嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術(shù)綜述

　　對(duì)于一些設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，甚至這種靈活性還不夠用。他們可以找到某些公司，這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器內(nèi)核的許可證。利用這類內(nèi)核，可以開(kāi)發(fā)出用于特殊目的的新機(jī)器級(jí)指令。 對(duì)于數(shù)字相機(jī)處理器而言，一條提高JPEG 圖像壓縮的指令具有很高的價(jià)值。 對(duì)于MP3音樂(lè)播放器來(lái)說(shuō)，一條加速音頻解壓縮的指令具有同樣的用處。然后， 定制的設(shè)計(jì)被交給“鑄造廠”進(jìn)行生產(chǎn)　　和通用計(jì)算機(jī)不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計(jì)，量體裁衣、去除冗余，力爭(zhēng)在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用對(duì)處理器的選擇面前更具有競(jìng)爭(zhēng)力。嵌入式處理器要針對(duì)用戶的具體需求，對(duì)芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能；但同時(shí)還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的，可能是一般用戶，行業(yè)用戶或單一用戶。

　　嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個(gè)體系一般要存在8-10年的時(shí)間。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開(kāi)發(fā)工具、庫(kù)函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識(shí)系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會(huì)輕易地放棄一種處理器。

　　2.2 基于嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具

　　嵌入式處理器是一個(gè)復(fù)雜的高技術(shù)系統(tǒng),要在短時(shí)間內(nèi)掌握并開(kāi)發(fā)出所有功能是很不容易的,而市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)則要求產(chǎn)品能夠快速上市,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。提高用戶和程序員的時(shí)間--投入回報(bào)率。面對(duì)成百上千種處理器,選擇是一個(gè)問(wèn)題，學(xué)習(xí)掌握處理器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用更需要時(shí)間,因此以開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)咨詢?yōu)榛A(chǔ)的整體解決方案是迫切需要的。好的開(kāi)發(fā)工具除能夠開(kāi)發(fā)出處理器的全部功能以外,還應(yīng)當(dāng)是對(duì)用戶友好的。

　　目前嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)主要包括下面幾類：

　?、?實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)ICE(In-CircuitEmulator)

　　在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)非常發(fā)達(dá)的今天,實(shí)時(shí)在線仿真系統(tǒng)(ICE)仍是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開(kāi)發(fā)工具。ICE首先可以通過(guò)實(shí)際執(zhí)行,對(duì)應(yīng)用程序進(jìn)行原理性檢驗(yàn),排除人的思維難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計(jì)邏輯錯(cuò)誤。ICE的另一個(gè)主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實(shí)時(shí)執(zhí)行,發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。此外,高級(jí)的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)變化、微控制器對(duì)狀態(tài)變化的反應(yīng)、以及應(yīng)用系統(tǒng)

　　對(duì)控制的響應(yīng)等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來(lái),以供分析,在分析中優(yōu)化控制過(guò)程。很多機(jī)電系統(tǒng)難以建立一個(gè)精確有效的數(shù)字模型,或是建立模型需要大量人力,這時(shí)采用ICE的跟蹤功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析是一個(gè)快而有效的方法。

　　嵌入式應(yīng)用的特點(diǎn)是和現(xiàn)實(shí)世界中的硬件系統(tǒng)有關(guān),存在各種異變和事先未知的變化,這就給微控制器的指令執(zhí)行帶來(lái)了各種不確定性,這種不確定性只有通過(guò)ICE的實(shí)時(shí)在線仿真器才能發(fā)現(xiàn),特別是在分析可靠性時(shí)要在同樣條件下多次仿真,以發(fā)現(xiàn)偶然出現(xiàn)的錯(cuò)誤。

　　ICE不僅是軟件硬件排錯(cuò)工具,同時(shí)也是提高和優(yōu)化系統(tǒng)性能指標(biāo)的工具。高檔ICE工具(如美國(guó)NOHAU公司的產(chǎn)品)是可根據(jù)用戶投資裁剪功能的系統(tǒng), 亦可根據(jù)需要選擇配置各種檔次的實(shí)時(shí)邏輯跟蹤器(Trace)、實(shí)時(shí)映象存儲(chǔ)器(Shadow RAM)及程序效率實(shí)時(shí)分析功能(PPA)。

　?、?高級(jí)語(yǔ)言編譯器(Compiler Tools)

　　C語(yǔ)言作為一種通用的高級(jí)語(yǔ)言,大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間。另外，C語(yǔ)言便于移植和修改，使產(chǎn)品的升級(jí)和繼承更迅速。更重要的是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序易于在不同的開(kāi)發(fā)者之間進(jìn)行交流,從而促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。

　　區(qū)別于一般計(jì)算機(jī)中的C語(yǔ)言編譯器,嵌入式系統(tǒng)中的C語(yǔ)言編譯器要專門(mén)進(jìn)行優(yōu)化,以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間僅比以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的同樣功能程度長(zhǎng)5-20%。編譯效率的不同,是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器之間性能差別的重要根據(jù)之一。而C編譯器殘余的5-10%效率差別,完全可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲(chǔ)器空間以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場(chǎng)來(lái)彌補(bǔ)。

　　新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲(chǔ)器空間也相應(yīng)加大,已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了目前的通用計(jì)算機(jī)中的微處理器,為嵌入式系統(tǒng)工程采用過(guò)去一直不敢問(wèn)津的C+ +語(yǔ)言創(chuàng)造了條件。C++語(yǔ)言強(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。但是C++語(yǔ)言為了支持復(fù)雜的語(yǔ)法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為此,1995年初在日本成立的Embedded C++技術(shù)委員會(huì)經(jīng)過(guò)幾年的研究,針對(duì)嵌入式應(yīng)用制訂了減小代碼尺寸的EC++標(biāo)準(zhǔn)。EC++保留了C++的主要優(yōu)點(diǎn),提供對(duì)C++的向上兼容性,并滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些特殊要求。在嵌入式高級(jí)語(yǔ)言編譯器方面處于領(lǐng)先地位的Tasking公司，是EC++技術(shù)委員會(huì)成員之一,也是最先推出EC++產(chǎn)品的公司。

　　C/C++/EC++引入嵌入式系統(tǒng),使得嵌入式開(kāi)發(fā)和個(gè)人計(jì)算機(jī)、小型機(jī)等之間在開(kāi)發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)驗(yàn)、方法乃至庫(kù)函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式開(kāi)發(fā)中采用高級(jí)語(yǔ)言,還使得硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開(kāi)發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的指令集匯編。

　　另一種高級(jí)語(yǔ)言JAVA的發(fā)展則具有戲劇性。JAVA本來(lái)是為設(shè)備獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的、為了提高程序繼承性的語(yǔ)言，但是目前基于JAVA的嵌入式開(kāi)發(fā)工具代碼生成長(zhǎng)度要比嵌入式C編譯工具差10倍以上。因此EC++很可能在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)仍是嵌入式系統(tǒng)的主流。

　?、?源程序模擬器(Simulator)

　　源程序模擬器是在廣泛使用的、人機(jī)接口完備的工作平臺(tái)上,如小型機(jī)和PC,通過(guò)軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫(xiě)的源程序測(cè)試工具。簡(jiǎn)單的模擬器可以通過(guò)指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序,分配虛擬存儲(chǔ)空間和外設(shè),供程序員檢查;高級(jí)的模擬器可以利用計(jì)算機(jī)的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號(hào)。不同檔次和功能模擬器工具價(jià)格差距巨大。模擬器軟件獨(dú)立于處理器硬件,一般與編譯器集成在同一個(gè)環(huán)境中,是一種有效的源程序檢驗(yàn)和測(cè)試工具。但值得注意的是, 模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運(yùn)行,在指令執(zhí)行時(shí)間、中斷響應(yīng)、定時(shí)器等方面很可能與實(shí)際處理器有相當(dāng)?shù)牟顒e。另外它無(wú)法和ICE一樣,仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)中的實(shí)際執(zhí)行情況。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　嵌入式系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，是信息技術(shù)的最終產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)走向二十一世紀(jì)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代的最重要的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)之一，這是一個(gè)不可壟斷的工業(yè),對(duì)中國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。世界這么廣大，充滿了多樣化，尤其是我們已經(jīng)進(jìn)入到后PC時(shí)代--無(wú)所不在的計(jì)算（nomadic computing）使嵌入式處理器將遍及我們能夠想象得到的各個(gè)角落，因此，每種處理器都有存在的理由，都有可伸展的方向。這一點(diǎn)應(yīng)特別引起中國(guó)信息產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

　　隨著我國(guó)的龍芯、北大眾志、方舟、星光、漢芯等處理器芯片的問(wèn)世，中國(guó)無(wú)芯的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去。“軟件是大腦，芯片是心臟。”中國(guó)芯的意義不僅僅是中國(guó)有了自己的核心芯片，更重要的是中國(guó)也開(kāi)始參與了世界半導(dǎo)體競(jìng)技場(chǎng)的角逐，這樣更有利于我國(guó)在21世紀(jì)更加主動(dòng)地、有利地、有效地分享嵌入式應(yīng)用這塊大蛋糕。

　　但這個(gè)行業(yè)是一個(gè)充滿競(jìng)爭(zhēng)的行業(yè)，科技、工程技術(shù)人員應(yīng)該面對(duì)世界技術(shù)市場(chǎng)的變遷，迎頭趕上，早日形成在通用處理器、嵌入式處理器領(lǐng)域及其相關(guān)的軟件IC領(lǐng)域的核心技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，從而為我國(guó)的信息產(chǎn)業(yè)、為我國(guó)的早日的真正崛起做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。