嵌入式微处理器系统知识讲解.ppt
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1、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
2、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
3、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)
4、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
5、 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、
6、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,1971.1140
7、04,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,
8、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
9、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
10、: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
11、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
12、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)PowerPCPowerPCARMARMAVRAVRM
13、IPSMIPS2008.10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(
14、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
15、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
16、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
17、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
18、 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(
19、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 nInstructi
20、onInstruction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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、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
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