新一代嵌入式計算機體系結構

嵌入于宿主設備，智能地完成宿主設備功能的計算機就是嵌入式計算機，或簡稱為嵌入式。嵌入式計算機的構成：可以是單片的微控制器(MC-micro-controller)，在我國習慣于稱做單片機；也可以是由微處理器（MP-microprocessor)另加存儲器及外部設備構成；還可以在MC/MP的基礎上附加數字信號處理器(DSP)核心部件，構成多核MP/MC。

盡管嵌入式一詞，80年代中期由Intel公司率先使用，但如今，嵌入式一詞叫得更加響亮。然而，盡管嵌入式與宿主的服務關系依然未變，但嵌入式的構成卻發生了巨大的變化。當年嵌入式的構成確實主要指的是4/8/16位的微控制器(MC)，而今所言嵌入式，就其構成來說，主要討論的是嶄新一代由RISC與DSP雙核復合而成的32位微處理器形成的計算機系統。

新一代嵌入式計算機的主要特征：是繼承了整個PC機時期的技術成就，特別是進入90年代后的全球萬維網(Web)技術(產品有可接入萬維網的手持式PDA設備等)和多媒體技術(產品有高質量數字音響、數字視盤播放器，數碼靜態相機、數碼視頻攝像機等等）。這類嵌入式的目標是想把桌面PC機上成熟的技術拆解下來，放入手持設備或移動設備，供用戶隨時隨地進行消費。全球網中行之有效的眾多通信協議，多媒體的MP3、JPEG、MPEG等所采用的標準數據格式及各種庫函數都使用32位格式和32位的編程軟件，所以嵌入式也注定要使用32位的微處理器。

為順應形勢發展的需要，32位手持設備用的嵌入式操作系統應運而生，著名的有Windows CE、Epoch、 Palm OS等等，可見今日嵌入式的立點水平是很高的。

新一代嵌入式主要面向手持或移動消費類設備，電池供電和低價位是重要考慮因素，這就從根本上決定了它不可能照搬PC機上原來使用的微處理器。下面先介紹嵌入式32位微處理器的技術進步，然后再舉一些新型嵌入式微處理器的實例，使讀者對新一代嵌入式有一個較清晰的認識。

MP是計算機的核心部分，任務是去存儲器中取指令數據，然后分解指令并對指定的操作數進行處理。為此，需要有獲取和分解指令的邏輯控制部分，執行指令的算術邏輯單元(ALU)，以及暫時為ALU運算方便存放中間結果的通用寄存器。

總的說來，MP的能力取決于：指令集的操作能力；指令的位寬（每條指令涵蓋信息量的位數，4/8/16/32/64位等）；每秒執行指令CISC結構的MP，不同的指令執行所需的時鐘周期數是不同的，RISC結構的MP所有指令都只用一個時鐘周期，而且每秒鐘都能執行百萬條指令以上，故而常以MIPS(每秒百萬條指令)為單位來體現時鐘的速度。

MC實際上是對通用MP功能加以某些限制，使其具有某些專門用途的配套計算機。MC有以下特點：

·I/O接口寄存器化，常叫做特殊功能寄存器(SFR)，通過對SFR的編程可以提高使用外部設備的靈活性和簡化對外部設備的操作；

·通用寄存器累加器化，緩解累加器的瓶頸問題，簡化編程，提高處理速度；

·片內RAM與通用寄存器及SFR統一編程，統一訪問指令的結構，簡化編程；

·通用寄存器多組化，優化中斷對現場的保護，縮短中斷響應時間。

總之，MP面向通用，對研發和拓展功能有利；MC則面向專用，對批量的生產有利。現階段新一代嵌入式處于研發創新階段，所以，主要使用32位的MP，而不是MC。

MP有兩種結構，RISC(精簡指令集計算機）是相對于早已存在的CISC(復雜指令集計算機）而言。手持設備的算術邏輯運算比桌面PC要求低，復雜程度也較小，一般多采用RISC結構的MP。

RISC的特點是：

·采用Load/store指令模式，凡數據由外存到內存、內存到寄存器方向的流動統一用Load指令，而對于反方向的操作，都用store；

·用小指令集、多寄存器；指令執行簡單快速;

·統一用單周期指令。從根本上克服了CISC指令周期數有長有短，造成運行中偶發性不確定，致使運行失常的問題。

為加速通信和多媒體中有關數字信號，處理中頻繁遇到的循環乘加的算法，在RISC的基礎上增加了硬件的乘法累加器（MAC）等原屬DSP核中的關鍵部件。雙核協同工作。各用所長，有效地提高了數據處理能力和傳輸速度，成為今日32位手持嵌入式設備所用微處理器的主要結構。

RISC+DSP分立的雙核結構存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩。為此發展了兩核融合在一起的單核結構。同時將指令集也合二為一，簡化編程提高效率。硬件簡化和軟件合一為處理器的可編程化提供了方便，為新產品的研制和爭取上市時間做出有力的貢獻。

目前，FPGA在移動設備的市場上占有一席之地，因它可以將整個MP、各種外設、連同代碼一起做到FPGA中，起到小型化和低功耗化的效果。移動設備總是需要非常高級的硬件MP，用FPGA通過軟件編程的方法來實現也可以完善地解決。

有的公司已經開始用基于32位RISC/DSP單核結構的MP平臺來設計多媒體的單片式系統芯片（SoC）。

Palmchip公司用以生產RISC MP著名的ARC公司的32位 RISC/DSP單核構成SoC設計平臺，研制了MP3的SoC。該公司同時還生產PALM-FC-6710的SoC平臺。該平臺支持MMCL多媒體卡，提供音頻I/O源，提供UART/USB串行接口等。

電池供電的MP/MC/DSP芯核及其它部件都需要具有良好的低功耗特質。除此之外，對于構成的系統，還得采取種種措施延長電池壽命。它們甚至對于產品能否打開銷路起舉足輕重的作用。僅僅一般性來用CMOS技術并不能保證器件可以工作于1W功率以下，按功耗優化來設計系統就是在功耗與運行速度之間進行均衡。在CPU時鐘停止工作的狀態下，系統還會耗費多少電能也是要研究的課題，功耗與電壓的平方成反比，降低工作電壓可以十分有效地減少功耗。不同部件的工藝過程不同，存在各自可以工作的低端電壓。所以嵌入式設備會同時用不同電壓供電。例如，設備的MP工作于1.5～2.5V，而I/O接口則工作于2.5～3V，而且不用時的接口還經常被關掉。雖然是高檔的消費類產品，價位仍然不能太高。然而，32位的MP畢竟屬于高級技術，單純靠批量生產求得低價，空間有限，故需從科技進步、合理規劃電路配置、加強系統運行管理等多方面求得解決。

RISC簡化原本復雜的控制電路，減少使用的晶體管數目，硅片加工工藝的進步，縮減了晶體管的尺寸、引線的長度，在提高性能、改善運行速度的同時也降低了造價。如果使用半定制的FPGA，乃至SoC技術以軟件代替硬件，也能別開生面地降低造價。

由上述可見，當前嵌入式所用MP多是32位RISC+DSP雙核或RISC/DSP單核結構。過去比較著名的RISC生產廠家起著基石作用。許多新興的嵌入式廠家購買他們的RISC專利嫁接到自己的DSP核上。一些著名的生產CISC微處理器的廠家不甘心丟失嵌入式市場，也紛紛向RISC及DSP靠攏。

ARM公司是著名RISC生產廠家，在自己生產的32位RISC MP的基礎上加上DSP的單周期MAC,將CPU提升到可快速運算多媒體的算法，在手機上實現MP3的解碼，并正努力在手機上實現視頻功能。

Motorola使用ARM的200MHz 920T RISC核，生產了自己的屬于龍珠系列的32位MX-1高檔的無線接入的移動式新產品，其中包括MP3和JPEG的解碼播放器，以及靜態的和具有視頻功解的數碼相機，它還同時具有集成的外設部件，該部件包括SONY存儲棒、電源管理器以及LCD控制器，外設不用時即被關斷，整個設備在1.8V電池下工作。龍珠系列的Super vz 更支持彩色TFT顯示，A/D轉換，USB以及SRAM的工作，時鐘頻率達66MHz。

著名的MIPS Technologies在基于load/store 的MIPS結構之上，應用MIPS I/MIPSⅡ指令集的超集，并加進嵌入式需要的一些新指令，引用了64位MIPS R4000和R5000所特有的存儲器管理和特權管理機制，以及DSP的MUL乘法、MADD（乘-加）和0→1前沿計數指令，形成稱為MIPS32的新結構，它具有32個32位寄存器并向上與MIPS64結構相兼容。

Toshiba公司購買了MIPS32 4KC核，開發了自己的TX19系列的嵌入式產品，旨在將Toshiba原有的16位CISC結構轉型為32位RISC結構，開發靜態數碼相機/視頻數碼攝像機和CD-ROM播放器等產品。

Palmchip公司也購買了MIPS32 4KC核，開發可編程的SoC平臺，瞄準移動通信/計算和存儲設備的嵌入式市場。

ARC Cores的32位 ARC Tangent A4是低功耗、可編程的RISC/DSP單核結構，可根據用戶的要求靈活地增減功能，DSP的新增功能有語音壓縮與解壓，另有改進的高速緩存以及高效電源等。有的IP廠商，以ARC的Tangent A4 為中心部件，研制了可編程的低功耗RISC/DSP平臺。Tangent A4的核小到低于10000個門以下，其中斷系統是可編程的，其數據存儲器存在4級流水線，非常適合集成片上外設。

Hitachi宣布將于2001年底推出一款新型SH7727處理器。它的RISC核含有16個32位通用寄存器，5個32位控制寄存器和4個32位系統寄存器，在此核的基礎上增加SuperH-3的 DSP核所形成，片上還集成了可尋址4 Gbyte尋址的MMU(存儲管理單元)和LCD控制器，時鐘頻率在16MHz以上。CPU部分工作電壓為1.35～2.05V，I/O工作電壓為3～3.6V。

Intel公司為插足移動設備市場，也生產了RISC/DSP結構的名為Strong ARM的SA-1110微處理器，Intel公司的奮斗目標是生產低功耗、高性能的ASSP（標準專用產品）。專用標準產品具有袖珍、無線接入、多媒體的特色，具有8Kbyte數據高速緩存、MMU、讀/寫緩沖器和512字節增強高速緩存，供頻繁使用的結構變量所用。其軟件與ARM V4相兼容，電池供電的優化是靠專利的低電壓工藝技術和電源管理器來保證的，凡當前用不到的部分就停止供電。Intel的SA-1110支持MP3音頻解碼、MPEG-4視頻解碼、語音和手寫輸入的識別、軟件Modem和Java解釋程序的運行。

新一代嵌入式市場的春光已經顯現，新產品還會像雨后春筍般突現。在這一輪新的市場角逐中，我們應提供商品還是僅僅提供市場；時勢呼喚著英雄！■