微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

1、自動化工程學(xué)院 楊峰Email:fyang@uestc.edu.cnMobile:13308176262,2024/1/21,1,/ 53,微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計,第一章 概述,計算機(jī)的應(yīng)用形式通用計算機(jī)與嵌入計算機(jī)普適計算與泛在通信半導(dǎo)體技術(shù)與計算機(jī)的發(fā)展機(jī)械式計算機(jī)、電子式計算機(jī)SoC、NoC嵌入式(計算機(jī))系統(tǒng) 概念、特點、組成、發(fā)展趨勢課程體系介紹,2024/1/21,

2、2,/ 53,計算機(jī)是什么？,2024/1/21,3,/ 53,計算機(jī)的分類,后PC時代：通用計算機(jī)、嵌入式計算機(jī),2024/1/21,4,/ 53,嵌入式(計算機(jī))系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學(xué)科，涉及計算機(jī)、微電子、網(wǎng)絡(luò)、通信、信號處理、傳感器等諸多領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS、片上系統(tǒng)SoC、納米材料、無線通信技術(shù)、信號處理技術(shù)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的進(jìn)步以及互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)向集成化、微型化，智能化、網(wǎng)絡(luò)化

3、方向發(fā)展。,2024/1/21,5,/ 53,普適計算(無所不在的計算機(jī)),2024/1/21,6,/ 53,,,,,泛在通信(無所不在的通信),2024/1/21,7,/ 53,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2024/1/21,8,/ 53,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),2024/1/21,9,/ 53,IT行業(yè)的四大定律,Moore定律 微處理器內(nèi)晶體管集成度每18個月翻一番Bell定律 如果保持計算能力不變，微處理器的價格每18個月減少一半；

4、每10年會有一類新的計算設(shè)備誕生：巨型機(jī)、小型機(jī)、工作站、PC到PDA的演變、新一代計算設(shè)備……Gilder定律 未來25年（1996年預(yù)言）里，主干網(wǎng)的帶寬將每6個月增加一倍；Metcalfe定律 網(wǎng)絡(luò)價值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比；,2024/1/21,10,/ 53,計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,微電子技術(shù)計算機(jī)技術(shù)通信技術(shù),2024/1/21,11,/ 53,節(jié)能 Power savings數(shù)字生活 Digit

5、al life泛在傳感器網(wǎng)絡(luò) Ubiquitous Sensor Networks (USN) 高性能視頻會議High-Performance Video Conferencing 數(shù)字安全Sybersecurity下一代網(wǎng)絡(luò)及功效Next-Generation Networks and Energy Efficiency 遠(yuǎn)距離協(xié)作工具Remote Collaboration Tools智能傳送網(wǎng) Intelligent

6、 Transport Systems (ITS) ……,ITU-T 近年關(guān)注的熱門話題,信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應(yīng)用是現(xiàn)代信息科學(xué)的六大組成部分。,2024/1/21,12,/ 53,,機(jī)械式計算機(jī)的發(fā)展,2024/1/21,13,/ 53,機(jī)械式計算機(jī)的發(fā)展,2024/1/21,14,/ 53,電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的誕生,電子管(vacuum tube)時代,晶體管(transistor)時代第一個晶體管的誕生,20

7、24/1/21,15,/ 53,第一代電子管計算機(jī)ENIAC,2024/1/21,16,/ 53,第一臺存儲程序計算機(jī)EDSAC,2024/1/21,17,/ 53,從分立到集成,第一塊IC誕生之后，基爾比在IRE(美國無線電工程師學(xué)會)的一次會議上宣布了“固體電路”(Solid circuit)的出現(xiàn)，這就是以后的“集成電路”的代名詞 。,2024/1/21,18,/ 53,集成度迅猛發(fā)展,2024/1/21,19,/ 53,Gord

8、on Moore：Intel的創(chuàng)始人之一,IC技術(shù)：SSI/MSI-> LSI-> VLSI-> ULSI-> GLSI->……晶圓尺寸：100mm-> 125mm-> 150mm-> 200mm-> 300mm-> 400mm->……特征尺寸：3µm-> 2µm-> 1.2µm-> 0.8µm->

9、; 0.5µm-> 0.35µm->0.25µm -> 0.18µm-> 0.13µm-> 90nm-> 65nm -> 45nm ->……,Intel Core i7 四核處理器,2024/1/21,21,/ 53,,系統(tǒng)級芯片 (SOC) 技術(shù),軟硬件協(xié)同設(shè)計設(shè)計及驗證技術(shù)IP核生成和復(fù)用技術(shù)超深亞微米工藝及納米IC設(shè)計技術(shù),2

10、024/1/21,22,/ 53,片上網(wǎng)絡(luò)(NOC) 技術(shù),P處理器 M存儲器 C緩存 rni網(wǎng)絡(luò)接口S交換開關(guān)Dsp核 re可重構(gòu)邏輯L專用邏輯,2024/1/21,23,/ 53,計算機(jī)發(fā)展的主要階段,第零代（1642~1945年）機(jī)械計算器和繼電器計算器第一代（1946～1955年）電子管計算機(jī)以電子管為邏輯部件，以陰極射線管、磁芯和磁鼓等為存儲手段。軟件采用機(jī)器語言，后期采用匯編語言。第二代（1955～196

11、5年）晶體管計算機(jī)以晶體管為邏輯部件，內(nèi)存用磁芯，外存用磁盤。軟件廣泛采用高級語言，并出現(xiàn)了早期的操作系統(tǒng)。第三代（1965～1980年）集成電路計算機(jī)以中小規(guī)模集成電路為主要部件，內(nèi)存用磁芯、半導(dǎo)體，外存用磁盤。軟件廣泛使用操作系統(tǒng)，產(chǎn)生了分時、實時等操作系統(tǒng)和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第四代（1980年至今）個人計算機(jī)以LSI、VLSI為主要部件，以半導(dǎo)體存儲器和磁盤為內(nèi)、外存儲器。在軟件方法上產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計的思想

12、。網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。微處理器和微型計算機(jī)也在這一階段誕生并獲得飛速發(fā)展。第五代 無所不在的計算機(jī)生物計算機(jī)、模糊計算機(jī)、光計算機(jī)、量子計算機(jī)、超導(dǎo)計算機(jī)、……,2024/1/21,24,/ 53,,,,,,,2024/1/21,25,/ 53,,嵌入式(計算機(jī))系統(tǒng),2024/1/21,26,/ 53,嵌入式系統(tǒng)的定義,IEEE定義devices used to control, monitor，or a

13、ssist the operation equipment , machinery or plants 國內(nèi)普遍認(rèn)同的定義以各種形態(tài)嵌入到對象體系中的專用計算機(jī)系統(tǒng),,芯片級（MCU、SoC）板級（單板、模塊）設(shè)備級（工控機(jī)）,Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device,2024/1/21,27,/ 53,

14、以應(yīng)用為中心 軟、硬件可裁剪 對體積、功耗、實時性、可靠性、功能、成本等有嚴(yán)格約束,嵌入式系統(tǒng)的特點,2024/1/21,28,/ 53,,硬件,軟件,開發(fā)系統(tǒng),,嵌入式處理器,存儲器系統(tǒng),外部接口,EMPUEMCUEDSPESoCEPSoC,程序ROM數(shù)據(jù)RAM參數(shù)EEPROMNVRAM,并行接口串行接口音視頻接口網(wǎng)絡(luò)接口,,嵌入式操作系統(tǒng),應(yīng)用軟件,VxWorksμc/OSWindows CE嵌入式Li

15、nux,編譯器鏈接器調(diào)試器,,集成軟件環(huán)境,硬件工具,仿真器編程器在線調(diào)試工具,外圍設(shè)備,鍵盤LCD存儲設(shè)備音頻設(shè)備專用設(shè)備,嵌入式系統(tǒng)的組成,2024/1/21,29,/ 53,嵌入式(計算機(jī))系統(tǒng),2024/1/21,30,/ 53,2024/1/21,31,/ 53,,2024/1/21,32,/ 53,,2024/1/21,33,/ 53,,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,網(wǎng)絡(luò)化、支持分布式計算可編程、可在線更新集成度

16、提高、SoC/NoC開發(fā)平臺的完備化 友好的人機(jī)界面 ……,,34/32,34/30,2024/1/21,34,/ 53,,計算機(jī)專業(yè)系列課程,核心,系統(tǒng)架構(gòu),軟件基礎(chǔ),本課程涉及主要內(nèi)容： 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與組成原理； 微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)；,硬件基礎(chǔ),2024/1/21,35,/ 53,相關(guān)知識及課程,數(shù)字邏輯設(shè)計（

17、先修） EDA設(shè)計技術(shù) 數(shù)?；旌螴C設(shè)計技術(shù) 匯編語言程序設(shè)計 C語言程序設(shè)計 計算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計 嵌入式操作系統(tǒng),2024/1/21,36,/ 53,教材及推薦參考書,微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計（第二版）李廣軍等，電子工業(yè)出版社 ，2010 嵌入式系統(tǒng)原理及技術(shù)楊峰等，科學(xué)出版社，2014 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（第5版）郭新房等譯. Stephen

18、D. B.著，清華大學(xué)出版社，2007計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦等，高等教育出版社，2008 現(xiàn)代計算機(jī)組成原理潘松等，，科學(xué)出版社，2007ARM體系結(jié)構(gòu)與編程杜春雷，清華大學(xué)出版社，2007,2024/1/21,37,/ 53,2024/1/21,38,/ 53,2024/1/21,39,/ 53,教學(xué)進(jìn)度及考核安排,第一章：概述 3-4課時 第二章：計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工

19、作原理 6-7課時 第三章：微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 6-7課時 第四章：總線技術(shù)與總線標(biāo)準(zhǔn) 7-8課時 第五章：存儲器系統(tǒng) 8-9課時 第六章：輸入/輸出接口 6-7課時 第七章：ARM微處理器編程模型 4課時 第八章: ARM匯編指令 4-5課時 第九章： ARM

20、程序設(shè)計 4-5課時 第十章：基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計3課時 第十一章：基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計3課時 第十二章：基于ARM微處理器核的SOC設(shè)計 2課時上課64學(xué)時（包括習(xí)題課），實驗16學(xué)時考核方式：平時10%+實驗15%+期中15%+期末60%,,第一章概述,1.1 計算機(jī)發(fā)展概述（了解）電子計算機(jī)發(fā)展概述普適計算與泛在通信1.2 集成電路與SoC設(shè)計（

21、理解）集成電路技術(shù)的發(fā)展基于IP的SoC設(shè)計1.3 先進(jìn)的處理器技術(shù)（了解）片上多核處理器(CMP)流處理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重構(gòu)計算處理器1.4 嵌入式系統(tǒng)（了解）嵌入式系統(tǒng)的概念 嵌入式系統(tǒng)的特點嵌入式系統(tǒng)中的處理器嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的意義,,第二章計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理,2.1 計

22、算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成（掌握）計算機(jī)系統(tǒng)的層次模型計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組織與實現(xiàn)2.2 計算機(jī)系統(tǒng)的工作原理（掌握）馮·諾依曼計算機(jī)架構(gòu)模型機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型機(jī)指令集模型機(jī)工作流程2.3 微處理器體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)（理解） 馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進(jìn)并行技術(shù)的發(fā)展流水線結(jié)構(gòu)超標(biāo)量與超長指令字結(jié)構(gòu)多機(jī)與多核結(jié)構(gòu)2.4 計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類（理解）2.5 計算機(jī)性能評測（掌握）字長、存儲容量、運算

23、速度,,第三章微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù),3.1 微處理器體系結(jié)構(gòu)及功能模塊簡介處理器的主要功能及部件（掌握） 處理器的基本功能結(jié)構(gòu)（掌握） 一個簡化的處理器模型結(jié)構(gòu)示例（理解） 3.2 處理器設(shè)計（理解） 處理器的設(shè)計步驟控制器的操作與功能隨機(jī)邏輯控制器設(shè)計微程序(微碼)控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計寄存器組(register file)設(shè)計3.3 指令系統(tǒng)設(shè)計（掌握） 機(jī)器指令的組成指令格式指令類型尋址

24、方式指令系統(tǒng)設(shè)計要點3.4 指令流水線技術(shù)流水線技術(shù)的特點（掌握） 流水線操作的詳細(xì)說明（掌握） 流水線的局限性（理解） 指令流水線設(shè)計（理解） 3.5 典型微處理體系結(jié)構(gòu)簡介（理解） ARM體系結(jié)構(gòu)簡介Intel x86體系結(jié)構(gòu)簡介,,第四章 總線技術(shù)與總線標(biāo)準(zhǔn),4.1 總線技術(shù)（掌握） 總線技術(shù)概述總線仲裁總線操作與時序4.2 總線標(biāo)準(zhǔn)（理解） 片內(nèi)AMBA總線PCI系統(tǒng)總線異步串行通信總線

25、,,第五章 存儲器系統(tǒng),5.1 存儲器件的分類（掌握） 按存儲介質(zhì)分類按讀寫策略分類5.2 半導(dǎo)體存儲芯片的基本結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)（掌握） 隨機(jī)存取存儲器只讀存儲器存儲器芯片的性能指標(biāo)5.3 存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（掌握） 存儲系統(tǒng)的分層管理虛擬存儲器與地址映射現(xiàn)代計算機(jī)的多層次存儲體系5.4 主存儲器設(shè)計技術(shù)（掌握） 存儲芯片選型存儲芯片的組織形式地址譯碼技術(shù)存儲器接口設(shè)計設(shè)計,,第六章輸入輸

26、出接口,6.1 輸入/輸出接口基礎(chǔ)（掌握） 輸入/輸出接口功能與結(jié)構(gòu)輸入/輸出端口編址6.2 接口地址譯碼（掌握） 6.3 接口信息傳輸方式（掌握）程序查詢傳輸方式程序中斷傳輸方式直接存儲器訪問(DMA)方式通道方式6.4 并行接口（掌握）無握手信號并行接口帶握手信號的并行接口可編程并行接口6.5 串行接口（理解）同步串行接口異步串行接口,,第七章 ARM微處理器編程模型,7.1 ARM

27、內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)（了解）ARM 體系結(jié)構(gòu)版本ARM 內(nèi)核簡介7.2 ARM 編程模型（理解）處理器工作狀態(tài)處理器運行模式寄存器組織數(shù)據(jù)類型和儲存格式異常,,第八章 ARM匯編指令,8.1 ARM指令格式（掌握）ARM指令的一般編碼格式ARM指令的條件域指令的第二源操作數(shù)8.2 ARM尋址方式（掌握）立即尋址寄存器直接尋址寄存器移位尋址寄存器間接尋址基址變址尋址多寄存器直接尋址相對尋

28、址堆棧尋址8.3 ARM指令集（掌握）數(shù)據(jù)處理指令轉(zhuǎn)移指令程序狀態(tài)寄存器訪問指令加載/存儲指令異常產(chǎn)生指令偽指令,,第九章ARM程序設(shè)計,9.1 ARM程序開發(fā)環(huán)境（掌握）常用ARM程序開發(fā)環(huán)境簡介RVDS開發(fā)環(huán)境簡介9.2 匯編語言偽指令（掌握）符號定義偽指令數(shù)據(jù)定義偽指令匯編控制偽指令其他常用偽指令匯編語言中常用的符號常用的運算符和表達(dá)式9.3 ARM匯編語言程序設(shè)計（掌握）

29、ARM匯編語言程序結(jié)構(gòu)ARM匯編語言程序?qū)嵗?.4 ARM匯編語言與C/C++的混合編程（理解）C與匯編之間的函數(shù)調(diào)用C/C++語言和匯編語言的混合編程,,第十章基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計,10.1 基于ARM微處理器的系統(tǒng)設(shè)計概述（理解）10.2 S3C2440A微處理器（了解）S3C2440A微處理器簡介S3C2440A內(nèi)部結(jié)構(gòu)及主要特性S3C2440A外部引腳10.3 ARM微處理器最小硬

30、件系統(tǒng)（掌握）電源模塊時鐘模塊復(fù)位模塊JTAG調(diào)試接口外部存儲器模塊10.4 人機(jī)交互接口鍵盤與LED接口（掌握）LCD顯示接口（理解）觸摸屏接口（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微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計,11.1 嵌入式軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程（掌握）11.2 嵌入式軟件系統(tǒng)的引導(dǎo)和加載Boot Loader程序的基本概念（掌握）U-Boot的

31、分析與移植（理解）11.3 嵌入式Linux內(nèi)核的移植（了解）Linux內(nèi)核的結(jié)構(gòu)內(nèi)核的配置與裁剪內(nèi)核的編譯Linux內(nèi)核配置編譯實例11.4 Linux下驅(qū)動程序設(shè)計示例（了解）,,第十二章 基于ARM微處理器核的SoC設(shè)計,12.1 概述（了解）12.2 SoC設(shè)計SoC的典型結(jié)構(gòu)（理解）SoC設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)（了解）12.3 SoC的片上總線片上總線的特點（理解）SoC中常用

32、的總線標(biāo)準(zhǔn)（了解）12.4 SoC系統(tǒng)的設(shè)計流程（理解）SoC系統(tǒng)芯片的系統(tǒng)級設(shè)計 系統(tǒng)芯片的設(shè)計流程12.5 基于ARM內(nèi)核的SoC系統(tǒng)設(shè)計（了解）常用ARM CPU內(nèi)核所使用的總線接口基于ARM的SoC結(jié)構(gòu)基于ARM內(nèi)核的SoC系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計舉例,,2024/1/21,53,/ 53,教學(xué)實驗裝置,ARM集成開發(fā)環(huán)境建立ARM匯編實現(xiàn)LED控制實驗ARM匯編實現(xiàn)串口通信實驗ARM-Linux開發(fā)環(huán)境建立A