微处理器系统结构与嵌入式系统设计（一）

作者： Saint
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微处理器系统结构与嵌入式系统设计

Chapter1

1计算机的应用形式及发展

1.1现代信息科学的六大组成部分：
（1）信息的生成，获取，存储，传输，处理及其应用。
（2）计算机在信息的后五部分都能起到关键作用。
（3）计算机的发展一直和数字电路设计的发展相辅相成，互相促进。

1.2 IT行业的四大定律
（1）Moore定律（1965年）
集成电路内可容纳晶体管的数目每18个月翻一番；
（2）Bell定律（1972年）
由于半导体、存储、接口和网络方面的技术进步，每10年会有一类新的计算设备诞生：巨型机、微机、工作站、平板电脑、可穿戴设备……
（3）Metcalfe定律（1993年）
网络价值同网络用户数的平方成正比；
（4）Gilder定律（1996年）
未来25年里，主干网带宽将每6个月增加一倍；

IC技术：SSI/MSI-> LSI-> VLSI-> ULSI-> GLSI->……
晶圆尺寸：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 ->……

1.3普适计算和泛在通信
普适计算：强调和环境融为一体的计算概念，即人们能够在任何时间、任何地点、以任何方式进行信息的获取与处理。
泛在通信：即广泛存在的通信，以实现在任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅地通信为目标。

2.集成电路与SOC设计

2.1集成电路：通过一系列特定的加工工艺，将晶体管，二极管等有源器件和电阻，电容，电感等无源器件，按照一定的电路互联，集成在一块半导体晶片上，封装在一个外壳内，执行特定电路或系统功能的一种器件。

2.2标志IC技术水平的两个重要指标：集成规模和特征尺寸。
集成规模：集成度，是单个集成电路芯片容纳的元件个数。随着面积不断增大，使得一个芯片可以容纳更多的晶体管，芯片面积大约每代产品增加√2倍。
特征尺寸：标志了集成电路工艺所能实现的最小线宽。特征尺寸不断减小，使单个器件占用的面积不断减小，从而使芯片内的晶体管数目得以这增加，特征尺寸大约每三年缩小√2倍。

2.3.1 SOC：系统级芯片，片上系统，系统芯片，系统集成芯片，系统芯片集，主要含义是单芯片上集成微电子应用产品所需的所有功能系统。
产品层面：是一个有专用目标的集成电路，其中包括完整系统并有嵌入式软件的全部内容。

技术层面：用以实现从确定系统功能开始，到软、硬件划分，并完成设计的整个过程，从狭义角度讲，他是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上；从广义角度讲，他是微小型系统，一般将SOC定义为将微处理器、模拟IP核、数字IP核、存储器及各种控制接口等硬件和软件集成在单一芯片上。

2.3.2 SOC优势:
（1）降低电量。随着电子产品向小型化，便捷化发展，对省电方面的需求将大幅提升，由于SOC产品多采用内部信号的传输，可以大幅降低功耗。
（2）减小体积。数片IC整合在一片SOC后，可以有效的缩小电路板占用的面积，达到体重轻、体积小的目的。
（3）丰富的系统功能。随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，SOC可整合更多的功能组件，丰富系统功能。
（4）提高速度。随着芯片内部传输距离的缩短，信号传输效率将提高。
（5）节省成本。理论上IP模块的出现可以减少研发成本，但实际上，由于芯片内部结构的复杂性增强，也有可能导致测试成本增加，以及生产成品率下降。

2.3.3 SOC的基本组成

SOC包括一个可编程处理器、片上存储器、由硬件实现的加速功能单元、模拟部件及数模混合部件。IP是构成SOC的基本单元。

2.3.4 CMP片上多核处理器
特点：
（1）易扩展。
（2）设计可复用。
（3）低功耗。
（4）容忍线延迟。

多核处理器并行结构：
提高计算机性能的方法：1.提高时钟频率，加快CPU执行速度。2.流水线技术。3.并行处理技术
多处理器组织方式：1.对称多处理机 2.机群系统
计算机系统模型：1.单指令单数据SISD 2.单指令多数据SIMD 3.多指令单数据MISD 4.多指令多数据MIMD

3.嵌入式系统：以各种形态嵌入到对象体系中的专用计算机系统。
各种形态：芯片级（MCU、SoC）、板级（单板、模块）、设备级（工控机）

3.1嵌入式系统的特点：
（1）以应用为中心
（2）软、硬件可裁剪
（3）对体积、功耗、实时性、可靠性、功能、成本等有严格约束

3.2嵌入式系统的组成