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 張問驊 2020-04-13
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(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,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個引腳到144個引腳不等。

特點(diǎn)

嵌入式微處理器與普通臺式計(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,對環(huán)境(如溫度、濕度、電磁場、振動等)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,對處理器進(jìn)行比較時的主要指標(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)時多任務(wù)支持能力,存儲區(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個特點(diǎn):

  • 1)對實(shí)時多任務(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)時間,從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)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(qiáng)的存儲區(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)錯誤的交叉作用,需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能,同時也有利于軟件診斷。

  • 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。


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/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(jī)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(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,在一個硅片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言,實(shí)現(xiàn)一個復(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,綜合時序設(shè)計(jì)直接在器件庫中調(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(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)

(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)為是一個公司的名字,也可以認(rèn)為是對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(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、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(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,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(kuò)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(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、尋址方式靈活簡單,執(zhí)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(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(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)公司是是美國著名的芯片設(shè)計(jì)公司,采用精簡指令系統(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,同時簡化硬件設(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。

(4)嵌入式X86處理器

x86是一個Intel通用計(jì)算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號縮寫,也標(biāo)識一套通用的計(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(biāo)識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格比優(yōu)勢成為計(jì)算平臺的標(biāo)準(zhǔn)。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(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/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,對應(yīng)設(shè)備體積相對較大,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是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進(jìn)行高速實(shí)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(dāng)今的數(shù)字化時代背景下,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。

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