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第四章

第四章. 嵌入式系統微處理器. 本章學習重點. 微處理器的基本架構 CISC 與 RISC 的差異 數位訊號處理器 SoC 嵌入式系統微處理器. 嵌入式系統微處理器的發展. 在市場的佔有率來看，其中 8 位元的產品即佔了一半左右的市場，其次是 16 位元及 32 位元的產品 。 嵌入式系統微處理器可以分成兩種 一種是微處理器內部僅包含單純的中央處理器單元，稱為一般用途型微處理器 一種是將中央處理器、 ROM 、 RAM 及 I/O 等等裝置做到同一顆晶片上，這種微處理器稱為單晶片控制器 。. 嵌入式系統微處理器的發展 （續 ).

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  1. 第四章 嵌入式系統微處理器 嵌入式系統導論, 探矽工作室

  2. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 本章學習重點 • 微處理器的基本架構 • CISC與RISC的差異 • 數位訊號處理器 • SoC嵌入式系統微處理器

  3. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 嵌入式系統微處理器的發展 • 在市場的佔有率來看，其中8位元的產品即佔了一半左右的市場，其次是16位元及32位元的產品 。 • 嵌入式系統微處理器可以分成兩種 • 一種是微處理器內部僅包含單純的中央處理器單元，稱為一般用途型微處理器 • 一種是將中央處理器、ROM、RAM及I/O等等裝置做到同一顆晶片上，這種微處理器稱為單晶片控制器 。

  4. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 嵌入式系統微處理器的發展 （續) • 以位元數來對嵌入式系統微處理器做分類

  5. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 8位元嵌入式系統微處理器 • 8位元的微處理器具有低成本、可擴充記憶體及周邊設備等等優點。 • Intel公司8051系列的產品 • MCS51系列。 • Motorola公司 • Motorola 6801。 • Zilog公司 • Z8

  6. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 16位元的嵌入式系統微處理器 • Intel公司 • 8086、80286、8089

  7. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 32位元以上的嵌入式系統微處理器 • Intel公司 • 80386 • 32位元以上嵌入式系統微處理器代表性產品及出現年代圖

  8. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 微處理器的基本架構

  9. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 協同微處理器 • 協同微處理器是一種輔助性的嵌入式系統微處理器 。 • 常見的有處理浮點運算以及數位訊號處理器(DSP)等等 。 • 浮點運算協同微處理器及搭配的X86架構微處理器

  10. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 精簡指令集架構微處理器 • 以微處理器的指令集部分的特性，可以分成兩種主要的架構，一種是CISC (複雜指令集 Complex Instruction Set Computer)架構，另一種則是RISC (精簡指令集 Reduced Instruction Set Computer)架構。 • RISC架構主要用於有規律並且常用的指令解碼及資料處理，因此不需使用到複雜的硬體控制線路的設計及指令集解碼，所以RISC架構的微處理器中線路可以做到很精簡 。

  11. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 CISC與RISC架構的比較 • 1.使用相當少的指令型別及定址模式 • 2.微程式控制盡量採用軟體架構實現 • 3.在單一執行的週期內完成指令 • 4.微處理器中擁有更多的暫存器 • 4.使用最佳化的程式碼編譯 • 6.微處理器的記憶體存取主要是用在指令的載入及儲存 • 7.簡易的解碼指令格式 • 8.高度平行化處理

  12. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM RISC架構微處理器 • ARM公司的ARM RISC架構微處理器系列目前主要分為幾個系列產品，分別為ARM 7 Thumb系列、ARM 9 Thumb系列、ARM 10 Thumb系列以及StrongARM 。 • ARM RISC提供了兩組指令集，分別是32位元的ARM指令集以及16位元的Thumb指令集。

  13. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM RISC架構支援的兩種基本資料格式

  14. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM 7 Thumb嵌入式系統微處理器系列 • 擁有32位元的暫存器 • 擁有32位元的RISC架構邏輯運算單元(ALU) • 擁有32位元的移位器(Shifter) • 擁有32位元的定址模式 • 擁有32×8 DSP乘法器，可以做數位訊號處理 • 擁有16位元的Thumb指令集

  15. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM7TDMI為核心的應用SoC架構圖

  16. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM 9 Thumb嵌入式系統微處理器系列 • 與ARM7不同的是ARM9的指令與資料的存取硬體架構上採用的是哈佛架構。 • 以ARM9TDMI架構作為微處理器核心，依照不同的用途加上不同容量的快取記憶體，結合而成ARM920T及ARM940T兩種嵌入式系統微處理器核心。

  17. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 ARM架構程式模型 • 七種操作模式 • 使用者模式 • 快速中斷模式 • 中斷模式 • 監督者模式 • 中止模式 • 未定義模式 • 系統模式

  18. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 數位訊號處理器簡介

  19. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 DSP微處理器的應用 • 數位音訊訊號處理系統流程圖

  20. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 德州儀器公司DSP微處理器 • TMS320 DSP微處理器系列產品推出時間圖

  21. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 德州儀器公司C5X DSP微處理器 • TMS320C5x的方塊圖(德州儀器公司提供)

  22. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 超長指令集微處理器 • 一個VLIW(Very Long Instruction Word)指令中內含有N個指令

  23. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 SoC 嵌入式系統微處理器 • SoC嵌入式系統微處理器能提供系統功能，並且整合了處理器單元、記憶體以及許多輸出輸入介面，這些電路單元整合在同一個晶片上。 • 主要的優點在於縮小晶片的體積以及降低成本 。

  24. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 SoC微處理器簡介 • SoC嵌入式系統微處理器所具有的其他的好處 ： • 1. 利用改變內部工作電壓，降低晶片消耗功率。 • 2. 利用減少晶片對外接腳數，簡化製造過程。 • 3. 利用減少週邊驅動介面單元，及電路板之間的訊號傳遞，可以加快微處理器資料處理的速度。 • 4. 利用內嵌的線路以避免外部電路板在訊號傳遞時所造成系統雜訊。

  25. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 SoC微處理器的設計開發 • 發展技術考量

  26. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 快速的SoC嵌入式系統微處理器設計與製造 • Tensilica公司名為Xtensa的嵌入式系統微處理器核心，可以讓嵌入式系統微處理器開發廠商在短短的八個小時之內，完成一個新型的SoC嵌入式系統微處理器開發。 • 制定出微處理器的規格、微處理器位元架構、最高工作頻率、功率消耗、電晶體數目、作業系統、指令集、中斷訊號及晶片製程等等的設定，經過Xtensa軟體的處理，產生RTL Core，就可以將晶片設計資料送交晶圓代工廠商進行晶片製造

  27. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 高階整合型嵌入式系統微處理器 • 現在的高階整合型嵌入式系統一般要求： • 附加上網功能 • 擁有高速處理效能的DSP架構 • 低消耗功率的要求

  28. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 RISC結合DSP的SoC嵌入式系統微處理器 • 可以將所需要的晶片製造成本壓低，並且降低功率的消耗，產品開發人員可以藉此開發出輕巧與高附加價值的資訊產品。 • 單純的RISC架構微處理器在處理多媒體影音資料時，無法提供有效的信號處理能力，也會消耗大量的電源供應。 • DSP微處理器所提供的快速演算法進行數位資料處理工作，比起RISC架構微處理器而言，顯得有效率，而且也可以降低數位訊號處理時的功率消耗。

  29. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 德州儀器公司 OMAP架構微處理器 • OMAP嵌入式系統微處理器基本架構

  30. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 Intel PCA個人數位化嵌入式系統 • 個人數位化嵌入式系統PCA架構

  31. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 Intel公司StrongARM微處理器 • StrongARM SA 1110嵌入式系統微處理器的架構圖

  32. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 Intel公司XScale微處理器 • XScale微處理器的定位在於高速的無線通訊應用上，利用Intel公司所提出的PCA架構，將XScale微處理器、DSP與基頻處理晶片加上快閃記憶體，結合成個人通訊裝置的完整解決方案。

  33. 嵌入式系統導論, 探矽工作室 總結 • 前RISC架構嵌入式系統微處理器比較受資訊家電產品青睞 。 • 個人電腦或者是上網機等等講求多用途的功能性產品，就比較偏向於使用CISC架構的微處理器。 • 當前潮流是將DSP及RISC架構結合而成一個整合型的微處理器，做為個人數位助理的指令的控制，以及多媒體資料串流的編碼及解碼的快速處理。

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