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摘 要：目的:闡述并總結嵌入式系統(tǒng)微處理器的特點、分類、開發(fā)技術. 方法:給出相關定義,并和通用處理器進行比較. 結果:歸納出了嵌入式微處理器的基本情況及發(fā)展趨勢. 結論: 嵌入式微處理器技術是一項很難被壟斷的技術,也是一項在未來信息技術應用中非常有潛力的技術,在此領域中應盡早形成自己的技術及產業(yè)標準.
引言
嵌入式系統(tǒng)是將應用程序和操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)，它以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小，高度自動化，響應速度快等特點，特別適合于要求實時的和多任務的體系。嵌入式設備是指應用了嵌入式系統(tǒng)的計算機設備。從某種意義上來講確實是大型計算設備的一個微縮，這一微縮肯定多少會帶來相對性能上的減弱。但正是這一體積的微縮帶給人們的方便卻是無法比擬的。擁有嵌入式設備，人們可以隨時隨地的閱覽電子書籍，預定機票，在任何一個陌生的城市都不會丟失，甚至可以在最短的時間內看到任何一部想看到的電影。
關于嵌入式設備的軟件開發(fā)2001年IT產業(yè)生產20億臺微型計算機。其中，95％將用于嵌入設備用途。因此，與其以每年上市的1億5000萬臺網絡化計算機為研究對象，倒不如加大力度推進80億臺嵌入設備的網絡化、將注意力放在制造與之相適應的軟件上來。美國英特爾公司研究部門的領導人DavidTennenhouse在舊金山召開的ComputingContinuumConference會議上這樣說道"有關計算機的研究，比起1億5000萬臺計算機，更應該加大8億臺嵌入微處理器設備的網絡化"。構筑無論何時何地都可與網絡連接的環(huán)境以及開發(fā)適應型軟件已成為當務之急。在仔細考察了國外嵌入式設備軟件現(xiàn)狀和國內的市場潛力后，嵌入式設備軟件將在國內掀起一場軟件革命！
1 嵌入式處理器技術
嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機之外的設備中提供添加的功能性的計算機芯片，它經常用于控制和監(jiān)控領域。
椐世界半導體貿易統(tǒng)計數據藍皮書中的審計報告顯示， 從單位銷售額角度看，象INTEL公司的Pentium系統(tǒng)、ADVANCED MICRO Devices公司的Athlon以及IBM和MOTOROLA公司的PowerPC等處理器的市場份額只占世界市場的6％，余下的94％，即50億片芯片為嵌入式微處理器。據估計，平均每個美國家庭擁有大約60片內嵌式處理器。 一些嵌入式處理器是由桌面市場中傳下來的東西，即使對于今天的PC已經過時，但對于處理功能要求較低的任務卻綽綽有余的芯片。過去驅動象TRS-80 、Apple II和Commodore 64這類早期PC的Z80和6502處理器現(xiàn)在仍是非常暢銷的產品。 甚至最低級的4位處理器的銷售量也遠遠超過象Pentium這類32位處理器。老式的處理器也沒有淡出江湖：它們只是變?yōu)榍度胧搅恕?因此，嵌入式微處理器市場異乎尋常的廣闊。在PC市場的任何時刻，微處理器之間性能差距只有約3比1,目前速度最快的芯片以1GHz速度運行，而最慢的最常用的芯片的速度為333MHz。與此相比，僅就32位嵌入式微處理器來說，其性能范圍為500比1。如果你在4位和8位嵌入式處理器中進行比較的話，性能范圍為幾千比一。
隨著這類處理器體積越變越小，價格越來越便宜，功能越來越強大，它們將進入到更多的設備和產品中�，F(xiàn)在，它們已經存在于會唱歌的賀卡和測量行程的運動鞋中。最終，由于毫微米技術的出現(xiàn)，它們將變得象原子那樣普通，并且?guī)缀跸笤幽菢有 ?/p>
嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用正是嵌入式微處理器具備以下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(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)的軟件結構已模塊化，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(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。
1.1 嵌入式處理器的種類
目前據不完全統(tǒng)計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，流行體系結構有30幾個系列，其中8051體系的占有多半。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品，僅Philips就有近100種。現(xiàn)在幾乎每個半導體制造商都生產嵌入式處理器,越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16-32MB，處理速度從0.1MIPS到 2000MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳。根據其現(xiàn)狀，嵌入式計算機可以分成下面幾類：
① 嵌入式微處理器(Embedded MICROprocessor Unit, EMPU)
嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。
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，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104 等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產品。
嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
② 嵌入式微控制器(MICROcontroller Unit, MCU)
嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成 ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。
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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。
嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、 C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場份額。特別值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為MICROcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC為基礎的PPC505和PPC555亦列入單片機行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做為MCU進行推廣。
③ 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)
DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正在從通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)展來源，一是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如INTEL的MCS-296和Siemens的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實時語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。
嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是TexasInstruments的TMS320系列和MOTOROLA的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發(fā)展成為 DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置度朧? SP結構低成本、低功耗技術上制造的 R. E. A. L DSP 處理器，特點是具備雙 Harvard結構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產品。
④ 嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)
隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化，及半導體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內核將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設一樣，成為VLSI設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。
SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括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。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機內核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網如Internet安全方面。
