微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計

1、自動化工程學院 楊峰Email:fyang@uestc.edu.cnMobile:13308176262,2024/1/21,1,/ 53,微處理器系統(tǒng)結構與嵌入式系統(tǒng)設計,第一章 概述,計算機的應用形式通用計算機與嵌入計算機普適計算與泛在通信半導體技術與計算機的發(fā)展機械式計算機、電子式計算機SoC、NoC嵌入式(計算機)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,計算機是什么？,2024/1/21,3,/ 53,計算機的分類,后PC時代：通用計算機、嵌入式計算機,2024/1/21,4,/ 53,嵌入式(計算機)系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學科，涉及計算機、微電子、網絡、通信、信號處理、傳感器等諸多領域。隨著現(xiàn)代微電子技術、微機電系統(tǒng)MEMS、片上系統(tǒng)SoC、納米材料、無線通信技術、信號處理技術、計算機網絡技術等的進步以及互聯(lián)網的迅猛發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)向集成化、微型化，智能化、網絡化

3、方向發(fā)展。,2024/1/21,5,/ 53,普適計算(無所不在的計算機),2024/1/21,6,/ 53,,,,,泛在通信(無所不在的通信),2024/1/21,7,/ 53,物聯(lián)網技術,2024/1/21,8,/ 53,物聯(lián)網技術,2024/1/21,9,/ 53,IT行業(yè)的四大定律,Moore定律 微處理器內晶體管集成度每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備誕生：巨型機、小型機、工作站、PC到PDA的演變、新一代計算設備……Gilder定律 未來25年（1996年預言）里，主干網的帶寬將每6個月增加一倍；Metcalfe定律 網絡價值同網絡用戶數的平方成正比；,2024/1/21,10,/ 53,計算機技術的發(fā)展,微電子技術計算機技術通信技術,2024/1/21,11,/ 53,節(jié)能 Power savings數字生活 Digit

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

6、 Transport Systems (ITS) ……,ITU-T 近年關注的熱門話題,信息的生成、獲取、存儲、傳輸、處理及其應用是現(xiàn)代信息科學的六大組成部分。,2024/1/21,12,/ 53,,機械式計算機的發(fā)展,2024/1/21,13,/ 53,機械式計算機的發(fā)展,2024/1/21,14,/ 53,電子技術和半導體技術的誕生,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ENIAC,2024/1/21,16,/ 53,第一臺存儲程序計算機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：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,軟硬件協(xié)同設計設計及驗證技術IP核生成和復用技術超深亞微米工藝及納米IC設計技術,2

10、024/1/21,22,/ 53,片上網絡(NOC) 技術,P處理器 M存儲器 C緩存 rni網絡接口S交換開關Dsp核 re可重構邏輯L專用邏輯,2024/1/21,23,/ 53,計算機發(fā)展的主要階段,第零代（1642~1945年）機械計算器和繼電器計算器第一代（1946～1955年）電子管計算機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）晶體管計算機以晶體管為邏輯部件，內存用磁芯，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）集成電路計算機以中小規(guī)模集成電路為主要部件，內存用磁芯、半導體，外存用磁盤。軟件廣泛使用操作系統(tǒng)，產生了分時、實時等操作系統(tǒng)和計算機網絡第四代（1980年至今）個人計算機以LSI、VLSI為主要部件，以半導體存儲器和磁盤為內、外存儲器。在軟件方法上產生了結構化程序設計和面向對象程序設計的思想

12、。網絡操作系統(tǒng)、數據庫管理系統(tǒng)得到廣泛應用。微處理器和微型計算機也在這一階段誕生并獲得飛速發(fā)展。第五代 無所不在的計算機生物計算機、模糊計算機、光計算機、量子計算機、超導計算機、……,2024/1/21,24,/ 53,,,,,,,2024/1/21,25,/ 53,,嵌入式(計算機)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 國內普遍認同的定義以各種形態(tài)嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng),,芯片級（MCU、SoC）板級（單板、模塊）設備級（工控機）,Embedded SystemEmbedded Computer SystemEmbedded Real-time SystemEmbedded Device,2024/1/21,27,/ 53,

14、以應用為中心 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數據RAM參數EEPROMNVRAM,并行接口串行接口音視頻接口網絡接口,,嵌入式操作系統(tǒng),應用軟件,VxWorksμc/OSWindows CE嵌入式Li

15、nux,編譯器鏈接器調試器,,集成軟件環(huán)境,硬件工具,仿真器編程器在線調試工具,外圍設備,鍵盤LCD存儲設備音頻設備專用設備,嵌入式系統(tǒng)的組成,2024/1/21,29,/ 53,嵌入式(計算機)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,網絡化、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 友好的人機界面 ……,,34/32,34/30,2024/1/21,34,/ 53,,計算機專業(yè)系列課程,核心,系統(tǒng)架構,軟件基礎,本課程涉及主要內容： 計算機體系結構與組成原理； 微處理器系統(tǒng)結構； 嵌入式系統(tǒng)設計技術；,硬件基礎,2024/1/21,35,/ 53,相關知識及課程,數字邏輯設計（

17、先修） EDA設計技術 數?；旌螴C設計技術 匯編語言程序設計 C語言程序設計 計算機組成原理與系統(tǒng)結構 嵌入式系統(tǒng)設計 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)結構及嵌入式系統(tǒng)設計（第二版）李廣軍等，電子工業(yè)出版社 ，2010 嵌入式系統(tǒng)原理及技術楊峰等，科學出版社，2014 系統(tǒng)體系結構（第5版）郭新房等譯. Stephen

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

19、作原理 6-7課時 第三章：微處理器體系結構及關鍵技術 6-7課時 第四章：總線技術與總線標準 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、程序設計 4-5課時 第十章：基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設計3課時 第十一章：基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設計3課時 第十二章：基于ARM微處理器核的SOC設計 2課時上課64學時（包括習題課），實驗16學時考核方式：平時10%+實驗15%+期中15%+期末60%,,第一章概述,1.1 計算機發(fā)展概述（了解）電子計算機發(fā)展概述普適計算與泛在通信1.2 集成電路與SoC設計（

21、理解）集成電路技術的發(fā)展基于IP的SoC設計1.3 先進的處理器技術（了解）片上多核處理器(CMP)流處理器(Stream Processor)PIM(Processor In Memory)可重構計算處理器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)狀與趨勢學習嵌入式系統(tǒng)的意義,,第二章計算機系統(tǒng)的結構組成與工作原理,2.1 計

22、算機系統(tǒng)的基本結構與組成（掌握）計算機系統(tǒng)的層次模型計算機系統(tǒng)的結構、組織與實現(xiàn)2.2 計算機系統(tǒng)的工作原理（掌握）馮·諾依曼計算機架構模型機系統(tǒng)結構模型機指令集模型機工作流程2.3 微處理器體系結構的改進（理解） 馮·諾依曼結構的改進并行技術的發(fā)展流水線結構超標量與超長指令字結構多機與多核結構2.4 計算機體系結構分類（理解）2.5 計算機性能評測（掌握）字長、存儲容量、運算

23、速度,,第三章微處理器體系結構及關鍵技術,3.1 微處理器體系結構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構（掌握） 一個簡化的處理器模型結構示例（理解） 3.2 處理器設計（理解） 處理器的設計步驟控制器的操作與功能隨機邏輯控制器設計微程序(微碼)控制器結構及設計寄存器組(register file)設計3.3 指令系統(tǒng)設計（掌握） 機器指令的組成指令格式指令類型尋址

24、方式指令系統(tǒng)設計要點3.4 指令流水線技術流水線技術的特點（掌握） 流水線操作的詳細說明（掌握） 流水線的局限性（理解） 指令流水線設計（理解） 3.5 典型微處理體系結構簡介（理解） ARM體系結構簡介Intel x86體系結構簡介,,第四章 總線技術與總線標準,4.1 總線技術（掌握） 總線技術概述總線仲裁總線操作與時序4.2 總線標準（理解） 片內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） 按存儲介質分類按讀寫策略分類5.2 半導體存儲芯片的基本結構與性能指標（掌握） 隨機存取存儲器只讀存儲器存儲器芯片的性能指標5.3 存儲系統(tǒng)的層次結構（掌握） 存儲系統(tǒng)的分層管理虛擬存儲器與地址映射現(xiàn)代計算機的多層次存儲體系5.4 主存儲器設計技術（掌握） 存儲芯片選型存儲芯片的組織形式地址譯碼技術存儲器接口設計設計,,第六章輸入輸

26、出接口,6.1 輸入/輸出接口基礎（掌握） 輸入/輸出接口功能與結構輸入/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、內核體系結構（了解）ARM 體系結構版本ARM 內核簡介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據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）數據處理指令轉移指令程序狀態(tài)寄存器訪問指令加載/存儲指令異常產生指令偽指令,,第九章ARM程序設計,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）符號定義偽指令數據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式9.3 ARM匯編語言程序設計（掌握）

29、ARM匯編語言程序結構ARM匯編語言程序實例9.4 ARM匯編語言與C/C++的混合編程（理解）C與匯編之間的函數調用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)設計,10.1 基于ARM微處理器的系統(tǒng)設計概述（理解）10.2 S3C2440A微處理器（了解）S3C2440A微處理器簡介S3C2440A內部結構及主要特性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位模塊JTAG調試接口外部存儲器模塊10.4 人機交互接口鍵盤與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)設計,11.1 嵌入式軟件系統(tǒng)結構及工作流程（掌握）11.2 嵌入式軟件系統(tǒng)的引導和加載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內核的移植（了解）Linux內核的結構內核的配置與裁剪內核的編譯Linux內核配置編譯實例11.4 Linux下驅動程序設計示例（了解）,,第十二章 基于ARM微處理器核的SoC設計,12.1 概述（了解）12.2 SoC設計SoC的典型結構（理解）SoC設計中的關鍵技術（了解）12.3 SoC的片上總線片上總線的特點（理解）SoC中常用

32、的總線標準（了解）12.4 SoC系統(tǒng)的設計流程（理解）SoC系統(tǒng)芯片的系統(tǒng)級設計 系統(tǒng)芯片的設計流程12.5 基于ARM內核的SoC系統(tǒng)設計（了解）常用ARM CPU內核所使用的總線接口基于ARM的SoC結構基于ARM內核的SoC系統(tǒng)應用設計舉例,,2024/1/21,53,/ 53,教學實驗裝置,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