第2章 嵌入式系统结构

（3） 哈佛结构的例子
DSP器件往往采用哈佛结构。
图2.5 DSP的基本结构
2.2.2 指令体系结构 计算机的指令结构指的是构成计算机的指令集及指令 控制实现的方式。 指令结构的根本区别在于CPU内部的存储类型，这与 CPU内的寄存器等有关。按照计算机的指令结构划分，计 算 机 可 分 为 复 杂 指 令 集 结 构 计 算 机 （ Complex Instruction Set Computer，简称CISC）和精简指令集 结构计算机（Reduced Instruction Set Computer，简 称RISC）。复杂指令集结构计算机（CISC）强调指令的 功能性要求，具有庞大的指令集，其指令控制实现方式由 定时控制逻辑单元决定，其控制器多采用微程序设计技术， 构成微程序控制器；精简指令集结构计算机（RISC）指 令数目有限，强调指令的规整及使用效率，其指令控制实 现方式也由定时控制逻辑单元决定，但其控制器多采用硬 布线设计技术，构成硬布线控制器。
（3） 冯.诺依曼结构的例子
早期的通用计算机往往采用冯.诺依曼体 系结构。8086系统的存储结构如图2.3所示。
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哈佛体系结构
（1） 哈佛体系结构概述
图2.4给出了哈佛体系结构各主要模块电路的 总线连接方式。
图2.4 哈佛体系结构计算机的存储结构
（2） 哈佛结构的特点 哈佛体系结构的计算机主要具有以下特点： 程序存储器与数据存储器在物理上是分开的。程序存储器 和数据存储器通过不同的程序总线和数据总线（可以是多 条）与CPU连接，对程序指令的读取和对数据的存取可以 同时进行，提高了数据吞吐率。且一般程序总线宽度要宽 于数据线。 控制器多采用硬布线技术实现，控制速度快，实时性好。 该体系结构的处理器具有简单的指令集，其指令系统多为 RISC（精简指令集结构）结构体系。指令周期较短且大 多数指令执行周期相同，可实现流水线操作。 具有灵活的功能扩展特性。通过系统总线，可以对存储器 及功能模块进行扩展，以提高存储空间，改变系统存储器 类型或增加系统附加功能。
硬件/软件同样重要、不可偏废 硬件是骨架，软件是皮肉器脏及思想 预习、听课、复习、实验环环都重要 用科学的方法学习
第2章
嵌入式系统结构
主要内容： 嵌入式系统的基本概念
嵌入式系统的硬件结构
嵌入式系统的软件基础
嵌入式系统的存储器
应用最广泛的嵌入式系统。
第2章
嵌入式系统结构
2.1 嵌入式系统的基本概念 2.1.1 什么是嵌入式系统 国际电气工程师协会（IEEE）将嵌入式系统概括为： 嵌入式系统是用来控制或监视机器、装置或工厂等大规 模系统的设备。这种概括较全面地阐述了嵌入式系统的 作用；但作为概念理解，尚不够明确。国内的有关专家 将嵌入式系统定义为，嵌入式系统是指嵌入到对象体系 中的专用计算机系统或嵌入式计算机系统。我们认为， 这个定义更容易理解和接受。 构成嵌入式系统的三要素是：计算机、嵌入性、专用性。 计算机——它是智能化控制基础，这里的计算机显然是嵌 入式计算机，其核心是嵌入式处理器； 嵌入性——隐含着形态、物理空间的限制，描述了嵌入式 系统的特点； 专用性——具有满足对象要求的外部电路实现，体现了与 通用计算机系统的不同。
单片机原理及应用
授课教师：李冰
参考教材
1、胡汉才，单片机原理及其接口技术，清华 大学出版社 2、何立民，单片机高级教程，北京航空航天 大学出版社 3、李广第， 单片机基础，北京航空航天大 学出版社
有关本课程学习的几点建议
本课程的前期基础课程是数字电路与微机原理 这方面知识掌握得不够好的请自己补上 本课程是一门实践性、应用性很强的学科 仅仅听懂还不够,重在培养动手能力
2.2
嵌入式系统硬件结构
2.2.1 存储体系结构 计算机的存储结构指的是存储器结构以及存储器与 CPU的物理连接方式和工作方式。计算机工作的主要过程 就是CPU与存储器交换数据的过程。存储结构在很大程度 上决定了计算机（包括嵌入式计算机）的指令结构、功能 及应用范围。故存储结构是计算机体系结构的重要内容。 按照存储体系结构划分，计算机体系结构有两种类 型：一类是程序存储器和数据存储器处于同一个空间内， 与CPU采用单一总线连接的冯.诺依曼体系结构，又称普 林斯顿体系结构；另一类是程序存储器和数据存储器各自 独立、严格分工，它们与CPU之间采用不同总线（多根总 线）连接的哈佛体系结构。
2 RISC指令结构
（1） RISC指令结构的概念 1975年IBM公司开始研究指令系统的合理性问题，并由IBM的John Cocke提出精简指令系统的想法。 （2） RISC指令结构的特点 RISC结构的计算机的主要特点包括： 具有一个有限的简单指令集。选用使用频率最高（80%-90%）的一些简单指 令。指令长度固定，指令格式种类少，指令数一般少于100条，寻址方式种 类少，一般少于4种。 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；CPU 配备大量的通用寄存器，以寄存器——寄存器方式工作，减少访问存储器操 作。因为，CPU访问寄存器要比访问存储器快得多。 强调指令流水线的优化，使大多指令可在一个时钟周期内执行完毕。采用优 化编译技术，对寄存器分配进行优化，保证流水线畅通。 指令控制器采用硬布线方式和由阵列逻辑实现的组合电路控制器（即由硬件 实现）；基于RISC指令结构的嵌入式处理器多采用哈佛存储结构加以实现。
2.1.4 嵌入式系统的发展 1 SoC化 将计算机做在一个芯片上，从而开创了嵌入式系统独 立发展的SoC化时代。尽管制约SoC发展的因素仍很多， 如设计、测试、封装、工艺制造等，但SoC的趋势非常明 显，SoC确实有着巨大的市场潜力。特别是随着EDA工具、 IP核的开发、MEMS研究、SoP的开发等技术的融合，实 现广义上的SoC指日可待。 2 网络化 为适应嵌入式系统分布处理结构和应用上网需求，面 向21世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通 信接口和相应的TCP/IP协议簇等软件支持。这些市场需 求，无疑将对嵌入式系统的发展注入巨大的推动力。因此， 嵌入式系统的网络化势在必行。
（2） CISC指令结构的特点
CISC指令结构的计算机的主要特点有： 指令丰富，兼容性好。表现在指令数多、指令格式多、寻址方式多， 便于理解和编程，因而适合初学者。但同时，CISC指令系统复杂， 不易记忆。 采用微程序控制，即由软件实现的控制器来产生控制信号，控制指令 的执行。 绝大多数指令需要多个时钟周期才能执行完成；复杂的指令更使指令 的执行周期大大加长。而RISC指令一般需要一个时钟周期就能执行 完成。 CISC指令中，最常用的一些简单指令仅占总指令的20%，但在程序 中出现的频率却占80%；较少用的占指令总数20%的复杂指令，为实 现其功能而设计的微程序代码却占总代码的80%。这就是20%与80% 理论。 复杂指令系统必然增加硬件实现的复杂性，这不仅增加了研制时间、 成本以及设计失误的可能性，而且简单指令和复杂指令在同一机器中， 很难实现流水线操作。
2.1.2嵌入式系统的特点
1 嵌入式系统的应用特点
实时性。 专用性和可裁剪性。 安全性和可靠性。 体积小和重量轻。 复杂的应用环境。 低功耗。 产品生产成本的敏感度。
在这诸多特点当中，价格、功耗以及专用性尤为 突出，成为嵌入式系统设计者考虑的关键因素。
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嵌入式系统产业的特点和要求
嵌入式系统工业是高度分散的工业 嵌入式系统工业是一个分散的工业，充满了竞争、机遇与创新， 没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即便在体系 结构上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司、 少数产品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是 高度分散的，留给各个行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。 另外，社会上的各个应用领域是在不断向前发展的，要求其中的嵌入 式系统核心也同步发展，这也构成了推动嵌入式工业发展的强大动力。 所以说，嵌入式系统工业的基础是以应用为中心的“芯片”设计和面 向应用的软件产品开发。 嵌入式系统具有个性应用特征 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于 应用自行发展，则会失去市场。嵌入式系统的功耗、体积、成本、可 靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约， 这些也是各个半导体厂商之间竞争的热点。
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3 芯片级 芯片级模式是基于嵌入式处理器（如MCU、EMPU和 DSP）的嵌入式系统，它们根据各种应用系统的不同要求， 选用相应的嵌入式处理器芯片、存储器（RAM和ROM） 及I/O接口芯片等组成相应的嵌入式系统；相应的系统软 件和应用软件也以固件形式固化在ROM中。它们是典型 的嵌入式系统形态，是本书讨论的对象。 微控制器（Microcontroller Unit，简称MCU） 微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式 系统工业的主流。微控制器的片上资源一般比较丰富，适 合于控制，所以称其为微控制器。 嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，简称 EMPU）
2.1.3嵌入式系统的应用模式
按应用形态划分，嵌入式系统可分为设备级（工控 机）、板级（单板、模块）、芯片级（MCU、DSP） 和SoC级。设备级、板级可看作通用计算机的嵌入式系 统应用模式，芯片级和SoC级则是专用计算机的嵌入式 系统应用模式。 设备级模式 设备级模式（工控机）是嵌入式系统的最早形态，是 通过将通用计算机加固而实现的，具有通用计算机的形 态和操作系统。 板级模式 板级模式是指以各种性能卓越的工业级32位通用微处 理器（如X86处理器）为核心构成的功能模块或功能板， 如一些通用CPU处理器生产厂家将在通用微处理器方面 的技术和产品“移植”到嵌入式应用领域，制成x86的 小型工控板或工控卡，在各种自动化设备、数字机械产 品中有非常广阔的应用空间。
2.1.5 嵌入式系统的组成 嵌入式系统也就是嵌入式计算机系统，从大的方面说， 与计算机系统的组成一样，由硬件和软件两部分组成。嵌 入式系统的硬件包括：嵌入式处理器以及外围硬件设备； 嵌入式系统的软件则包括：嵌入式操作系统以及特定的应 用程序。所以说，嵌入式系统由嵌入式处理器、外围硬件 设备、嵌入式操作系统以及特定的应用程序等组成。各部 分的关系如图2.1所示。