPU数字部件数字部件n n数字部件示意图数字部件示意图数字部件示意图数字部件示意图2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（3）1.CPU1.CPU数字部件（续）数字部件（续）数字部件（续）数字部件（续）n n加法器加法器加法器加法器n n全加器全加器全加器全加器多位加法如何实现？多位加法如何实现？如何用加法器实现减运如何用加法器实现减运算？算？X-Y=X+YX-Y=X+Y的补码的补码的补码的补码Y Y的补码的补码的补码的补码=not Y+1not Y+12008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（4）1.CPU1.CPU数字部件（续）数字部件（续）数字部件（续）数字部件（续）n n乘法器乘法器乘法器乘法器n n计算方法（计算方法（计算方法（计算方法（2 2 X2)X2)计算过程计算过程计算过程计算过程 乘法器结构乘法器结构乘法器结构乘法器结构2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（5）1.CPU数字部件（续）数字部件（续）n nD D锁存器锁存器锁存器锁存器D触发器的驱动方程？触发器的驱动方程？2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（6）1.CPU数字部件（续）数字部件（续）n n寄存器寄存器寄存器寄存器如何访问寄存器中的数据？如何访问寄存器中的数据？2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（7）1.CPU数字部件（续）数字部件（续）n n移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（8）1.CPU数字部件（续）数字部件（续）n nSRAMSRAM2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（9）2.计算机的基本模型计算机的基本模型 2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（10）3.CPU3.CPU工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU程序执行过程程序执行过程程序执行过程程序执行过程2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（11）3.CPU3.CPU工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU指令执行过程指令执行过程指令执行过程指令执行过程取指（取指（取指（取指（IFIF）-译码译码译码译码 （IDID）-执行（执行（执行（执行（IEIE）-写回（写回（写回（写回（WBWB）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（12）3.CPUCPU工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）n n取指令（取指令（取指令（取指令（IF)IF)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（13）3.CPUCPU工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）n n指令译码指令译码指令译码指令译码（ID)ID)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（14）3.CPU工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）n n指令执行（指令执行（指令执行（指令执行（IE)IE)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 工作过程（工作过程（15）3.CPU工作过程（续）工作过程（续）n nCPUCPU中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）中一条指令执行过程（续）n n写回（写回（写回（写回（WB)WB)所有指令执行时都有所有指令执行时都有wb吗？吗？2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 n n了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性了解处理器的必要性n n微处理器概况微处理器概况微处理器概况微处理器概况n n微处理器工作过程微处理器工作过程微处理器工作过程微处理器工作过程n n嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍嵌入式微处理介绍n n小结小结小结小结2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（1）1.典型的嵌入式系统典型的嵌入式系统MicroprocessorAddress BusData BusStatus BusGlue Logic andAddress DecodeClock Generationand DistributionReal Time ClockRandom Access Memory-RAMRead Only Memory-ROM(FLASH)Minimally Requirement for an Embedded SystemI/O Interface(D/A,A/D,Digital)CommunicationsOther PeripheralDevicesTo Outside WorldTo outside worldTo other devicesTo host ComputerTo UserWatchdog TimerNMI2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（2）2.2.嵌入式微处理器？嵌入式微处理器？嵌入式微处理器？嵌入式微处理器？用与嵌入式系统的处理器！用与嵌入式系统的处理器！用与嵌入式系统的处理器！用与嵌入式系统的处理器！CPUCPU MCU MCU（单片机）（单片机）（单片机）（单片机）DSP DSP SOCSOC 嵌入式系统微处理器嵌入式系统微处理器嵌入式系统微处理器嵌入式系统微处理器 （狭义）（狭义）（狭义）（狭义）2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（3）3.3.嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展n n第一个嵌入式处理器：第一个嵌入式处理器：第一个嵌入式处理器：第一个嵌入式处理器：TMS1000 TMS1000n nTI TI 公司公司公司公司n n4 4位位位位n nROMROM：10241024字节字节字节字节n nRAM:64 X 4 bitsRAM:64 X 4 bitsn nInput:4bitsInput:4bitsn nOutput:19Output:19位位位位n n成功成功成功成功8 8位嵌入式处理器位嵌入式处理器位嵌入式处理器位嵌入式处理器 8048-8048-80518051n nIntel Intel 公司公司公司公司n nRAM:512KRAM:512Kn n三个三个三个三个 1616位计数位计数位计数位计数n n24M Hz24M Hzn n3232个个个个 可编程可编程可编程可编程 I/OI/O2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（4）3.3.嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展n n位宽位宽位宽位宽4 4位位位位 TMS1000,COPS TMS1000,COPS 计算器、遥控器、玩具计算器、遥控器、玩具计算器、遥控器、玩具计算器、遥控器、玩具 8 8位位位位 8048,Z8 8048,Z8马达控制、电话录音马达控制、电话录音马达控制、电话录音马达控制、电话录音 1616位位位位 8096,68200 8096,68200 手机、手机、手机、手机、mp3.mp3.32 32 位位位位 ARM,MIPS32 Core ARM,MIPS32 Core 掌上电脑、掌上电脑、掌上电脑、掌上电脑、PDAPDA 6464位位位位 MIPS 64 Core MIPS 64 Core 多媒体多媒体多媒体多媒体2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（5）3.3.嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展n n复杂度复杂度复杂度复杂度n nCPU -MCU(CPU -MCU(单片机）单片机）单片机）单片机）(8086)(8096)(8086)(8096)n nMCU -SoC MCU -SoC(c51)(Xscale)(c51)(Xscale)n nSingle Core-Multi CoreSingle Core-Multi Core (C55)(OMAP)(C55)(OMAP)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论-嵌入式微处理器（嵌入式微处理器（6）3.3.嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展嵌入式系统微处理器的发展n n发行方式发行方式发行方式发行方式CPU CPU 器件器件器件器件 传统处理器传统处理器传统处理器传统处理器 IP Core ARM,MIPS,NIOS IP Core ARM,MIPS,NIOS 可定制可定制可定制可定制IP Core XtensaIP Core Xtensa (Tensilica)(Tensilica)2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（7）4.特点n速度快速度快nI/O功能强功能强n功率低功率低n稳定性好稳定性好n实时性好实时性好n体积小体积小2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（8）设想一下，普通手机电池能够维持设想一下，普通手机电池能够维持P4工作工作多长时间？多长时间？2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（9）5.5.主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器nMCU（传统单片机）（传统单片机）n优点优点n应用广应用广n开发资源丰富开发资源丰富n使用方便使用方便n成本低成本低n缺点缺点n性能低性能低2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（10）5.5.主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器主要的嵌入式微处理器nX86(EIA)n优点优点n软件移植方便，开发快捷软件移植方便，开发快捷n软件资源多软件资源多n功能强大功能强大n缺点缺点n体积大体积大n功耗高功耗高n实时性差实时性差2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（11）5.5.主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）nDSPn优点优点n速度快速度快n信号处理能力强信号处理能力强n缺点缺点nIO能力弱能力弱n开发平台使用不方便开发平台使用不方便2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（12）5.5.主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）主要的嵌入式微处理器（续）nSoCn优点优点n功能全面功能全面n系统设计方便系统设计方便n系统体积小系统体积小n功耗低功耗低n缺点缺点n可裁减性差可裁减性差2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（13）6.ARM 6.ARM（Advanced RISC Machine)Advanced RISC Machine)nARM是什么？是什么？嵌入式嵌入式RISC处理器核。处理器核。n为什么为什么ARM被广泛应用？被广泛应用？n简单简单便于和各种不同系统结合便于和各种不同系统结合n成熟成熟被广泛掌握被广泛掌握n低成本低成本利于市场推广利于市场推广2008.10北京大学软件与微电子学院概论概论 嵌入微处理器（嵌入微处理器（14）6.ARM 6.ARM（Advanced RISC Machine)Advanced RISC Machine)（续）（续）（续）（续）n发展历史发展历史n第一个第一个ARM原型，英国剑桥原型