嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術(shù)

摘要：闡述并總結(jié)嵌入式系統(tǒng)微處理器的特點(diǎn)、分類、開發(fā)技術(shù)。給出相關(guān)定義，并和通用處理器進(jìn)行比較。歸納出嵌入式微處理器的基本情況及發(fā)展趨勢(shì)。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)。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；微處理器；軟件開發(fā)工具

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)。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)備的微縮。這肯定多少會(huì)帶來(lái)相對(duì)性能上的減弱，但正是體積的微縮帶給人們無(wú)法比擬的方便。

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。
一些嵌入式處理器是桌面市場(chǎng)傳下來(lái)的東西，對(duì)于今天的PC已經(jīng)過時(shí)，但對(duì)于處理功能要求較低的任務(wù)卻綽綽有余。過去驅(qū)動(dòng)TRS-80、AppleII和Commodore64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。老式的處理器沒有淡出江湖，它們只是變?yōu)榍度胧搅?。因此，嵌入式微處理器市?chǎng)異乎尋常地廣闊。在PC市場(chǎng)的任何時(shí)刻，最快和最慢的微處理器之間性能比最多只有約3：1。與此相比，僅就32位嵌入式微處理器來(lái)說，這個(gè)比例為500：1。如果在4位和8位嵌入式處理器中進(jìn)行比較的話，則為幾千比1。隨著這類處理器體積越來(lái)越小，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。
嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是由于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)并且中斷響應(yīng)時(shí)間較短，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核的執(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)，這也有利于軟件診斷。
③可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能嵌入式微處理器。
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，如要求功耗為mW甚至μW級(jí)。
1．1 嵌入式處理器的種類
1．1．1 嵌入式微處理器(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作了各種增強(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1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發(fā)出了“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、SC400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。
1．1．2 嵌入式微控制器(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1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)器／計(jì)數(shù)器、WatchDog、I／O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A／D、D／A、Flash、EEPR-OM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、MC68HC 05／11／12／16、68300等。另外還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU8XC930／931、C54O、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Aml86CC／CH ／CU等嵌入式處理器稱為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TMS320C-2XXX系列DSP作為MCU進(jìn)行推廣。
1．1．3 嵌入式DSP處理器(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，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有2個(gè)發(fā)展來(lái)源：一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)，成為嵌入式DSP處理器，TI公司的TMS320C2000／C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SoC中增加I)SP協(xié)處理器，例如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的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、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TI公司的TMS320系列和Motorola公司的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公司也推出了基于可重構(gòu)嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)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)是消費(fèi)類產(chǎn)品。
1．1．4 嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)
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1個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)代已來(lái)臨，這就是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)，和許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)器件，用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語(yǔ)言描述，存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶只需定義整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(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)大部分可集成到1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2類。通用系列包括Siemens公司的TriCore、Motorola公司的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon公司和Motoro-la公司聯(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。
1. 2 嵌入式處理器分類的變遷
國(guó)際上公認(rèn)的通用嵌入式處理器有3大類：MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把處理器比作汽車：DSP是跑車，追求的是速度；MPU是轎車，追求的是經(jīng)濟(jì)性與速度的折中；MCU是滿足特殊用途的車。
現(xiàn)在，隨著對(duì)處理速度的要求越來(lái)越高，同時(shí)處理的數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，出現(xiàn)了雙核與多核處理器，通常為DSP+RISC芯核，如Infineon公司的TriCore(CISC+RISC+DSP)、Philips公司的Trimedia。隨著一些大量應(yīng)用市場(chǎng)的崛起，又出現(xiàn)了一些新名詞，例如用于網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備的通信處理器(2000年左右興起)，數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼錄像機(jī)等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興起)，智能手機(jī)上的應(yīng)用處理器(2004年興起)。
由于一些處理器不僅要有速度，還要有控制功能，又出現(xiàn)了DSP與MCU的結(jié)合品，主攻電機(jī)控制市場(chǎng)。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術(shù)；Microehip公司2004年2月也推出了這種產(chǎn)品，稱為DSC(Digital Signal Controller)。
為了滿足多芯核與SoC設(shè)計(jì)的需要，還有一些廠家專門供應(yīng)處理器芯核的IP，芯核主要有16位、32位、64位，有軟核與硬核。多芯核市場(chǎng)發(fā)展空間廣闊，在美國(guó)Electronic Summit 2004上，做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說，未來(lái)10年，1塊芯片中需要上千個(gè)處理器芯核，每秒要完成1012次運(yùn)算。