嵌入式系統概論-以S3C2440核心為架構 第1章 嵌入式系統概念

大綱 1.1嵌入式系統概念 1.2嵌入式處理器 1.3 ARM微處理器結構 1.4 ARM微處理器的應用類型選擇 第一顆四位元微處理器Intel 4004

大綱 1.1嵌入式系統概念 1.2嵌入式處理器 1.3 ARM微處理器結構 1.4 ARM微處理器的應用類型選擇 第一顆四位元微處理器Intel 4004 P-3/64

1.1嵌入式系統概念 　　　什麼是『嵌入式系統』呢﹖根據英國電機工程師協會(IEE)的定義，嵌入式系統為“控制、監視或輔助設備、機器或甚至工廠運作的裝置” 。 嵌入式系統是電腦軟體與硬體的綜合體，它是以應用為中心，以計算機技術為基礎。舉例來說，一台PC的外部設備中就包含了5~10個嵌入式微處理器，如鍵盤、滑鼠、掃描器、數位相機或USB集線器…等設備均由嵌入式處理器來進行控制。

1.1嵌入式系統概念 嵌入式系統的三種架構 IP (Intellectual Property)等級 晶片組等級 模組等級

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1.2.1嵌入式處理器簡介 任何微處理器MPU或微控制器MCU(即常稱的單晶微處理機)都可以作為嵌入式系統的核心。 用X86微處理器架構作為嵌入式系統的核心，具有開發方便和移植容易等優點，但是其體積大、功率消耗高和和即時性差等不足也給其帶來應用的局限。 P-7/64

1.2.1嵌入式處理器簡介 80386EX則是最早用於SoC型的單晶微處理機型的PC主機，它以80386微處理器為核心，在一個晶片組上整合了PC主機常用的I/O、即時時脈RTC、中斷控制器、DMA控制器、定時/計數器、並行/串列埠以及VGA的LCD液晶顯示器(驅動器)等，。 RISC(Reduced Instruction Set Computer)型處理器具有結構簡單、處理速度快和處理功能強等優點，所以新型的嵌入式系統大多數都採用RISC型處理器作為核心。 P-8/64

1.2.2 ARM架構處理器 目前ARM架構處理器已在高性能、低功率消耗、低成本的嵌入式應用領域佔據領先地位。 其中，主要為以下八大領域： P-9/64

1.2.2 ARM架構處理器 1、工業控制領域： 2、無線通訊領域： 3、網路應用： 4、消費性電子產品： 5、影像和保全產品： 6. 智慧型手機： 7.GPS導航機： 8. 智慧型機械人： P-10/64

1.2.3 ARM微處理器的特點 這種採用RISC架構的ARM微處理器一般都會具有如下的特點： 體積小、低消耗功率、低成本與高性能 支援Thumb（16位元）/ARM（32位元）雙指令集，也能相容8位元/16位元元件 大量使用暫存器，指令執行速度更快 大多數資料操作都在暫存器中完成 定址方式靈活簡單，執行效率高 指令長度固定 P-11/64

1.2.3 ARM微處理器的特點 Thumb指令集（T變量） 長乘法指令（M變量） Thumb指令集是ARM指令集的子集。這個T變量對於Ver4之前是無效的。而目前有兩種的Thumb指令集：Thumb 版本 v1（適用v4的T變量）與Thumb 版本 V1（適用v5的T變量） 長乘法指令（M變量） ARM指令集的M變量包含了4個附加的指令來實現32 x 32 → 64的乘法與32 x 32 + 64→64乘加運算。這些指令意謂著乘法器是需要相當龐大的運算資源。因此，在一些僅需小程式代碼以及不太需要乘法功能所實現的晶片組中，有時是省略這些指令的。 P-12/64

1.2.3 ARM微處理器的特點 增強型DSP指令（E變量） 為了實現一般的DSP運算法，提供了一些附加的指令來增強ARM處器的功能。這些指令是意義在v5T版本上，因此在之前的版本是無效的，同時，在不具T變量與M變量的結構中，亦是無效的。 將個別的功能特性的字串加以連接起來，以表示完成所支援的功能。 ARM指令集版本號碼 變量符號（除了M變量外），因為在這一系列的結構中，v4及以上的版本都將M變量視為標準的配置，所以不加以列出。 若在v3以上的版本中，所描述的變量特性沒有出現的話，則以x字母來排除這項代表這變量的字母。 P-13/64

1.2.4 ARM7微處理器系列 ARM7微處理器系列具有如下特點： 具有嵌入式ICE－RT邏輯，除錯開發非常方便。 極低的消耗功率，適合對消耗功率要求較高的應用，如手持式或可攜式型產品。 能夠提供0.9MIPS/MHz的三級管線結構。 程式代碼密度高並相容的16位元Thumb指令集。 廣泛地支援各種作業系統，其中，包括了Windows CE、Linux或是Palm OS等作業系統。 P-14/64

1.2.5 ARM9微處理器系列 ARM9系列微處理器在高性能和低消耗功率特性方面提供了最佳的性能。其中，具有以下的特點： 5級整數管線，指令執行效率更高。 提供1.1MIPS/MHz的哈佛結構。 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux以及Palm OS等多種主流的嵌入式作業系統。 MPU支援即時操作系統。 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。 P-15/64

1.2.6 ARM9E微處理器系列 ARM9E系列微處理器的主要特點： 支援DSP指令集，適合於需要高速數位信號處理的場合。 5級整數管線，指令執行效率更高。 支援32位元ARM指令集和16位元Thumb指令集。 支援32位元的高速AMBA匯流排界面。 支援VFP9浮點處理輔助運算器。 全功能的MMU，可支援Windows CE、Linux以及Palm OS等多種主流嵌入式作業系統。 MPU支援即時操作系統。 支援資料Cache和指令Cache，具有更高的指令和資料處理能力。 主頻最高可達300MIPS。 P-16/64

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1.3.1 RISC系列結構 傳統的CISC（Complex Instruction Set Computer，複雜指令集電腦）結構有其固有的缺點。 RISC體系結構也還沒有嚴格的定義，一般認為，RISC體系結構應具有如下特點： 採用固定長度的指令格式，指令整齊、簡單、基本定址方式有2～3種。 使用單週期指令，便於管線操作執行。 大量使用暫存器，資料處理指令只對暫存器進行操作，只有載入/ 存回（Load/Store）指令可以存取記憶體，以提高指令的執行效率。 除此以外，ARM系列結構還採用了一些特別的技術，在保證高性能的前提下，儘量縮小晶片的面積，並降低消耗功率： 所有的指令都可根據前面的執行結果決定是否被執行，從而提高指令的執行效率。 可用載入/存回指令大量傳輸資料，以提高資料的傳輸效率。 可在一條資料處理指令中，同時完成邏輯處理和移位元處理。 在迴圈處理中，使用位址的自動遞增/遞減來提高執行效率。 P-18/64

1.3.2 ARM微處理器的暫存器結構 ARM微處理器共有37個暫存器，被分為若干個記憶體組（BANK），這些暫存器包括： 31個通用暫存器，包括程式計數器（PC指標器），均為32位的暫存器。 6個狀態暫存器，用以標識CPU的工作狀態及程式的運行狀態，均為32位元，目前只使用了其中的一部分。 P-19/64

1.3.3 ARM微處理器的指令結構 ARM微處理器的在較新的體系結構中支援兩種指令集：ARM指令集和Thumb指令集。 ARM指令為32位元的長度；Thumb指令為16位元長度，為ARM指令集的功能子集。 Thumb代碼與相同效能的ARM代碼相比較，可節省30％～40％以上的儲存空間，同時具備32位元代碼的所有優點。 P-20/64

1.3.4 ARM微處理器的記憶體存取 ARM系列的微處理器是具備范紐曼（Von Neumann）機器。 ARM系列的CPU可以經由匯流排對某個記憶體區塊來做資料存取的工作，而整個系統的記憶體僅能在同一時間回應一個要求而已。 ARM微處理器以單一32-bit的資料匯流排同時攜帶了指令與資料。而僅有載入與存回，以及切換指令能夠從記憶體來存取資料。 P-21/64

1.3.5 智慧型電能管理器 為了讓可攜式的手持設備具有最高的電池使用壽命以及使用時間，就提出了智慧型電能管理器（Intelligent Energy Manager (IEM)）功能。而其特性如下所列： IEM動態地控制ARM處理器與其他晶片上元件，使之執行在能量消耗效率最高的水平上，同時保證良好的使用者體驗。 IEM增加了電池壽命 IEM 在傳統的功率消耗控制方法上，增加性能比例控制硬體，可以减少静態和動態功率消耗 P-22/64

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1.4 ARM微處理器的應用類型選擇 ARM微處理器核心的選擇 系統工作頻率 晶片組內的記憶體容量 晶片內週邊電通道的選擇 P-24/64

問題與討論 : 何謂嵌入式系統，試解釋之？ 請讀者列出嵌入式系統的應用領域？ 試簡述之，ARM、Thumb與Thumb-2的關係。 請讀者上網查循哪些手機或是產品採用S3C2440處理器？