嵌入式處理器簡(jiǎn)介

　　嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。

　　自微處理器的問世以來，嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，嵌入式處理器直接關(guān)系到整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能。通常情況下嵌入式處理器被認(rèn)為是對(duì)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)算和控制核心器件總的稱謂。

　　世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢(shì)，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強(qiáng)，價(jià)格也越來越低。嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達(dá)到2000 MIPS，封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳不等。

　　特點(diǎn)

　　嵌入式微處理器與普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)的微處理器設(shè)計(jì)在基本原理上是相似的，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小，對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等）的適應(yīng)能力強(qiáng)，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，對(duì)處理器進(jìn)行比較時(shí)的主要指標(biāo)就是計(jì)算速度，從33MHz主頻的386計(jì)算機(jī)到3GHz主頻的Pentium 4處理器，速度的提升是用戶最主要關(guān)心的變化，但在嵌入式領(lǐng)域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC程度、成本、商業(yè)考慮等等諸多因素之中進(jìn)行折中，擇優(yōu)選擇。

　　嵌入式處理器做為嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式處理器擔(dān)負(fù)著控制、系統(tǒng)工作的重要任務(wù)，使宿主設(shè)備功能智能化、靈活設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)便。為合理高效的完成這些任務(wù)，一般說，嵌入式處理器具有以下特點(diǎn)：很強(qiáng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)支持能力，存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，可擴(kuò)展的微處理器結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的中斷處理能力，低功耗。

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

　　1）對(duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。

　　2）具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。

　　3）可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。

　　4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。

　　分類

　　1、微處理器

　　嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計(jì)算機(jī)中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當(dāng)然其價(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

　　其中Arm/StrongArm是專為手持設(shè)備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價(jià)位。

　　2、微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit， MCU）的典型代表是單片機(jī)，從70年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

　　由于MCU低廉的價(jià)格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場(chǎng)份額。Atmel出產(chǎn)的Avr單片機(jī)由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價(jià)比，勢(shì)必將推動(dòng)單片機(jī)獲得更高的發(fā)展。

　　3、DSP處理器

　　嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor， EDSP），是專門用于信號(hào)處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。

　　DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實(shí)現(xiàn)。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運(yùn)算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。至80年代中期，隨著CMOS技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)運(yùn)而生，其存儲(chǔ)容量和運(yùn)算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期，DSP的運(yùn)算速度進(jìn)一步提高，應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面。90年代后，DSP發(fā)展到了第五代產(chǎn)品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

　　最為廣泛應(yīng)用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。

　　4、片上系統(tǒng)

　　嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip） ：SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個(gè)硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言，實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫(kù)中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個(gè)系統(tǒng)就特別簡(jiǎn)潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

　　由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產(chǎn)品是Philips的Smart XA。少數(shù)通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。

　　預(yù)計(jì)不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領(lǐng)多數(shù)市場(chǎng)的SOC芯片，一舉擊退競(jìng)爭(zhēng)者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。

　　嵌入式處理器匯總（常見）

　　（1）嵌入式ARM微處理器（嵌入式微處理器結(jié)構(gòu)）

　　ARM微處理器的由來與發(fā)展

　　ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器。它是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個(gè)人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用。

　　ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

　　ARM微處理器是目前應(yīng)用領(lǐng)域非常廣的處理器，到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，深入到各個(gè)領(lǐng)域。

　　1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

　　2、無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

　　3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

　　4、消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

　　5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

　　基于RISC架構(gòu)的ARM微處理器的特點(diǎn)

　　1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

　　2、支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件;

　　3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

　　4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

　　5、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;

　　6、指令長(zhǎng)度固定;

　　（2）嵌入式MIPS處理器

　　MIPS處理器的發(fā)展概述

　　MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”（Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages） ，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。MIPS技術(shù)公司是是美國(guó)著名的芯片設(shè)計(jì)公司，采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)（RISC）來設(shè)計(jì)芯片，它設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。

　　MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，其指令系統(tǒng)經(jīng)過通用處理器指令體系MIPSI、MIPSII、MIPSIII、MIPSIV到MIPSV，嵌入式指令體系MIPS16、MIPS32到MIPS64的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。

　　在設(shè)計(jì)理念上MIPS強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)（CISC）相比，RISC具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開發(fā)更快的下一代處理器。

　　MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)大的功能。

　　MIPS處理器的應(yīng)用

　　MIPS在通用方面，MIPSR系列微處理器用于構(gòu)建SGI的高性能工作站、服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在嵌入式方面，MIPSK系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。

　　（3）PowerPC

　　PowerPC體系結(jié)構(gòu)規(guī)范（PowerPCArchitectureSpecification）是在二十世紀(jì)九十年代，由IBM（國(guó)際商用機(jī)器公司）、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開發(fā)的芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。

　　PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。它是一個(gè)64位規(guī)范（也包含32位子集）。幾乎所有常規(guī)可用的PowerPC（除了新型號(hào)IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服務(wù)器）都是32位的。

　　PowerPC市場(chǎng)占有率不是很高，但在通信系統(tǒng)的控制和管理中用得很多。

　　（4）嵌入式X86處理器

　　x86是一個(gè)Intel通用計(jì)算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)縮寫，也標(biāo)識(shí)一套通用的計(jì)算機(jī)指令集合，X與處理器沒有任何關(guān)系，它是一個(gè)對(duì)所有*86系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的通配符定義，例如：i386，586，奔騰（Pentium）。由于早期Intel的CPU編號(hào)都是如8086，80286來編號(hào)，由于這整個(gè)系列的CPU都是指令兼容的，所以都用X86來標(biāo)識(shí)所使用的指令集合如今的奔騰，P2，P4，賽揚(yáng)系列都是支持X86指令系統(tǒng)的，所以都屬于X86家族。

　　x86以無可比擬的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)成為計(jì)算平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。但是x86仍然基于32位技術(shù)——對(duì)于高端的企業(yè)級(jí)服務(wù)器與工作站應(yīng)用無能為力。與ARM架構(gòu)的產(chǎn)品相比，嵌入式X86處理器普遍擁有高得多的性能，但功耗也高了許多，盡管依然可以維持無風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，但根本無法用于PDA、智能手機(jī)等完全依*電池運(yùn)作的掌上計(jì)算產(chǎn)品。真正對(duì)嵌入式X86處理器產(chǎn)生需求的是網(wǎng)絡(luò)終端、瘦客戶機(jī)、廉價(jià)/低能耗型PC、家庭消費(fèi)電子產(chǎn)品、POS終端機(jī)等要求PC軟件延續(xù)性的領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)設(shè)備體積相對(duì)較大，不依*電池運(yùn)行，但要求具有較高的性能、低能耗、低噪音和高可靠性等優(yōu)點(diǎn)。2006年X86推出了首款雙核處理器。

　　X86和ARM、MIPS相比，X86架構(gòu)的嵌入式處理器應(yīng)用范圍要狹窄一些。它主要應(yīng)用于桌面端和低端服務(wù)器處理器。

　　（5）嵌入式DSP處理器

　　DSP是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。業(yè)內(nèi)人士預(yù)言，DSP將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。

　　DSP是屬于ModifiedHarvard架構(gòu)，即它具有兩條內(nèi)部總線：數(shù)據(jù)總線、程序總線。程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開，各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取址和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行，目前已達(dá)到90億次浮點(diǎn)運(yùn)算/秒（9000MFLOPS）。它采用流水作業(yè)，每條指令的執(zhí)行劃分為取指令、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等若干步驟，由片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成。相當(dāng)于多條指令并行執(zhí)行，從而大大提高了運(yùn)算速度。乘法指令在單周期內(nèi)完成，優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等算法中的大量重復(fù)乘法。采用循環(huán)尋址（Circularaddressing）位倒序，（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。1024點(diǎn)FFT的時(shí)間已小于1μs。具有獨(dú)立的DMA總線和控制器，有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下，DMA速度已達(dá)800Mbyte/s以上。多處理器接口。使多個(gè)處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

　　DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)，或在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，從而發(fā)展成為嵌入式DSP處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP），推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的因素主要是嵌入式系統(tǒng)的智能化。目前TI、ADI、Freescale、CEVA等半導(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強(qiáng)的實(shí)力。

　　DSP通用DSP的主要市場(chǎng)在于通信應(yīng)用，而嵌入式DSP則主要應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，比如DVD播放器和刻錄機(jī)、機(jī)頂盒、音視頻接收設(shè)備、MP3播放器和數(shù)碼相機(jī)等。但是，WLAN、DSL和線纜寬帶網(wǎng)絡(luò)等通信芯片也帶有嵌入式DSP。