嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術(shù)綜述

摘　要：目的:闡述并總結(jié)嵌入式系統(tǒng)微處理器的特點(diǎn)、分類、開(kāi)發(fā)技術(shù). 方法:給出相關(guān)定義,并和通用處理器進(jìn)行比較. 結(jié)果:歸納出了嵌入式微處理器的基本情況及發(fā)展趨勢(shì).  結(jié)論: 嵌入式微處理器技術(shù)是一項(xiàng)很難被壟斷的技術(shù),也是一項(xiàng)在未來(lái)信息技術(shù)應(yīng)用中非常有潛力的技術(shù),在此領(lǐng)域中應(yīng)盡早形成自己的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

引言

嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)，它以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小，高度自動(dòng)化，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的體系。嵌入式設(shè)備是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備。從某種意義上來(lái)講確實(shí)是大型計(jì)算設(shè)備的一個(gè)微縮，這一微縮肯定多少會(huì)帶來(lái)相對(duì)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(wú)法比擬的。擁有嵌入式設(shè)備，人們可以隨時(shí)隨地的閱覽電子書(shū)籍，預(yù)定機(jī)票，在任何一個(gè)陌生的城市都不會(huì)丟失，甚至可以在最短的時(shí)間內(nèi)看到任何一部想看到的電影。

關(guān)于嵌入式設(shè)備的軟件開(kāi)發(fā)2001年IT產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)20億臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。其中，95％將用于嵌入設(shè)備用途。因此，與其以每年上市的1億5000萬(wàn)臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)為研究對(duì)象，倒不如加大力度推進(jìn)80億臺(tái)嵌入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、將注意力放在制造與之相適應(yīng)的軟件上來(lái)。美國(guó)英特爾公司研究部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)人DavidTennenhouse在舊金山召開(kāi)的ComputingContinuumConference會(huì)議上這樣說(shuō)道"有關(guān)計(jì)算機(jī)的研究，比起1億5000萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，更應(yīng)該加大8億臺(tái)嵌入微處理器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化"。構(gòu)筑無(wú)論何時(shí)何地都可與網(wǎng)絡(luò)連接的環(huán)境以及開(kāi)發(fā)適應(yīng)型軟件已成為當(dāng)務(wù)之急。在仔細(xì)考察了國(guó)外嵌入式設(shè)備軟件現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)潛力后，嵌入式設(shè)備軟件將在國(guó)內(nèi)掀起一場(chǎng)軟件革命！

1 嵌入式處理器技術(shù)

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(jì)算機(jī)之外的設(shè)備中提供添加的功能性的計(jì)算機(jī)芯片，它經(jīng)常用于控制和監(jiān)控領(lǐng)域。

椐世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)藍(lán)皮書(shū)中的審計(jì)報(bào)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(chǎng)份額只占世界市場(chǎng)的6％，余下的94％，即50億片芯片為嵌入式微處理器。據(jù)估計(jì)，平均每個(gè)美國(guó)家庭擁有大約60片內(nèi)嵌式處理器。 一些嵌入式處理器是由桌面市場(chǎng)中傳下來(lái)的東西，即使對(duì)于今天的PC已經(jīng)過(guò)時(shí)，但對(duì)于處理功能要求較低的任務(wù)卻綽綽有余的芯片。過(guò)去驅(qū)動(dòng)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(chǎn)品。 甚至最低級(jí)的4位處理器的銷售量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)象Pentium這類32位處理器。老式的處理器也沒(méi)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(chǎng)異乎尋常的廣闊。在PC市場(chǎng)的任何時(shí)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(yùn)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(lái)說(shuō)，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(jìn)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?cè)叫�，價(jià)格越來(lái)越便宜，功能越來(lái)越強(qiáng)大，它們將進(jìn)入到更多的設(shè)備和產(chǎn)品中�，F(xiàn)在，它們已經(jīng)存在于會(huì)唱歌的賀卡和測(cè)量行程的運(yùn)動(dòng)鞋中。最終，由于毫微米技術(shù)的出現(xiàn)，它們將變得象原子那樣普通，并且?guī)缀跸笤�子那樣小�?/p>

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是嵌入式微處理器具備以下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(kāi)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(wú)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)。

1.1 嵌入式處理器的種類

目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種。現(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門(mén)。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(gè)引腳到144個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)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(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)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(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)。

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)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104 等。近年來(lái)，德國(guó)、日本的一些公司又開(kāi)發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)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(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)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(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)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(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。微控制器是目前嵌入式系統(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(shù)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(chǎng)份額。特別值得注意的是近年來(lái)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(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做為MCU進(jìn)行推廣。

③ 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，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(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正在從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源，一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)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(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如INTEL的MCS-296和Siemens的TriCore。推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)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(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，帶有加解密算法的鍵盤(pán)，ADSL接入、實(shí)時(shí)語(yǔ)音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。

嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)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(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)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(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的 R. E. A. L DSP 處理器，特點(diǎn)是具備雙 Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。

④ 嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)

隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過(guò)后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無(wú)法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)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(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過(guò)2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語(yǔ)言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。