嵌入式微处理器系统 第一章 概论 2007.9 北京大学软件与微电子学院.

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1 嵌入式微处理器系统 第一章 概论 2007.9 北京大学软件与微电子学院

2 概论 主要参考书： 《微处理器 (CPU) 的结构与性能 易建勋，清华大学出版社，2003
《嵌入式系统开发圣经》（第二版），探硅工作室，中国铁道出版社 北京大学软件与微电子学院

3 概论 了解处理器的必要性 微处理器概况 处理器工作过程 嵌入式微处理介绍 小结 北京大学软件与微电子学院

4 概论 -必要性（1） 必要性 汽车和发动机 选择最合适的发动机 从份发挥发动机的性能 系统设计的需要 2008.10
北京大学软件与微电子学院

5 概论 -必要性（2） 必要性（续） 手机和处理器 选择最合适的处理器 从份发挥处理的性能 系统设计的需要 2008.10
北京大学软件与微电子学院

6 概论 -必要性（3） 必要性（续） 用好处理器！ 北京大学软件与微电子学院

7 概论 了解处理器的必要性 微处理器概况 处理器工作过程 嵌入式微处理介绍 小结 北京大学软件与微电子学院

8 概论 -处理器概况（1） 计算机系统的发展历程 北京大学软件与微电子学院

9 概论 -处理器概况（2） 每18个月，集成电路的性能将提高一 倍，而其价格将减低一半。 摩尔定律（Gordon Moore) 2008.10
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10 概论 -处理器概况（3） 1. CPU (Center Processing Unit)的发展 第一台通用电子计算机 设计者：
J. Presper Eckert & Jon Mauchly (University of Pennsylvania) 名称： ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） 时间：二次大战（1946年公开） 性能 18000个真空管、 100 feet * 8.5 feet 20个10位寄存器 “+” ， 200us 用途：计算大炮发射表 北京大学软件与微电子学院

11 概论 -处理器概况（4） 1. CPU (Center Processing Unit)的发展 第一个微处理器
4004, Intel, 性能 主频：108kHz 最大寻址：640K RAM: 4096 bits for Program 1KX4bits for Data 规模：2250个晶体管 工艺：10um 价格：200 $ 发明人: Ted Hoff 1968, 加盟Intel 1982, 离开 北京大学软件与微电子学院

12 概论 -处理器概况（5） 1. CPU的发展（续） Pentium 4 性能 主频：3GHz 数据总线：64bits 地址总线：36bits
RAM: 512KB Cache 规模：4000多万个晶体管 工艺：0.13um 价格：$180 北京大学软件与微电子学院

13 概论 -处理器概况（6） 1. CPU的发展（续） CoreTM 2 DUO E6700 性能 双核 主频：2.66GHz
数据总线：64bits 地址总线：36bits RAM: 2MB smart Cache 规模：1亿个晶体管 工艺：0.065um 价格：$200 北京大学软件与微电子学院

14 概论 -处理器概况（7） 1. CPU的发展（续） 不同阶段的处理器（X86） 北京大学软件与微电子学院

15 概论 -处理器概况（8） 1. CPU的发展（续） X86 发展之路-主频（www.cpu-info.com） 2008.10
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16 概论 -处理器概况（9） 1. CPU的发展（续） X86 发展之路-规模（www.cpu-info.com） 2008.10
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17 概论 -处理器概况（10） 1. CPU的发展（续） X86 发展之路-工艺（www.cpu-info.com） 2008.10
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18 概论 -处理器概况（11） 2. CPU的分类 指令系统 CISC（Complex Instruction Set Computer）
Intel X86 AMD K6 TMS320XXX RISC （Reduced Instruction Set Computer） PowerPC ARM AVR MIPS 北京大学软件与微电子学院

19 概论 -处理器概况（12） 2. CPU的分类 处理器字长 8 bits 8088, 89C51 16 bits 8086, Ti 54X
80486, Ti C3X, C6X 64 bits Itanium，PowerPC 970 北京大学软件与微电子学院

20 概论 -处理器概况（13） 2. CPU的分类 总线（BUS）结构 Von Neumann （1944-6）
定义：指令和数据在同一个物理空间 例：X86 Harvard（Howard Aiken，1949） 定义：指令和数据在不同的物理空间 例：DSP 北京大学软件与微电子学院

21 概论 -处理器概况（14） 2. CPU的分类（续） 应用方式 应用领域 台式机 CPU 笔记本CPU 服务器CPU 嵌入式CPU MPU
MCU DSP 应用领域 台式机 CPU 笔记本CPU 服务器CPU 嵌入式CPU 北京大学软件与微电子学院

22 概论 -处理器概况（15） 3. CPU的性能评测 CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期
CPI= 一个程序的CPU时钟周期/该程序的指令数 CPU时间=IC（指令数）X CPI /时钟频率 时钟频率（周期）：由硬件技术决定 CPI：由处理器组成和指令系统决定 指令数：由指令系统和编译器决定 北京大学软件与微电子学院

23 概论 -处理器概况（16） 3. CPU的性能评测 MIPS：每秒百万条指令 MIPS=指令数/（指令的执行时间 X 106）
=时钟频率/（CPI X 106 ） 执行时间=指令数/（MIPS X 106 ） MIPS依赖于指令集 同一台机器的MIPS可能因程序而异 MIPS可能不能反映处理器的性能 北京大学软件与微电子学院

24 概论 -处理器概况（17） 3. CPU的性能评测 MFLOPS：每秒百万次浮点运算次数
MFLOPS=浮点运算次数/（浮点运算的时间 X 106） MFLOPS不能反映处理器的实际性能 通常用来比较浮点运算器的性能 Instruction数 和 Operation数可能不一致 北京大学软件与微电子学院

25 概论 -处理器概况（18） 4. CPU制造工艺 工艺发展 生产环境 加工精度提高-从10um 到 0.05um
硅片尺寸进一步加大-从3英寸 到 18英寸 连接材料改变 –Al到Cu 生产环境 每20cm2只 能有一粒微 尘（医院手 术室的100 00倍） 北京大学软件与微电子学院

26 概论 -处理器概况（19） 4. CPU制造工艺（续） 制造材料 硅原料 圆晶规格 目前的标准圆晶直径为200mm 正在向300mm发展
硅晶体棒 在圆晶上生成的芯片 圆晶规格 目前的标准圆晶直径为200mm 正在向300mm发展 北京大学软件与微电子学院

27 概论 -处理器概况（20） 4. CPU制造工艺（续） 光刻技术 光刻原理 光刻原理和光刻机 目前 0.045um技术已经成熟
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28 概论 -处理器概况（21） 4. CPU制造工艺（续） 基本工艺流程 掩模生成
将设计好的版图和数据通过图形生成器，转移到涂有感光材料的玻璃上。 光刻与刻蚀工艺 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。 掺杂工艺 在硅衬底上形成不同类型的半导体区域，构成个各种器件。 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硅。 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，形成薄膜层。 北京大学软件与微电子学院

29 概论 -处理器概况（22） 5. 提高CPU性能的方法 改进指令系统 X86 MMX 3DNow 改进体系结构 流水线 超标量 高速缓存
超线程 多核 北京大学软件与微电子学院

30 概论 -处理器概况（23） 5. 提高CPU性能的方法 改进加工工艺 减少CPU线宽 改进硅材料 采用铜线技术 改进工作环境 降低工作温度
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31 概论 -处理器概况（24） 6. 电气参数 工作电压 北京大学软件与微电子学院

32 概论 -处理器概况（25） 6. 电气参数 功率 北京大学软件与微电子学院

33 概论 -处理器概况（26） 7. 处理器规格 内核 片内外设 最高主频 总线结构 指令集 数据总线宽度 最大寻址空间 中断 定时器 通信单元
数据控制 …… 北京大学软件与微电子学院

34 概论 -处理器概况（27） 7. 处理器规格 片内资源 片外 RAM ROM 封装 电压 功耗 I/O 数据总线 地址总线 2008.10
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35 概论 -处理器概述（28） 8. 主要厂商及产品 Intel – X86，MSC51，Xscale
8. 主要厂商及产品 Intel – X86，MSC51，Xscale AMD –X86 Compatible， K6 VIA -X86 Compatible Ti – DSP （TMS320CXXX） ADI-DSP （ADSP，Blackfin) Atmel (AVR) RENESAS (SHXX) 北京大学软件与微电子学院

36 概论 -处理器概述（29） 8. 主要厂商及产品 Motorola (Freescale) – MC6800, PowerPC
8. 主要厂商及产品 Motorola (Freescale) – MC6800, PowerPC IBM- PowerPC 970 (64bits) HP – PA （DEC MIPS） ZIGLOG （Z80， rabbits4000） SUN - UltraSPARC ARM –ARM V3-6 中科院计算所-Godson（龙芯） 北大微处理器中心 –众志 北京大学软件与微电子学院

37 概论 -处理器概述（30） 9. 如何使用处理器手册？ Datasheet 指令集介绍 使用手册 参考设计 2008.10
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38 概论 了解处理器的必要性 微处理器概况 处理器工作过程 嵌入式微处理介绍 小结 北京大学软件与微电子学院

39 概论 –工作过程（1） 处理器的基本结构？ 北京大学软件与微电子学院

40 概论 –工作过程（1） 1. CPU数字部件 ALU 寄存器 RAM 乘法器 加法器 减法器 比较器 逻辑运算单元 D锁存器 移位寄存器
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41 概论 –工作过程（2） 1. CPU数字部件 数字部件示意图 北京大学软件与微电子学院

42 概论 –工作过程（3） 1. CPU数字部件（续） 加法器 全加器 多位加法如何实现？ 如何用加法器实现减运算？ X-Y=X+Y的补码
Y的补码=not Y + 1 北京大学软件与微电子学院

43 概论 –工作过程（4） 1. CPU数字部件（续） 乘法器 计算方法（2 X2) 计算过程 乘法器结构 2008.10
计算过程 乘法器结构 北京大学软件与微电子学院

44 概论 –工作过程（5） 1. CPU数字部件（续） D锁存器 D触发器的驱动方程？ 北京大学软件与微电子学院

45 概论 –工作过程（6） 1. CPU数字部件（续） 寄存器 如何访问寄存器中的数据？ 北京大学软件与微电子学院

46 概论 –工作过程（7） 1. CPU数字部件（续） 移位寄存器 北京大学软件与微电子学院

47 概论 –工作过程（8） 1. CPU数字部件（续） SRAM 北京大学软件与微电子学院

48 概论 –工作过程（9） 2. 计算机的基本模型 北京大学软件与微电子学院

49 概论 –工作过程（10） 3. CPU工作过程（续） CPU程序执行过程 北京大学软件与微电子学院

50 概论 –工作过程（11） 3. CPU工作过程（续） CPU指令执行过程
取指（IF）->译码 （ID） ->执行（IE） ->写回（WB） 北京大学软件与微电子学院

51 概论 –工作过程（12） 3. CPU工作过程（续） CPU中一条指令执行过程（续） 取指令（IF) 2008.10
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52 概论 –工作过程（13） 3. CPU工作过程（续） CPU中一条指令执行过程（续） 指令译码（ID) 2008.10
北京大学软件与微电子学院

53 概论 –工作过程（14） 3. CPU工作过程（续） CPU中一条指令执行过程（续） 指令执行（IE) 2008.10
北京大学软件与微电子学院

54 概论 –工作过程（15） 3. CPU工作过程（续） CPU中一条指令执行过程（续） 写回（WB) 所有指令执行时都有wb吗？
北京大学软件与微电子学院

55 概论 了解处理器的必要性 微处理器概况 微处理器工作过程 嵌入式微处理介绍 小结 北京大学软件与微电子学院

56 概论 –嵌入式微处理器（1） 1. 典型的嵌入式系统 2008.10 北京大学软件与微电子学院 Microprocessor
Address Bus Data Bus Status Bus Glue Logic and Address Decode Clock Generation and Distribution Real Time Clock Random Access Memory - RAM Read Only Memory - ROM ( FLASH ) Minimally Requirement for an Embedded System I/O Interface ( D/A, A/D, Digital ) Communications Other Peripheral Devices To Outside World To outside world To other devices To host Computer To User Watchdog Timer NMI 北京大学软件与微电子学院

57 概论 –嵌入式微处理器（2） 2. 嵌入式微处理器？ 用与嵌入式系统的处理器！ CPU MCU（单片机） DSP SOC 嵌入式系统微处理器
（狭义） 北京大学软件与微电子学院

58 概论 -嵌入式微处理器（3） 3. 嵌入式系统微处理器的发展 第一个嵌入式处理器： TMS1000
TI 公司 4位 ROM：1024字节 RAM: 64 X 4 bits Input: 4bits Output: 19位 成功8位嵌入式处理器 〉8051 Intel 公司 RAM: 512K 三个 16位计数 24M Hz 32个 可编程 I/O 北京大学软件与微电子学院

59 概论 -嵌入式微处理器（4） 3. 嵌入式系统微处理器的发展 位宽 4位 TMS1000, COPS 计算器、遥控器、玩具…
8位 , Z8 马达控制、电话录音… 16位 , 手机、mp3 ... 32 位 ARM, MIPS32 Core 掌上电脑、PDA… 64位 MIPS 64 Core 多媒体… 北京大学软件与微电子学院

60 概论 -嵌入式微处理器（5） 3. 嵌入式系统微处理器的发展 复杂度 (C55) (OMAP) CPU -> MCU (单片机）
(8086) (8096) MCU > SoC (c51) (Xscale) Single Core - > Multi Core (C55) (OMAP) 北京大学软件与微电子学院

61 概论 -嵌入式微处理器（6） 3. 嵌入式系统微处理器的发展 发行方式 CPU 器件 传统处理器
IP Core ARM, MIPS, NIOS 可定制IP Core Xtensa (Tensilica) 北京大学软件与微电子学院

62 概论 –嵌入微处理器（7） 4. 特点 速度快 I/O功能强 功率低 稳定性好 实时性好 体积小 北京大学软件与微电子学院

63 概论 –嵌入微处理器（8） 设想一下，普通手机电池能够维持P4工作 多长时间？ 北京大学软件与微电子学院

64 概论 –嵌入微处理器（9） 5. 主要的嵌入式微处理器 MCU（传统单片机） 优点 应用广 开发资源丰富 使用方便 成本低 缺点 性能低
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65 概论 –嵌入微处理器（10） 5. 主要的嵌入式微处理器 X86 (EIA) 优点 软件移植方便，开发快捷 软件资源多 功能强大 缺点
体积大 功耗高 实时性差 北京大学软件与微电子学院

66 概论 –嵌入微处理器（11） 5. 主要的嵌入式微处理器（续） DSP 优点 速度快 信号处理能力强 缺点 IO能力弱 开发平台使用不方便
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67 概论 –嵌入微处理器（12） 5. 主要的嵌入式微处理器（续） SoC 优点 功能全面 系统设计方便 系统体积小 功耗低 缺点 可裁减性差
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68 概论 –嵌入微处理器（13） 6. ARM （Advanced RISC Machine) ARM是什么？ 为什么ARM被广泛应用？ 简单
便于和各种不同系统结合 成熟 被广泛掌握 低成本 利于市场推广 北京大学软件与微电子学院

69 概论 –嵌入微处理器（14） 6. ARM （Advanced RISC Machine)（续） 发展历史 提供的解决方案
第一个ARM原型，英国剑桥Acorn公司。 基于ARM的台式机产品，20世纪80年代后期。 成立Advanced RISC Machine Limited, 1990 20世纪90年代，ARM 32bit嵌入式RISC处理器扩展到世界范围。 提供的解决方案 无线、消费电子和图像应用方面的开放平台。 存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统。 智能卡和SIM卡的安全应用。 北京大学软件与微电子学院

70 概论 –嵌入微处理器（15） 6. ARM （Advanced RISC Machine)（续） ARM的版本
V1, V2, V3, V4 (ARM 7，8，9), V5 (ARM 10),V6 (ARM 11) 名称含义 T:内含16位压缩指令集 Thumb D:支持片内Debug调试 M:采用增强型乘法器（Multiplier) I: 内含嵌入式ICE宏单元 E: 具有DSP功能 S:可综合的软核Software J: Jazeller,允许直接执行Java字节码 北京大学软件与微电子学院

71 概论 –嵌入微处理器（16） 6. ARM （Advanced RISC Machine)（续） ARM处理器系列特点 V1 V2 V3
基本数据处理（无乘法） 字节、半字和字的Load/Store指令 转移指令，软件中断指令 寻址空间：64MB V2 乘法和乘加指令 支持协处理器操作指令 快速中断模式 存储器和寄存器交换指令 V3 增加程序状态寄存器和程序状态保存寄存器 异常处理 寻址空间:4GB 北京大学软件与微电子学院

72 概论 –嵌入微处理器（17） 6. ARM （Advanced RISC Machine)（续） ARM处理器系列特点（续）
增加了16位Thumb指令集 完善了软件中断SWI的功能 处理器系统模式引进特权方式时使用用户寄存器操作 V5 带有连接和交换的转移BLX指令 计数前导零CLZ指令 增加了数字信号处理指令 为协处理器提供更多可选择的指令 V6 THUMBTM:35%代码压缩 DSP扩充：高性能定点DSP功能 JazelleTM: Java性能优化，可提高8倍 Media扩充：音/视频性能优化，可提高4倍。 北京大学软件与微电子学院

73 概论 –嵌入微处理器（18） 6. ARM （Advanced RISC Machine) (续） 生产ARM的厂商及产品 ATMEL
AT91 系列MCU (ARM7TDMI) Samsung S3C系列PDA用MCU(ARM7TDMI) Intel SA-1110 (strong ARM), Xscale (V5TE) OKI ML67000系列MCU TI OMAP ARM7+TMS5510 Sharp公司 LH77790手持式产品中的MPU Philips VWS GSM Processor Hyundai HMS31C2816 Flash Card Controller …… 北京大学软件与微电子学院

74 概论 –嵌入微处理器（19） 7. 为什么选择ARM作为目标 Semiconductor Dis-aggregation 2008.10
北京大学软件与微电子学院

75 概论 –嵌入微处理器（20） 7. 为什么选择ARM作为目标 ARM 最大的IP提供商 北京大学软件与微电子学院

76 概论 –嵌入微处理器（21） 7. 为什么选择ARM作为目标 应用广泛 北京大学软件与微电子学院

77 概论 –嵌入微处理器（22） 7. 为什么选择ARM作为目标 发展迅速 北京大学软件与微电子学院

78 概论 –嵌入微处理器（23） 7. 为什么选择ARM作为目标 资源多 北京大学软件与微电子学院

79 概论 –嵌入微处理器（24） 7. 为什么选择ARM作为目标 国内首选 北京大学软件与微电子学院

80 概论 –嵌入微处理器（25） 7. 如何为嵌入式系统选择处理器 原则：满足系统的最大需求 考虑因素 器件速度 外围接口 片内资源
开发难易程度 体积 功耗 价格 北京大学软件与微电子学院

81 概论 了解处理器的必要性 微处理器概况 微处理器工作过程 嵌入式微处理介绍 小结 北京大学软件与微电子学院

82 概论 –小结 学习和应用嵌入式系统必须掌握处理器的相关知识。。 CPU的指令执行过程可以分为四个步骤。。 RISC和CSIC各有其优缺点。。
嵌入式处理器有其自身的特点。 ARM时目前应用最为广泛的嵌入式处理器之一。 北京大学软件与微电子学院

83 作业 选择（详细）介绍一款微处理器芯片： （结合所确定的综合项目） 特点 性能 体系结构 总线 封装 应用领域
本月10日前提交到助教（DOC），12日课堂报告（PPT）（挑选6种） 北京大学软件与微电子学院