2019/9/28,1,/ 53,微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì),1,第一章 概述,計(jì)算機(jī)的應(yīng)用形式 通用計(jì)算機(jī)與嵌入計(jì)算機(jī) 普適計(jì)算與泛在通信 半導(dǎo)體技術(shù)與計(jì)算機(jī)的發(fā)展 機(jī)械式計(jì)算機(jī)、電子式計(jì)算機(jī) SoC、NoC 嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng) 概念、特點(diǎn)、組成、發(fā)展趨勢 課程體系介紹,2,計(jì)算機(jī)是什么？,3,計(jì)算機(jī)的分類,后PC時(shí)代：通用計(jì)算機(jī)、嵌入式計(jì)算機(jī),4,嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng),嵌入式系統(tǒng)是一門交叉學(xué)科，涉及計(jì)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(jì)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)化方向發(fā)展。,5,普適計(jì)算(無所不在的計(jì)算機(jī)),6,泛在通信(無所不在的通信),7,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),8,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),9,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(gè)月翻一番 Bell定律 如果保持計(jì)算能力不變，微處理器的價(jià)格每18個(gè)月減少一半； 每10年會(huì)有一類新的計(jì)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(jì)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(gè)月增加一倍； Metcalfe定律 網(wǎng)絡(luò)價(jià)值同網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的平方成正比；,10,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,微電子技術(shù) 計(jì)算機(jī)技術(shù) 通信技術(shù),11,節(jié)能 Power savings 數(shù)字生活 Digital life 泛在傳感器網(wǎng)絡(luò) Ubiquitous Sensor Networks (USN) 高性能視頻會(huì)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 Transport Systems (ITS) ,ITU-T 近年關(guān)注的熱門話題,信息的生成、獲取、存儲(chǔ)、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。,12,機(jī)械式計(jì)算機(jī)的發(fā)展,13,機(jī)械式計(jì)算機(jī)的發(fā)展,14,電子技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)的誕生,電子管(vacuum tube)時(shí)代,晶體管(transistor)時(shí)代 第一個(gè)晶體管的誕生,15,第一代電子管計(jì)算機(jī)ENIAC,16,第一臺(tái)存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)EDSAC,17,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(huì))的一次會(huì)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 。,18,集成度迅猛發(fā)展,19,Gordon 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- 0.5µm- 0.35µm-0.25µm - 0.18µm- 0.13µm- 90nm- 65nm - 45nm -,20,Intel Core i7 四核處理器,21,系統(tǒng)級芯片 (SOC) 技術(shù),軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及驗(yàn)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(jì)技術(shù),22,片上網(wǎng)絡(luò)(NOC) 技術(shù),P處理器 M存儲(chǔ)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,23,計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要階段,第零代（16421945年）機(jī)械計(jì)算器和繼電器計(jì)算器 第一代（19461955年）電子管計(jì)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(chǔ)手段。軟件采用機(jī)器語言，后期采用匯編語言。 第二代（19551965年）晶體管計(jì)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（19651980年）集成電路計(jì)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(shí)、實(shí)時(shí)等操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第四代（1980年至今）個(gè)人計(jì)算機(jī) 以LSI、VLSI為主要部件，以半導(dǎo)體存儲(chǔ)器和磁盤為內(nèi)、外存儲(chǔ)器。在軟件方法上產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)和面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)的思想。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(jì)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(jì)算機(jī) 生物計(jì)算機(jī)、模糊計(jì)算機(jī)、光計(jì)算機(jī)、量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)計(jì)算機(jī)、,24,25,嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng),26,嵌入式系統(tǒng)的定義,IEEE定義 devices used to control, monitor，or assist 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(jì)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 System Embedded Computer System Embedded Real-time System Embedded Device,27,以應(yīng)用為中心 軟、硬件可裁剪 對體積、功耗、實(shí)時(shí)性、可靠性、功能、成本等有嚴(yán)格約束,嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn),28,硬件,軟件,開發(fā)系統(tǒng),嵌入式處理器,存儲(chǔ)器系統(tǒng),外部接口,EMPU EMCU EDSP ESoC EPSoC,程序ROM 數(shù)據(jù)RAM 參數(shù)EEPROM NVRAM,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,VxWorks c/OS Windows CE 嵌入式Linux,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(chǔ)設(shè)備 音頻設(shè)備 專用設(shè)備,嵌入式系統(tǒng)的組成,29,嵌入式(計(jì)算機(jī))系統(tǒng),30,31,32,33,嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,網(wǎng)絡(luò)化、支持分布式計(jì)算 可編程、可在線更新 集成度提高、SoC/NoC 開發(fā)平臺(tái)的完備化 友好的人機(jī)界面 ,34/32,34/30,34,計(jì)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(jì)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(jì)技術(shù)；,硬件基礎(chǔ),35,相關(guān)知識(shí)及課程,數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)（先修） EDA設(shè)計(jì)技術(shù) 數(shù)?；旌螴C設(shè)計(jì)技術(shù) 匯編語言程序設(shè)計(jì) C語言程序設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì) 嵌入式操作系統(tǒng),36,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(jì)（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 D. B.著，清華大學(xué)出版社，2007 計(jì)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(jì)算機(jī)組成原理 潘松等，科學(xué)出版社，2007 ARM體系結(jié)構(gòu)與編程 杜春雷，清華大學(xué)出版社，2007,37,38,39,教學(xué)進(jìn)度及考核安排,第一章：概述 3-4課時(shí) 第二章：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理 6-7課時(shí) 第三章：微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù) 6-7課時(shí) 第四章：總線技術(shù)與總線標(biāo)準(zhǔn) 7-8課時(shí) 第五章：存儲(chǔ)器系統(tǒng) 8-9課時(shí) 第六章：輸入/輸出接口 6-7課時(shí) 第七章：ARM微處理器編程模型 4課時(shí) 第八章: ARM匯編指令 4-5課時(shí) 第九章： ARM程序設(shè)計(jì) 4-5課時(shí) 第十章：基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3課時(shí) 第十一章：基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3課時(shí) 第十二章：基于ARM微處理器核的SOC設(shè)計(jì) 2課時(shí) 上課64學(xué)時(shí)（包括習(xí)題課），實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí) 考核方式：平時(shí)10%+實(shí)驗(yàn)15%+期中15%+期末60%,40,第一章 概述,1.1 計(jì)算機(jī)發(fā)展概述（了解） 電子計(jì)算機(jī)發(fā)展概述 普適計(jì)算與泛在通信 1.2 集成電路與SoC設(shè)計(jì)（理解） 集成電路技術(shù)的發(fā)展 基于IP的SoC設(shè)計(jì) 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(jì)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(diǎn) 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,41,第二章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理,2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成（掌握） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次模型 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、組織與實(shí)現(xiàn) 2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理（掌握） 馮·諾依曼計(jì)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類（理解） 2.5 計(jì)算機(jī)性能評測（掌握） 字長、存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度,42,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(gè)簡化的處理器模型結(jié)構(gòu)示例（理解） 3.2 處理器設(shè)計(jì) （理解） 處理器的設(shè)計(jì)步驟 控制器的操作與功能 隨機(jī)邏輯控制器設(shè)計(jì) 微程序(微碼)控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì) 寄存器組(register file)設(shè)計(jì) 3.3 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)（掌握） 機(jī)器指令的組成 指令格式 指令類型 尋址方式 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn) 3.4 指令流水線技術(shù) 流水線技術(shù)的特點(diǎn)（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(jì)（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,43,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(shí)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,44,第五章 存儲(chǔ)器系統(tǒng),5.1 存儲(chǔ)器件的分類（掌握） 按存儲(chǔ)介質(zhì)分類 按讀寫策略分類 5.2 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo)（掌握） 隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器芯片的性能指標(biāo) 5.3 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)（掌握） 存儲(chǔ)系統(tǒng)的分層管理 虛擬存儲(chǔ)器與地址映射 現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的多層次存儲(chǔ)體系 5.4 主存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)技術(shù)（掌握） 存儲(chǔ)芯片選型 存儲(chǔ)芯片的組織形式 地址譯碼技術(shù) 存儲(chǔ)器接口設(shè)計(jì)設(shè)計(jì),45,第六章 輸入輸出接口,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(chǔ)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,46,第七章 ARM微處理器編程模型,7.1 ARM 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(yùn)行模式 寄存器組織 數(shù)據(jù)類型和儲(chǔ)存格式 異常,47,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(chǔ)指令 異常產(chǎn)生指令 偽指令,48,第九章 ARM程序設(shè)計(jì),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(yùn)算符和表達(dá)式 9.3 ARM匯編語言程序設(shè)計(jì)（掌握） ARM匯編語言程序結(jié)構(gòu) ARM匯編語言程序?qū)嵗?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(shù)調(diào)用 C/C+語言和匯編語言的混合編程,49,第十章 基于ARM微處理器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì),10.1 基于ARM微處理器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)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微處理器最小硬件系統(tǒng)（掌握） 電源模塊 時(shí)鐘模塊 復(fù)位模塊 JTAG調(diào)試接口 外部存儲(chǔ)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）,50,第十一章基于ARM微處理器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(shí)例 11.4 Linux下驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)示例（了解）,51,第十二章 基于ARM微處理器核的SoC設(shè)計(jì),12.1 概述（了解） 12.2 SoC設(shè)計(jì) SoC的典型結(jié)構(gòu)（理解） SoC設(shè)計(jì)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(diǎn)（理解） SoC中常用的總線標(biāo)準(zhǔn)（了解） 12.4 SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程（理解） SoC系統(tǒng)芯片的系統(tǒng)級設(shè)計(jì) 系統(tǒng)芯片的設(shè)計(jì)流程 12.5 基于ARM內(nèi)核的SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)（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(jì)舉例,52,教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置,53,ARM集成開發(fā)環(huán)境建立 ARM匯編實(shí)現(xiàn)LED控制實(shí)驗(yàn) ARM匯編實(shí)現(xiàn)串口通信實(shí)驗(yàn) ARM-Linux開發(fā)環(huán)境建立 ARM-Linux下模塊方式驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶒?yàn) ARM-Linux下鍵盤及數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ARM-Linux下LCD驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ARM-Linux下觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ARM-Linux下SD卡驅(qū)動(dòng)程序及文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ARM-Linux下AC97音頻驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn) ARM-Linux下以太網(wǎng)通信實(shí)驗(yàn),教學(xué)內(nèi)容實(shí)驗(yàn),54,第一章 習(xí)題,作業(yè)：2、3、5、8 思考：4、6、9,2019/9/28,55,/ 53,55,