嵌入式處理器簡介

　　嵌入式處理器是嵌入式系統的核心，是控制、輔助系統運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規模應用的8位單片機，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，嵌入式系統得到了飛速的發展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統的核心部分，嵌入式處理器直接關系到整個嵌入式系統的性能。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統中運算和控制核心器件總的稱謂。

　　世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。鑒于嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體制造商都大規模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。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到2000 MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。

　　特點

　　嵌入式微處理器與普通臺式計算機的微處理器設計在基本原理上是相似的，但是工作穩定性更高，功耗較小，對環境（如溫度、濕度、電磁場、振動等）的適應能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領域，對處理器進行比較時的主要指標就是計算速度，從33MHz主頻的386計算機到3GHz主頻的PenTIum 4處理器，速度的提升是用戶最主要關心的變化，但在嵌入式領域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據設計的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC程度、成本、商業考慮等等諸多因素之中進行折中，擇優選擇。

　　嵌入式處理器做為嵌入式系統的核心，嵌入式處理器擔負著控制、系統工作的重要任務，使宿主設備功能智能化、靈活設計和操作簡便。為合理高效的完成這些任務，一般說，嵌入式處理器具有以下特點：很強的實時多任務支持能力，存儲區保護功能，可擴展的微處理器結構，較強的中斷處理能力，低功耗。

　　嵌入式系統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個特點：

　　1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心的執行時間減少到最低限度。

　　2）具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷。

　　3）可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應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的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

　　分類

　　1、微處理器

　　嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計算機中的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，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。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是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。

　　2、微控制器

　　嵌入式微控制器（Microcontroller Unit， MCU）的典型代表是單片機，從70年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，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工業的主流。微控制器的片上外設資源一般較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

　　由于MCU低廉的價格，優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，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占嵌入式系統約70%的市場份額。Atmel出產的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發展。

　　3、DSP處理器

　　嵌入式DSP處理器（Embedded Digital Signal Processor， EDSP），是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。

　　DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

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

　　4、片上系統

　　嵌入式片上系統（System On Chip） ：SoC追求產品系統最大包容的集成器件，是嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。

　　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產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。

　　預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。

　　嵌入式處理器匯總（常見）

　　（1）嵌入式ARM微處理器（嵌入式微處理器結構）

　　ARM微處理器的由來與發展

　　ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。目前，采用ARM技術知識產權（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，它被廣泛應用于嵌入式系統中。基于ARM技術的微處理器應用約占據了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經在手持電話、機頂盒、數碼像機、GPS、個人數字助理以及因特網設備等方面有了廣泛的應用。

　　ARM微處理器的應用領域

　　ARM微處理器是目前應用領域非常廣的處理器，到目前為止，ARM微處理器及技術的應用幾乎已經遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，深入到各個領域。

　　1、工業控制領域：作為32的RISC架構，基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。

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

　　3、網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM技術的ADSL芯片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領域提出了挑戰。

　　4、消費類電子產品：ARM技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。

　　5、成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。

　　基于RISC架構的ARM微處理器的特點

　　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，指令執行速度更快;

　　4、大多數數據操作都在寄存器中完成;

　　5、尋址方式靈活簡單，執行效率高;

　　6、指令長度固定;

　　（2）嵌入式MIPS處理器

　　MIPS處理器的發展概述

　　MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”（MicroprocessorwithouTInterlockedpipedstages） ，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數據相關問題。MIPS技術公司是是美國著名的芯片設計公司，采用精簡指令系統計算結構（RISC）來設計芯片，它設計制造高性能、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的系統結構及設計理念比較先進，其指令系統經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的發展已經十分成熟。

　　在設計理念上MIPS強調軟硬件協同提高性能，同時簡化硬件設計。和英特爾采用的復雜指令系統計算結構（CISC）相比，RISC具有設計更簡單、設計周期更短等優點，并可以應用更多先進的技術，開發更快的下一代處理器。

　　MIPS是出現最早的商業RISC架構芯片之一，新的架構集成了所有原來MIPS指令集，并增加了許多更強大的功能。

　　MIPS處理器的應用

　　MIPS在通用方面，MIPSR系列微處理器用于構建SGI的高性能工作站、服務器和超級計算機系統。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），其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。

　　（3）PowerPC

　　PowerPC體系結構規范（PowerPCArchitectureSpecificaTIon）是在二十世紀九十年代，由IBM（國際商用機器公司）、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開發的芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。

　　PowerPC架構的特點是可伸縮性好、方便靈活。它是一個64位規范（也包含32位子集）。幾乎所有常規可用的PowerPC（除了新型號IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服務器）都是32位的。

　　PowerPC市場占有率不是很高，但在通信系統的控制和管理中用得很多。

　　（4）嵌入式X86處理器

　　x86是一個Intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合，X與處理器沒有任何關系，它是一個對所有*86系統的簡單的通配符定義，例如：i386，586，奔騰（Pentium）。由于早期Intel的CPU編號都是如8086，80286來編號，由于這整個系列的CPU都是指令兼容的，所以都用X86來標識所使用的指令集合如今的奔騰，P2，P4，賽揚系列都是支持X86指令系統的，所以都屬于X86家族。

　　x86以無可比擬的性能價格比優勢成為計算平臺的標準。但是x86仍然基于32位技術——對于高端的企業級服務器與工作站應用無能為力。與ARM架構的產品相比，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扇運行狀態，但根本無法用于PDA、智能手機等完全依*電池運作的掌上計算產品。真正對嵌入式X86處理器產生需求的是網絡終端、瘦客戶機、廉價/低能耗型PC、家庭消費電子產品、POS終端機等要求PC軟件延續性的領域，對應設備體積相對較大，不依*電池運行，但要求具有較高的性能、低能耗、低噪音和高可靠性等優點。2006年X86推出了首款雙核處理器。

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

　　（5）嵌入式DSP處理器

　　DSP是在模擬信號變換成數字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當今的數字化時代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。業內人士預言，DSP將是未來集成電路中發展最快的電子產品，并成為電子產品更新換代的決定因素。

　　DSP是屬于ModifiedHarvard架構，即它具有兩條內部總線：數據總線、程序總線。程序與數據存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數據總線，取址和讀數可以同時進行，目前已達到90億次浮點運算/秒（9000MFLOPS）。它采用流水作業，每條指令的執行劃分為取指令、譯碼、取數、執行等若干步驟，由片內多個功能單元分別完成。相當于多條指令并行執行，從而大大提高了運算速度。乘法指令在單周期內完成，優化卷積、數字濾波、FFT、相關、矩陣運算等算法中的大量重復乘法。采用循環尋址（Circularaddressing）位倒序，（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。1024點FFT的時間已小于1μs。具有獨立的DMA總線和控制器，有一組或多組獨立的DMA總線，與CPU的程序、數據總線并行工作，在不影響CPU工作的條件下，DMA速度已達800Mbyte/s以上。多處理器接口。使多個處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

　　DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設，或在通用單片機或SOC中增加DSP協處理器，從而發展成為嵌入式DSP處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP），推動嵌入式DSP處理器發展的因素主要是嵌入式系統的智能化。目前TI、ADI、Freescale、CEVA等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

　　DSP通用DSP的主要市場在于通信應用，而嵌入式DSP則主要應用于消費電子產品，比如DVD播放器和刻錄機、機頂盒、音視頻接收設備、MP3播放器和數碼相機等。但是，WLAN、DSL和線纜寬帶網絡等通信芯片也帶有嵌入式DSP。

　　編輯：黃飛