嵌入式系統及應用南京郵電大學自動化學院2

本章簡介2.1嵌入式最小系統2.2嵌入式微處理器的基本特征及分類2.3典型的嵌入式微處理器2.4嵌入式微處理器的選型2.5嵌入式系統的存儲系統2.6嵌入式系統的常用外設接口2.7習題與思考32.1嵌入式最小系統對于同一款嵌入式處理器可以構造成規模不等、復雜程序不同的系統對于同一款處理器而言，存在著一個最基本的系統最基本系統的條件： 以某個處理器為核心的嵌入式系統中，處理器可以運行程序4嵌入式最小系統的作用嵌入式最小系統的作用：構建嵌入式系統的第一步，保證嵌入式處理器可以運行實際嵌入式系統的基礎逐步增加系統的功能，如：外圍硬件擴展、軟件及程序設計、操作系統移植、增加各種接口等，最終形成符合需求的完整系統5嵌入式最小系統的組成嵌入式系統最小系統組成部分：處理器內存時鐘調試接口電源和復位6嵌入式最小系統的組成圖2-1嵌入式最小系統7實際的嵌入式最小系統圖2-2最小系統中的各部件嵌入式最小系統各部分的功能8（1）電源電路通常采用交流電源經變壓器變壓、穩壓后，以某一固定的直流電壓值（例如3V、5V等）給嵌入式系統統一供電，在嵌入式系統的電路板上進行變壓、穩壓后，根據各部分的不同需要供給不同的電壓。一般情況下嵌入式芯片的微處理器核與芯片內其他外圍接口電路所使用的電壓不一定相同，且整個嵌入式系統其他部分芯片的電壓也不盡相同。嵌入式最小系統各部分的功能9（2）時鐘電路時鐘電路可分為片外時鐘和片內時鐘兩個部分。

片外時鐘是供給嵌入式芯片的時鐘電路，嵌入式芯片一般采用外接晶體振蕩器的方式引入時鐘源，芯片有兩個或多個引腳用于外接晶振，而且一般在需要外接晶振和嵌入式芯片之間加上相應的電容和電阻，起到濾波穩定作用。

片內時鐘是芯片上的時鐘電路，將外接晶振引入的時鐘經過處理后供給芯片上的處理器核和其他片上擴展控制器。不同芯片的時鐘電路也不盡相同。嵌入式最小系統各部分的功能10（3）調試接口從處理器芯片引出的物理上的在線調試JTAG（JointTestActionGroup，聯合測試工作組）接口。通過JTAG接口可以實現對程序代碼的下載和調試。（4）復位電路

復位電路實現對系統的復位功能。嵌入式系統中一般是以按鍵形式輸入相應的信號實現對芯片的復位，如在RESET引腳輸入連續的脈沖，使芯片復位重新啟動。不同芯片需要復位脈沖的個數和復位時間不同。嵌入式最小系統各部分的功能11（5）存儲系統嵌入式系統的存儲系統是由RAM和ROM組成的，它是整個嵌入式系統中很重要的部分。嵌入式系統的存儲器可分為片內存儲器和片外存儲器。一般片內存儲器較小，而片外存儲器可以根據芯片和實際嵌入式系統設計的需要擴展。如果嵌入式系統運行程序所占有的存儲空間相對較小，且芯片內部帶有相應的RAM或ROM能夠滿足使用的要求，則可不外擴存儲裝置，而直接使用芯片內部存儲器，但一般這樣做不利于以后的擴展。嵌入式最小系統各部分的功能12（6）接口電路接口電路可能是一種接口電路，也可能是多種。構成嵌入式系統時，在芯片上如已有外圍接口控制器，相應接口電路主要提供物理上的連接接口（如USB、Ethernet接口等），并根據需要實現電平信號轉換。如果芯片上沒有外圍接口控制器，則相應接口電路的構成較為復雜，需要增加接口控制器，如USB接口的USBN9603/9604、Ethernet接口的CS9800A。此外，還要考慮的一個問題是如何同其他芯片通信，是通過輸入/輸出接口還是通過芯片上的其他接口控制器進行。132.2嵌入式微處理器的基本特征及分類2.2.1嵌入式微處理器的基本特征

2.2.2嵌入式微處理器的分類14

體積小、集成度高、價格較低可擴展的處理器結構功耗很低對實時多任務有很強的支持能力具有功能很強的存儲區保護功能2.2.1嵌入式微處理器的基本特征15對全球嵌入式處理器的不完全統計：－－品種數量超過1000多種－－流行的體系結構達30余種2.2.2

嵌入式處理器的分類16嵌入式處理器分為四大類型：圖2-3嵌入式處理器種類17MPU與通用計算機中的CPU不同之處將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其它的冗余功能部分嵌入式微處理器在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用計算機中的CPU都做了各種增強

MPU常見系列

X86、Am186/88、ARM、MIPS、PowerPC、68K等1.

嵌入式微處理器(Micro-ProcessorUnit,MPU)18MCU特點

單片化

每種具有多種衍生產品

MCU種類

通用系列

代表性的包括

8051、P51XA、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、MC68300等

半通用系列例如，支持USB接口、I2C、CAN等眾多專用MCU和兼容系列2.嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit，MCU)

又稱為單片機19DSP特點系統結構

采用Harvard（哈佛）結構和專用的硬件乘法器指令系統快速DSP指令（屬RISC精簡指令集）適合于對處理器運算速度要求較高、向量運算較多的應用領域3.嵌入式DSP處理器(DigitalSignalProcssor,DSP)20SOC設計制造各種通用處理器內核（包括IP核）將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中一種標準器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中

用戶只需定義出其整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品4.嵌入式片上系統(SystemOnChip(SOC))212.3典型的嵌入式微處理器2.3.1單片機

2.3.2ARM

2.3.3MIPS

2.3.4PowerPC

2.3.5ColdFire221．單片機

單片機，全稱為單片微型計算機（Single-ChipMicrocomputer），又稱嵌入式微控制器，是把中央處理器、存儲器、定時器/計數器、各種輸入/輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。與應用在個人計算機中的通用微處理器相比，它不用外接硬件，能夠節約成本。它最大優點是體積小，可放在儀表內部；但是存儲量小，輸入/輸出接口簡單，功能較低。由于其發展非常迅速，舊的單片機的定義已不能滿足，因此在很多應用場合被稱為范圍更廣的微控制器。23成本低、可靠性高，但功能、性能和片上資源相對16位/32位/64位嵌入式微控制器也較簡單主流單片機包括CPU、4KB容量的RAM、128KB容量的ROM、兩個16位定時器/計數器、4個8位并行口、全雙工串行口、ADC、DAC、SPI、I2C、ISP、IAP。系統結構簡單，使用方便，能夠實現模塊化。單片機可靠性高，可工作到106

至107

小時無故障。處理功能強，速度快。低電壓，低功耗，便于生產便攜式產品。控制功能強。環境適應能力強。單片機特點

242．ARM

ASIC與IPASIC:專用集成電路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit）

IP:知識產權(IntellectualProperty）或稱為SIP（硅/半導體知識產權)—指芯片電路的制作方式或電路圖等方面的知識產權。廠商向擁有技術的IPProvider直接購買IP

以縮短Time-to-Market。25ARM（AdvancedRISCMachines）公司英國公司

90年代初，ARM率先推出32位RISC微處理器芯片系統SoC知識產權公開授權概念

IPProvider：出售ARMRISC構架的微處理器核心、外圍和系統芯片設計技術26小體積、低功耗、高性能而低成本。16/32位雙指令集支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8位/16位器件。大量使用寄存器，指令執行速度更快。大多數數據操作都在寄存器中完成。尋址方式靈活、簡單，執行效率高。指令長度固定。可支持多種操作系統，如WindowsCE、Linux、VxWorks、Android等。ARM內核及ARM處理器的特點

27圖2-4ARM全球合作伙伴28ARM微處理器系列ARM7ARM9ARM9EARM10EARM11SecurCoreIntel的StrongARM、Xscale

目前仍在不斷發展293．MIPS

MIPS公司設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商在RISC處理器方面占有重要地位

1999年MIPS公司發布MIPS32和MIPS64架構標準，為未來MIPS處理器的開發奠定了基礎

MIPS特點屬于高性能、高處理能力的高端嵌入式處理器目前其成本價格和開發工具價格也很昂貴304．PowerPC

PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活品種多，通用處理器&嵌入式控制器和內核例如

IBM公司的PowerPC405GPMotorolaMPC823e微處理器是一個高度綜合的片上系統（SOC）設備

PowerPC應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計算機系統，從消費類電子產品到大型通信設備315．68K/Coldfire

Motorola68000(68K)比Intel的8088還要早Coldfire是68K的低成本替代產品

68K/Coldfire主要應用于對實時性和可靠性要求較高的工業控制領域326．國產嵌入式處理器

方舟：(ARCA)2001年7月，中芯微系統公司研制出“方舟一號”

主要應用于網絡計算機、寬帶智能終端、交換機等，如神州數碼、聯想、美國慧智公司等的網絡計算機

與國外其它指令集不兼容，不支持高級的OS

龍芯：(GODSON,小名狗剩)2002年9月28號，中科院計算所研制與MIPS有些淵源

332.4嵌入式微處理器的選型2.4.1嵌入式微處理器的技術指標

2.4.2嵌入式微處理器的選項原則342.4.1嵌入式微處理器的技術指標

主要包括以下10項技術指標：(1)功能嵌入式微處理器的功能主要取決于處理器所集成的存儲器數量和外部設備接口的種類。集成的外部設備越多，功能越強大，設計硬件系統時需要擴展的器件就越少。所以選擇嵌入式微處理器時盡量選擇集成所需要的外部設備多的處理器，并且綜合考慮成本因素。35(2)字長字長是指參與運算的基本數位，決定了寄存器、運算器和數據總線的位數，因而直接影響硬件的復雜程度。處理器的字長越長，它包含的信息量越多，能表示的數值有效數位也越多，計算精度就越高。(3)處理速度處理器執行不同的操作所需要的時間是不同的，因而業界對運算速度存在不同的計算方法認知。36(4)工作溫度從工作溫度方面考慮，嵌入式微處理器通常分為民用、工業用、軍用、航天等幾個溫度級別。一般的民用溫度范圍是0℃～70℃，工業用的溫度范圍是-40℃～85℃，軍用的溫度范圍是-55℃～125℃，航天的溫度范圍更寬。

(5)功耗嵌入式微處理器通常給出幾個功耗指標，如工作功耗、待機功耗等。許多嵌入式微處理器還給出功耗與工作頻率之間的關系，表示為mW/Hz或W/Hz。37(6)尋址能力嵌入式微處理器的尋址能力取決于處理器地址線的數量，且處理器的處理能力與尋址能力又有一定的關系。因此，處理能力強的處理器，其地址線的數量多；處理能力低的處理器，其地址線的數量少。

(7)平均故障間隔時間平均故障間隔時間（MeanTimeBetweenFailures，MTBF）是指在相當長的時間內，機器工作時間除以運行期間內的故障次數。它是一個統計值，用來表示嵌入式系統的可靠性等。MTBF值越大，表示可靠性越高。38(8)性能價格比性能價格比是一種用來衡量處理器產品的綜合性指標。這里所講的性能主要是指處理器的處理速度、主存儲器的容量和存取周期、I/O設備配置情況、計算機的可靠性等；價格則指計算機系統的售價。性能價格比要用專門的公式計算。

(9)工藝工藝指標指是半導體和設計工藝兩個方面。目前大多數的嵌入式微處理器采用MOS的工藝。另外，大多數的嵌入式微處理器是采用靜態設計。39(10)電磁兼容性指標實際上，通常所說的電磁兼容性指標指的是系統級的電磁兼容性指標，取決于器件的選擇、電路的設計、工藝、設備的外殼等。雖然如此，嵌入式微處理器本身也具有電磁兼容性特性。嵌入式微處理器本身的電磁兼容性指標主要由半導體制造商的工藝水平決定。402.4.2嵌入式微處理器的選型原則

主要包括以下4項選型原則：(1)根據具體應用領域選擇MPU/MCU/DSP/SoC中的一種。例如：在高端數據處理應用領域，常選用嵌入式微處理器在實時控制領域，多選用嵌入式微控制器在數字圖像處理、多媒體信息設備等領域，往往選用嵌入式DSP處理器或帶有DSP內核的嵌入式片上系統

41(2)根據具體應用功能需求、性能指標、運行環境和成本預算等選擇芯片的具體型號和配置參數(3)關注生產廠商是否提供相應內置硬件調試工具和評估板

ICE等調試工具有助于很大程度縮短調試周期、降低調試難度評估板用于驗證自己的選型決策是否正確(4)對于32位及以上嵌入式處理器，關注是否有合適的嵌入式操作系統支持422.5嵌入式系統的存儲系統2.5.1存儲系統的層次結構

2.5.2存儲管理單元2.5.3常見的嵌入式系統存儲設備432.5.1

存儲系統的層次結構計算機系統的存儲器分為6個層次結構圖2-5存儲器系統層次結構44在這種存儲器分層結構中，上面一層的存儲器作為下一層存儲器的高速緩存。CPU內部寄存器就cache的高速緩存，寄存器保存來自cache的字；cache又是內存層的高速緩存，從內存中提取數據送給CPU進行處理，并將CPU的處理結果返回到內存中；內存又是主存儲器的高速緩存，它將經常用到的數據從Flash等主存儲器中提取出來，放到內存中，從而加快了CPU的運行效率。嵌入式系統的主存儲器容量是有限的，這時就需要用磁盤、光盤或CF卡、SD卡等外部存儲器來保存大信息量的數據。452.5.2

存儲管理單元存儲管理單元(MemoryManageUnit，MMU)是一種具有存儲器功能的計算機硬件單元，能在CPU中執行虛擬地址到物理地址的轉換，將地址從邏輯空間映射到物理空間，這個轉換過程一般稱為內存映射。MMU主要完成以下工作。（1）虛擬存儲空間到物理存儲空間的映射。（2）存儲器訪問權限的控制。（3）設置虛擬存儲空間的緩沖特性。462.5.3

常見的嵌入式系統存儲設備1．RAM無論數據在內存中的物理位置如何，RAM都能在幾乎相同的時間內讀取或寫入數據。2．ROMROM是一種非易失性存儲器，即斷電后數據不會丟失，但是存儲數據的速度較慢，因此它主要用來存儲無須經常更新的固件。3．FlashMemoryFlashMemory是一種非易失性存儲器，可以進行電擦除和重新編程。其既可以讀，也可以寫，但是寫的速度較慢，不適合存放動態數據。它主要用于存放設備固件和斷電后仍需長期保存的數據。472.5.3

常見的嵌入式系統存儲設備4．CompactFlash標準存儲卡（CompactFlash，CF卡）是一種主要用于便攜式電子設備的大容量閃存存儲設備。5．SecureDigitalCard安全數據卡（SecureDigitalCard，SD卡）是由SD卡協會（SDA）開發的用于便攜式設備的非易失性存儲卡格式。6．硬盤存儲器硬盤存儲器具有存儲容量大、使用壽命長、存取速度較快特點，它也是在嵌入式系統中常用的外部存儲器。482.6嵌入式系統的常用外設接口2.6.1GPIO接口

2.6.2UART接口2.6.3SPI接口2.6.4I2C總線接口2.6.5USB接口2.6.6IEEE1394接口492.6.1GPIO接口通用型輸入/輸出（General-PurposeInput/Output，GPIO）接口，作為輸入端口時，通過讀入引腳的狀態（高電平或低電平）；GPIO接口作為輸出端口時，通過輸出高電平或低電平來控制連接的外圍設備。GPIO接口是嵌入式系統、單片機開發過程中最常用的接口，用戶可以通過編程靈活地對接口進行控制，實現對電路板上LED燈、數碼管、按鍵等常用設備控制驅動，也可以將其作為串口的數據收/發管腳或A/D的接口等復用功能使用。502.6.2UART接口通用異步收發器（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter，UART）是一種通用串行數據總線，用于異步通信。該總線可以雙向通信，實現全雙工傳輸和接收。其優點是通信硬件電路簡單；其缺點是通信速度慢、有效傳輸距離短。UART作為一種通用的數據通信協議，它包括了RS232、RS499、RS423等接口標準規范和總線標準規范，即UART是異步串行通信口的總稱。而RS232、RS499、RS423等是對應各種異步串行通信口的接口標準和總線標準，它們規定了通信口的電氣特性、傳輸速率、連接特性和接口的機械特性等內容。512.6.3SPI接口串行外設接口（SerialPeripheralInterface，SPI）是Motorola公司推出的一種同步串行接口技術。SPI總線在物理上是通過外圍