嵌入式处理器

1．2　嵌入式处理器

1．2．1　简介

普通个人计算机（PC）中的处理器是通用目的的处理器．它们的设计非常丰富，因为这些处理器具有通用的特性和广泛的功能，故可以用于各种应用．使用这些通用处理器的系统有大量的应用编程资源．例如，现代处理器具有内置的内存管理单元（MMU），提供内存保护和多任务能力的虚存和通用目的的操作系统．这些通用的处理器具有先进的高速缓存逻辑．许多这样的处理器具有执行快速浮点运算的内置数字协处理器．这些处理器提供接口，支持各种各样的外部设备．这些处理器能源消耗大，产生的热量高，尺寸也大．其复杂性意味着这些处理器的制造成本昂贵．在早期，嵌入式系统通常用通用目的的处理器建造．

近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式系统用嵌入式处理器建造，而不是用通用目的的处理器．这些嵌入式处理器是为完成特殊的应用而设计的特殊目的的处理器．

一类嵌入式处理器注重尺寸、能耗和价格．因此，某些嵌入式处理器限定功能，即处理器对于某类应用足够好，而对于其他类的应用可能就不够好了．这就是为何许多的嵌入式处理器没有太高的CPU速度的原因．例如，为个人数字助理（PDA）设备选择的处理器就没有浮点协处理器，因为浮点运算没有必要，或用软件仿真就足够了．这些处理器可以是16－bit地址体系结构，而不是32－bit的，因为受内存储器容量的限制；可以是200MHz CPU频率，因为应用的主要特性是交互和显示密集性的，而不是计算密集性的．这类嵌入式处理器很小，因为整个PDA装置尺寸很小并能放在手掌上．限制功能意味着降低能耗并延长电池供电时间．更小的尺寸可降低处理器的制造成本．

另一类嵌入式处理器更关注性能．这些处理器功能很强，并用先进的芯片设计技术包装，如先进的管道线和并行处理体系结构．这些处理器设计满足那些用通用目的的处理器难以达到的密集性计算的应用需求．新出现的高度特殊的高性能嵌入式处理器，包括为网络设备和电信工业开发的网络处理器．

还有一类嵌入式处理器关注全部4个需求——性能、尺寸、能耗和价格．例如，蜂窝电话中的嵌入式数字信号处理器（DSP）具有特殊性的计算单元、内存中的优化设计、寻址和带多个处理能力的总线体系结构，这样DSP可以非常快地实时执行复杂的计算．在同样的时钟频率下，DSP执行数字信号处理要比通用目的的处理器速度快若干倍，这就是在蜂窝电话的设计上用DSP而不用通用目的的处理器的原因．更有甚者，DSP具有非常快的速度和强大的嵌入式处理器，但其价格是相当合适的，使得蜂窝电话的整体价格具有相当的竞争力．使用DSP的供电电池可以持续使用几十小时．

片上系统SOC（System On Chip）处理器对嵌入式系统具有特别的吸引力．SOC处理器具有CPU内核并带内置外设模块，如可编程通用目的计时器、可编程中断控制器、DMA控制器和以太网接口．这样的自含设计使嵌入式设计可以用来建造各种嵌入式应用，而不需要附加外部设备，再次减少了最终产品的整个费用和尺寸．

1．2．2　分类

（1）嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）．

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU．在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗．为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强．

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，也使得技术保密性较差．嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机，如STD－BUS、PC104等．近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品．

嵌入式处理器目前主要有Alpha、Power PC、MIPS、ARM系列等．

（2）嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）．

嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中．嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM／EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时／计数器、WatchDog、I／O、串行口、脉宽调制输出、A／D、D／A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设．为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装．这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本．

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流．微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器．

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较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、数目众多的ARM芯片等．目前MCU占嵌入式系统的市场份额约为70%．

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

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高．在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器．

嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列．TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，用于移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列．DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器．另外PHILIPS公司近年也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R．E．A．L DSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘／累加单元，应用目标是大批量消费类产品．

（4）嵌入式片上系统（System On Chip）．

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SOC（System On Chip）．各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中．用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品．这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利．

SOC可以分为通用和专用两类．通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M－Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等．专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知．一个有代表性的产品是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面．