嵌入式系統中的處理器技術

摘要：闡述并總結嵌入式系統微處理器的特點、分類、開發技術。給出相關定義，并和通用處理器進行比較。歸納出嵌入式微處理器的基本情況及發展趨勢。嵌入式微處理器技術是一項很難被壟斷的技術，也是一項在未來信息技術應用中非常有潛力的技術，在此領域中應盡早形成自己的技術及產業標準。
關鍵詞：嵌入式系統；微處理器；軟件開發工具

嵌入式系統是將應用程序和操作系統與計算機硬件集成在一起的系統。這種系統具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點，特別適合于要求實時的和多任務的體系。嵌入式設備是指應用了嵌入式系統的計算機設備。從某種意義上來講確實是大型計算設備的微縮。這肯定多少會帶來相對性能上的減弱，但正是體積的微縮帶給人們無法比擬的方便。

1 嵌入式處理器技術
嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機之外的設備中提供添加的功能性的計算機芯片，它經常用于控制和監控領域。
一些嵌入式處理器是桌面市場傳下來的東西，對于今天的PC已經過時，但對于處理功能要求較低的任務卻綽綽有余。過去驅動TRS-80、AppleII和Commodore64這類早期PC的Z80和6502處理器現在仍是非常暢銷的產品。老式的處理器沒有淡出江湖，它們只是變為嵌入式了。因此，嵌入式微處理器市場異乎尋常地廣闊。在PC市場的任何時刻，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說，這個比例為500：1。如果在4位和8位嵌入式處理器中進行比較的話，則為幾千比1。隨著這類處理器體積越來越小，價格越來越便宜，功能越來越強大，它們將進入到更多的設備和產品中。
嵌入式系統的廣泛應用正是由于嵌入式微處理器具備以下4個特點：
①對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且中斷響應時間較短，從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度。
②具有功能很強的存儲區保護功能。這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能。同時，這也有利于軟件診斷。
③可擴展的處理器結構，能迅速地開發出滿足應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線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如要求功耗為mW甚至μW級。
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是通用計算機中的CPU。在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準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。
和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在1塊電路板上，稱為單板計算機，如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發出了“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產品。
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，顧名思義，就是將整個計算機系統集成到1塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM／EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時器／計數器、WatchDog、I／O、串行口、脈寬調制輸出、A／D、D／A、Flash、EEPR-OM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，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工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，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占嵌入式系統約70％的市場份額。特別值得注意的是，近年來提供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為基礎的PPC505和PPC555亦列入單片機行列，TI公司亦將其TMS320C-2XXX系列DSP作為MCU進行推廣。
1．1．3 嵌入式DSP處理器(EDSP)
DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進入嵌入式領域。DSP應用正在從通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有2個發展來源：一是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設，成為嵌入式DSP處理器，TI公司的TMS320C2000／C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或SoC中增加I)SP協處理器，例如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發展的另一個因素是嵌入式系統的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓解系統、虛擬現實顯示等。這類智能化算法一般都運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。
嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是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、移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外Philips公司也推出了基于可重構嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術制造的R．E．A．L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘／累加單元，應用目標是消費類產品。
1．1．4 嵌入式片上系統(SoC)
隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化，及半導體工藝的迅速發展，在1個硅片上實現更為復雜系統的時代已來臨，這就是SoC。各種通用處理器內核將作為SoC設計公司的標準庫，和許多其他嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中的標準器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分可集成到1塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、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公司聯合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統中，不為一般用戶所知。
1. 2 嵌入式處理器分類的變遷
國際上公認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，追求的是經濟性與速度的折中；MCU是滿足特殊用途的車。
現在，隨著對處理速度的要求越來越高，同時處理的數據更加復雜，出現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。隨著一些大量應用市場的崛起，又出現了一些新名詞，例如用于網絡、通信設備的通信處理器(2000年左右興起)，數碼相機、數碼錄像機等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興起)，智能手機上的應用處理器(2004年興起)。
由于一些處理器不僅要有速度，還要有控制功能，又出現了DSP與MCU的結合品，主攻電機控制市場。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術；Microehip公司2004年2月也推出了這種產品，稱為DSC(Digital Signal Controller)。
為了滿足多芯核與SoC設計的需要，還有一些廠家專門供應處理器芯核的IP，芯核主要有16位、32位、64位，有軟核與硬核。多芯核市場發展空間廣闊，在美國Electronic Summit 2004上，做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說，未來10年，1塊芯片中需要上千個處理器芯核，每秒要完成1012次運算。