32位嵌入式處理器技術(shù)與應(yīng)用

“8位單片機(jī)對(duì)我的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠好了。”另一個(gè)聲音是：“有更好的32位機(jī)，又不貴，為什么不用呢？ ”觀念正在變化，市場(chǎng)需求在發(fā)展。冰箱用上了DSP，汽車電子全面走向32位，通信相關(guān)產(chǎn)品本來(lái)就是32 位處理器的天下。國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)大軍已經(jīng)開(kāi)始把目光投向32位嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。 

32位嵌入式處理器一般都可以通過(guò)JTAG接口調(diào)試，不需要使用仿真器，幾乎不需要什么開(kāi)發(fā)環(huán)境方面的硬件投入。而軟件的開(kāi)發(fā)則應(yīng)以C語(yǔ)言為主。如果能配上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS），則如虎添翼。根據(jù)不同的應(yīng)用，RTOS的價(jià)格可以從50美元到3萬(wàn)美元不等。

目前，ARM系列32位處理器在低功耗移動(dòng)通信設(shè)備方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。Power PC為核心的單片機(jī)則用在非便攜的通信設(shè)備上。Motorola傳統(tǒng)的M683××系列以及RISC級(jí)CPU ColdFire主要用在工控與汽車電子方面。NEC、HITACHI、EPSON也有各自的32位處理器產(chǎn)品。值得注意的是，系統(tǒng)芯片(SoC)技術(shù)使應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越傾向于以32位CPU為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)專用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)SoC。

M.Core 是Motorola 的一款RISC級(jí)低功耗CPU，性能優(yōu)于ARM7。以M200系列為例，在1.8V 供電，33MHz主頻下，可達(dá)31.4MIPs，功耗僅13.6mW。M.Core 僅用了8萬(wàn)個(gè)晶體管, 0.25mm工藝下面積只有1.1mm2，成本低。M.Core 有較高的碼密度和編程效率，應(yīng)用程序比其他32位CPU少占用約30%存儲(chǔ)空間。以M.Core 為CPU的MMC2107單片機(jī)集成了8K SRAM,128K FLASH, 8路10位A/D 以及SCI、PWM、定時(shí)器等。此外還有2103、2111等產(chǎn)品。

目前流行的諸多32位嵌入式處理器，尚無(wú)一款是中國(guó)人自己的?？上驳氖牵K州成立的“國(guó)芯公司”，擬在研究和消化Motorola 的低功耗32位M.Core的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)有中國(guó)人自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中國(guó)芯”——C.Core。屆時(shí)，國(guó)人就真的在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域“占有一席之地”了。（中芯微系統(tǒng)公司7月10日已發(fā)布了改位Arca嵌入式芯片，見(jiàn)另報(bào)道——編者）。

Infineon(澳洲)有限公司 陳騏

在汽車電子控制部分的設(shè)計(jì)中，無(wú)論是從支持新的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)工具的角度，還是從微控制器本身的功能出發(fā)，都對(duì)新一代微控制器提出了挑戰(zhàn)。有鑒于此，汽車半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家之一——億恒科技(Infineon )已經(jīng)并計(jì)劃在今后兩年內(nèi)，陸續(xù)推出一系列32位的AUDO微控制器系列，以滿足下一代汽車中發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及車身系統(tǒng)等各種嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用的需求，其中第一個(gè)成員TC-1775業(yè)已問(wèn)世。

AUDO-TC1775的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的設(shè)計(jì)中心是圍繞著如何實(shí)現(xiàn)汽車中各電子控制系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性，同時(shí)又兼顧到這些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)。其核心部分是Infineon的Tricore內(nèi)核。系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)主要是基于它進(jìn)行的，而驅(qū)動(dòng)器程序的執(zhí)行是圍繞著獨(dú)立的片內(nèi)外設(shè)控制器(PCP)，并由各片內(nèi)外設(shè)來(lái)完成與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)控制、與外部模擬信號(hào)和各種接口相連接等其它任務(wù)。

Tricore是業(yè)界第一個(gè)具有統(tǒng)一的32位MCU-DSP結(jié)構(gòu)的微控制器核心，集合了普通微控制器的高實(shí)時(shí)性、RISC處理器“裝載/存儲(chǔ)(load/store)”結(jié)構(gòu)的高性價(jià)比以及DSP結(jié)構(gòu)的高數(shù)據(jù)處理能力為一體。其指令集結(jié)構(gòu)(ISA)支持統(tǒng)一的32位地址空間及多個(gè)指令流水線同時(shí)運(yùn)作的超級(jí)標(biāo)量結(jié)構(gòu)，并使它能適用于多種不同應(yīng)用。這種實(shí)施和系統(tǒng)層次上的靈活性，可以讓設(shè)計(jì)者及時(shí)地控制系統(tǒng)性能和成本之間的平衡。

AUDO結(jié)構(gòu)上層次分明，這樣很容易將它定義在正確的抽象層上，然后可以在不同的領(lǐng)域內(nèi)(如A/D、熱學(xué)/機(jī)械學(xué)等)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行各種仿真和性能分析。這支持了新一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中日益普及的“虛擬樣機(jī)”的概念。
下面將部分介紹AUDO及Tricore內(nèi)核的主要功能和特點(diǎn)：

數(shù)據(jù)類型：汽車應(yīng)用系統(tǒng)的軟件中需支持各種的數(shù)據(jù)類型，微控制器必須有效地對(duì)它們進(jìn)行管理以減少數(shù)據(jù)和代碼的長(zhǎng)度。Tricore指令集支持的操作類型有：布爾、位、字符、帶符號(hào)的分?jǐn)?shù)、地址、帶或不帶符號(hào)的整數(shù)及單精度的浮點(diǎn)數(shù)。

算術(shù)和DSP性能：隨著汽車控制系統(tǒng)功能的日趨復(fù)雜，許多控制策略中對(duì)DSP計(jì)算的要求也越來(lái)越迫切。除了普通與狀態(tài)機(jī)、查表及通訊協(xié)議有關(guān)的基本操作之外，高速執(zhí)行器的魯棒控制及運(yùn)用在電磁閥、交流感應(yīng)電機(jī)、汽車動(dòng)態(tài)控制等方面的閉環(huán)自適應(yīng)控制方案的日趨普及，也帶來(lái)大量的DSP運(yùn)算。此外，汽車系統(tǒng)中的傳感器輸入也在不斷地增加。有些應(yīng)用中(例如加速度表等)，傳感器的輸入信號(hào)采樣后必須經(jīng)過(guò)一定的DSP如濾波、頻譜分析等，才可以傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器中去。
Tricore具有強(qiáng)大的DSP功能，這在提高汽車的駕駛特性、減少油耗和污染排放等方面是至關(guān)重要的。

浮點(diǎn)運(yùn)算：在汽車各系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，新的設(shè)計(jì)方法和控制策略對(duì)浮點(diǎn)計(jì)算能力的要求大增，主要原因是隨著新的仿真工具和代碼自動(dòng)生成器的出現(xiàn)，系統(tǒng)工程師將精力從程序的編寫(xiě)和實(shí)施轉(zhuǎn)移到控制策略的設(shè)計(jì)和算法的優(yōu)化上，給系統(tǒng)控制策略從傳統(tǒng)的影射控制向魯棒和自適應(yīng)控制等方向轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件。在影射控制方法中，浮點(diǎn)數(shù)僅用在非線性表達(dá)式的內(nèi)插和賦值等運(yùn)算中，而在魯棒和自適應(yīng)控制等方案中，浮點(diǎn)數(shù)的使用則可以極大地減少矩陣和矢量的操作，從而增加系統(tǒng)的計(jì)算效率。

理想的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元(FPU)需通過(guò)浮點(diǎn)乘和加指令有效地支持矩陣和矢量運(yùn)算，并減少上下文切換造成的軟件開(kāi)銷。將一個(gè)浮點(diǎn)單元增加到非浮點(diǎn)內(nèi)核中去的方法有幾種，Tricore中所采用的方案是將具有自己獨(dú)立的寄存器的浮點(diǎn)協(xié)處理器緊密地與內(nèi)核耦合，這既縮短了浮點(diǎn)運(yùn)算所耗費(fèi)的周期，也不需在FPU的設(shè)計(jì)上花太大的精力。

片內(nèi)外設(shè)：AUDO中的片內(nèi)外設(shè)通過(guò)統(tǒng)一的內(nèi)部總線與CPU、片上存儲(chǔ)器和外設(shè)控制器建立通訊聯(lián)系；另一方面，這些片內(nèi)外設(shè)和存儲(chǔ)器又通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的外部總線單元與外部器件(如外部存儲(chǔ)器或外設(shè))聯(lián)系，該外部總線在復(fù)用或非復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線的情況下均支持各種外部存儲(chǔ)器類型。例如，TC1775中集成了許多發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中常用到的外設(shè)模塊，包括功能強(qiáng)大的通用定時(shí)器和PWM模塊；高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊；各種高速同步/異步串行口；汽車行業(yè)內(nèi)被廣泛用來(lái)進(jìn)行內(nèi)部通訊的控制器局部網(wǎng)(CAN)/J1850模塊；通過(guò)JTAG接口進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的片上調(diào)試模塊；高效的芯片功耗管理模塊；靈活的時(shí)鐘生成單元等等。這些外設(shè)模塊的引入，既符合行業(yè)內(nèi)SoC的趨勢(shì)，又加強(qiáng)了AUDO對(duì)各種汽車電子控制應(yīng)用的支持能力，從而進(jìn)一步奠定了AUDO系列產(chǎn)品作為下一代主流汽車用微控制器的地位。
北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系 馬忠梅

1985年第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋誕生。1990年成立Advanced RISC Machines Limited(后簡(jiǎn)稱為ARM)。目前，ARM已擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)高性能、低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。作為32位嵌入式RISC微處理器業(yè)界的領(lǐng)先供應(yīng)商，占有大于75％的市場(chǎng)。

ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。

ARM商品模式的強(qiáng)大之處在于它在世界范圍有超過(guò)100個(gè)的合作伙伴(Partners）。ARM 是設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)芯片。采用轉(zhuǎn)讓許可證制度，由合作伙伴生產(chǎn)芯片。
當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：
*Thumb 16位指令集，為了改善代碼密度；
*DSP DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；
*Jazeller 允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼。
ARM處理器系列提供的解決方案有：
*無(wú)線、消費(fèi)類電子和圖像應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)；
*存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；
*智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。

ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來(lái)講存儲(chǔ)器比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個(gè)前沿特性來(lái)輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調(diào)試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。

當(dāng)前有5個(gè)產(chǎn)品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
1、ARM7系列
優(yōu)化用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)應(yīng)用的低功耗32位核，有：
*嵌入式ICE-RT邏輯；
*非常低的功耗；
*三段流水線和馮•諾依曼結(jié)構(gòu)，提供0.9MIPS/MHz。
2、SecurCore SC100特為安全市場(chǎng)設(shè)計(jì)，帶特定的抗拒竄改和反工程的特性。還帶靈活的保護(hù)單元確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。
3、ARM9系列
高性能和低功耗領(lǐng)先的硬宏單元，帶有：
5段流水線；
哈佛結(jié)構(gòu)提供1.1MIPS/MHz。

ARM920T和ARM922T內(nèi)置全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)cache和高速AMBA總線接口。AMBA片上總線是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，已成為SoC構(gòu)建和IP庫(kù)開(kāi)發(fā)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。AMBA先進(jìn)的高性能總線(AHB)接口現(xiàn)由所有新的ARM核支持，提供開(kāi)發(fā)全綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
ARM940T內(nèi)置指令和數(shù)據(jù)cache、保護(hù)單元和高速AMBA總線接口。

4、ARM9E系列

可綜合處理器，帶有DSP擴(kuò)充和緊耦合存儲(chǔ)器(TCM)接口，使存儲(chǔ)器以完全的處理器速度運(yùn)轉(zhuǎn)，可直接連接到內(nèi)核上。

ARM966E-S用于硅片尺寸尺寸重要，而對(duì)cache沒(méi)要求的實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用，可配置TCM大小：0、4K、8K、16K，最大達(dá)64M。

ARM946E-S內(nèi)置集成保護(hù)單元，提供實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的cache核方案。

ARM926ET-S帶Jazelle擴(kuò)充、分開(kāi)的指令和數(shù)據(jù)高速AHB接口及全性能MMU。

VFP9 向量浮點(diǎn)可綜合協(xié)處理器進(jìn)一步提高ARM9E處理器性能，提供浮點(diǎn)操作的硬件支持。

5、ARM10系列

硬宏單元，帶有：
*64位AHB指令和數(shù)據(jù)接口；
*6段流水線；
*1.25MIPS/MHz；
*比同等的ARM9器件性能提高50％。

兩種新的先進(jìn)的節(jié)能方式得到了異常低的耗電。VFP10協(xié)處理器完善地依從ARM10器件提供
高性能的浮點(diǎn)解決方案。
清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 沈永林
日立亞洲(香港)有限公司 郭海濤

日立單片機(jī)有各種各樣的系列，其中4位的H400系列主要用于低檔家電； 8位的H8/300L、H8/300主要用于中高檔家電，如錄像機(jī)、無(wú)繩電話以及計(jì)算機(jī)鍵盤(pán) 汽車剎車控制；而16位的H8/300H、H8S/2000、H8/500等主要用于工程控制、蜂窩電話、CD驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)等。本文僅對(duì)高檔32位的SH系列作一些分析。

SH系列是32位高檔的、RISC型單片機(jī)系列，到現(xiàn)在為止,已經(jīng)推出了6種類型的單片機(jī)系列：

基本型的SH1,改進(jìn)型的SH2,低功耗的SH3,增強(qiáng)型的SH4,以及和DSP結(jié)合的SH2-DSP和SH3-DSP。

SH系列的CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，也就是采用硬連線的控制器，以及簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)， 在流水線技術(shù)的支持下，減少執(zhí)行指令的平均周期數(shù)，以提高系統(tǒng)的整體性能。SH系列的CPU指令格式是固定的，只一個(gè)字長(zhǎng)，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復(fù)雜的乘加指令也僅需2個(gè)時(shí)鐘周期。為了克服內(nèi)存訪問(wèn)的瓶頸，SH的CPU簡(jiǎn)化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲(chǔ))結(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)置高速緩存Cache，以減少訪問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間。

SH系列的CPU內(nèi)部有16個(gè)32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)處理、地址計(jì)算、堆棧指針；3個(gè)32位控制寄存器，即狀態(tài)寄存器SR、全局寄存器GBR、向量基址寄存器VBR，分別用于處理器狀態(tài)的控制和片內(nèi)功能電路 及程序的尋址；4個(gè)32位系統(tǒng)寄存器，即乘加寄存器MAC(用于乘法后累加的指令MAC，存放運(yùn)算結(jié)果）、過(guò)程寄存器PR(存放斷點(diǎn)地址，以便返回）和程序計(jì)數(shù)器PC。