嵌入式處理器簡介

　　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,，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)系到整個嵌入式系統(tǒng)的性能,。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統(tǒng)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(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU,，MPU等30多個系列,。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器,，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)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(shè)計在基本原理上是相似的,，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小,，對環(huán)境（如溫度,、濕度、電磁場,、振動等）的適應(yīng)能力強，體積更小,，且集成的功能較多,。在桌面計算機領(lǐng)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(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,，嵌入式處理器擔負著控制、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)計和操作簡便。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：很強的實時多任務(wù)支持能力，存儲區(qū)保護功能,，可擴展的微處理器結(jié)構(gòu),，較強的中斷處理能力，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個特點：

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

　　2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。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)錯誤的交叉作用,，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷,。

　　3）可擴展的處理器結(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的計算和通信設(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。

　　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(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是,，在實際嵌入式應(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現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求,。和工業(yè)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(yōu)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(shè)備開發(fā)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(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。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM,、RAM,、總線、總線邏輯,、定時/計數(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%的市場份額,。Atmel出產(chǎn)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(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)和指令算法方面進行了特殊設(shè)計，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)的進步與發(fā)展,，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應(yīng)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(shù)的基礎(chǔ)。到80年代后期,，DSP的運算速度進一步提高,，應(yīng)用領(lǐng)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(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最大的特點是成功實現(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，在一個硅片內(nèi)部運用VHDL等硬件描述語言,，實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng),。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)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(shè)計直接在器件庫中調(diào)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(chǎn),。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，整個系統(tǒng)就特別簡潔,，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)市場的SOC芯片,，一舉擊退競爭者。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）

　?。?）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(shù)的名字。目前,，采用ARM技術(shù)知識產(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?；贏RM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額,，ARM技術(shù)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(jīng)在手持電話,、機頂盒、數(shù)碼像機,、GPS,、個人數(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，深入到各個領(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的大部分市場份額,，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴展,，ARM微控制器的低功耗、高性價比,，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芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。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DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn),。

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

　　5,、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的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

　　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,、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高,；

　　6,、指令長度固定；

　?。?）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(shù)據(jù)相關(guān)問題,。MIPS技術(shù)公司是是美國著名的芯片設(shè)計公司，采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（RISC）來設(shè)計芯片,，它設(shè)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(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計理念比較先進,，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)計理念上MIPS強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計,。和英特爾采用的復雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（CISC）相比,，RISC具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點,，并可以應(yīng)用更多先進的技術(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)器和超級計算機系統(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、路由器,、激光打印機,、掌上電腦等各個方面,。

　　（3）PowerPC

　　PowerPC體系結(jié)構(gòu)規(guī)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(fā)的芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機,。

　　PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好,、方便靈活。它是一個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IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服務(wù)器）都是32位的,。

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

　?。?）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(guān)系,，它是一個對所有*86系統(tǒng)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(tǒng)的,，所以都屬于X86家族,。

　　x86以無可比擬的性能價格比優(yōu)勢成為計算平臺的標準。但是x86仍然基于32位技術(shù)——對于高端的企業(yè)級服務(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扇運行狀態(tài),，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(chǎn)品,。真正對嵌入式X86處理器產(chǎn)生需求的是網(wǎng)絡(luò)終端,、瘦客戶機、廉價/低能耗型PC,、家庭消費電子產(chǎn)品,、POS終端機等要求PC軟件延續(xù)性的領(lǐng)域,，對應(yīng)設(shè)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(yōu)點,。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。

　?。?）嵌入式DSP處理器

　　DSP是在模擬信號變換成數(shù)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(shù)字化時代背景下,，DSP己成為通信、計算機,、消費類電子產(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)存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線,，取址和讀數(shù)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(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)多個功能單元分別完成。相當于多條指令并行執(zhí)行,，從而大大提高了運算速度,。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)、矩陣運算等算法中的大量重復乘法,。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(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(jīng)過單片化、EMC改造,、增加片上外設(shè),，或在通用單片機或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等半導體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力,。

　　DSP通用DSP的主要市場在于通信應(yīng)用,，而嵌入式DSP則主要應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品，比如DVD播放器和刻錄機,、機頂盒,、音視頻接收設(shè)備、MP3播放器和數(shù)碼相機等,。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,。

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