嵌入�處理��嵌入式系�(tǒng)的核心,是控�、輔助系�(tǒng)�(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣�,從最初的4位處理器,目前仍在大�(guī)模應(yīng)用的8�單片�(jī),到的受到廣泛青睞的32��64位嵌入式CPU�
自微處理器的問世以來,嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的�(fā)展,嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統(tǒng)的核心部�,嵌入式處理器直接�(guān)系到整�(gè)嵌入式系�(tǒng)的性能。通常情況下嵌入式處理器被�(rèn)為是對嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)算和控制核心器件總的稱謂�
世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過1000�,流行體系結(jié)�(gòu)包括MCU,MPU�30多�(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景,很多半導(dǎo)體制造商都大�(guī)模生�(chǎn)嵌入式處理器,并且公司自主設(shè)�(jì)處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式�(lǐng)域的一大趨勢,其中從單片機(jī)、DSP到FPGA有著各式各樣的品�,速度越來越快,性能越來越強(qiáng),價(jià)格也越來越低。嵌入式處理器的尋址空間可以�64kB�16MB,處理速度最快可以達(dá)�2000 MIPS,封裝從8�(gè)引腳�144�(gè)引腳不等�
嵌入式微處理器誕生于20世紀(jì)70年代�,其間經(jīng)歷了SCM、MCU、網(wǎng)�(luò)�、軟件硬化四大發(fā)展階��
1.SCM階段:即單片微型�(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)階段,主要是單片微型�(jì)算機(jī)的體系結(jié)�(gòu)探索階段。Zilog公司Z80等系列單片機(jī)的“單片機(jī)模式”獲得成�,走出了SCM 與通用�(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道��
2.MCU階段:即嵌入式微控制�(Micro-Controller Unit,單片機(jī))大發(fā)展階�,主要的技�(shù)方向是:為滿足嵌入式系統(tǒng)�(yīng)用不斷擴(kuò)展的需�,在芯片上集成了更多種類的外圍電路與接口電路,突顯其微型化和智能化的�(shí)�(shí)控制功能�80C51微控制器是這類�(chǎn)品的典型代表型號�
3.�(wǎng)�(luò)化階段:隨著互聯(lián)�(wǎng)的高速發(fā)�,各�(gè)系統(tǒng),不論是手持型還是固定式的嵌入式電子�(chǎn)品都希望能聯(lián)接互�(lián)�(wǎng)。因�,網(wǎng)�(luò)模塊集成于芯片上就成為了一�(gè)重要模塊�
4.軟件硬化階段:隨著市場對CPU芯片�(chǎn)品的使用面越來越�,對速度、性能等方面的要求越來越高,同�(shí)要求的產(chǎn)品開�(fā)的時(shí)間越來越�,而軟件功能和系統(tǒng)卻越來越�(fù)�,要求實(shí)�(shí)處理的多媒體等大型文件的處理要求越來越多(如MP3、MP4播放器、GPS�(dǎo)航儀�),以及手持型�(shù)字電視飛速發(fā)展的需�,有的還需要實(shí)�(shí)在線快速改變邏輯功�,尤其是對低功耗的需要越來越�(yán),僅僅采用軟件的方式已遠(yuǎn)�(yuǎn)不能滿足這些市場�(fā)展的�(shí)際需�。同�(shí),隨著半�(dǎo)體設(shè)�(jì)和加工技�(shù)的飛速發(fā)展以及設(shè)�(jì)水平的自動化程度的提�,極大地降低了嵌入式微處理器芯片的設(shè)�(jì)難度。為軟件硬化的普及發(fā)展帶來了極大的促�(jìn)作用�
嵌入式微處理器與普通臺式計(jì)算機(jī)的微處理器設(shè)�(jì)在基本原理上是相似的,但是工作穩(wěn)定性更�,功耗較�,對�(huán)�(如溫�、濕度、電磁場、振動等)的適�(yīng)能力�(qiáng),體積更�,且集成的功能較�。在桌面�(jì)算機(jī)�(lǐng)�,對處理器�(jìn)行比較時(shí)的主要指�(biāo)就是�(jì)算速度,從33MHz主頻�386�(jì)算機(jī)�3GHz主頻的Pentium4處理器,速度的提升是用戶最主要�(guān)心的變化,但在嵌入式�(lǐng)�,情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)�(shè)�(jì)的需求,在性能、功耗、功�、尺寸和封裝形式、SoC程度、成�、商�(yè)考慮等等諸多因素之中�(jìn)行折�,擇�(yōu)選擇�
嵌入式處理器做為嵌入式系�(tǒng)的核心,嵌入式處理器�(dān)�(fù)著控�、系�(tǒng)工作的重要任�(wù),使宿主�(shè)備功能智能化、靈活設(shè)�(jì)和操作簡�。為合理高效的完成這些任務(wù),一般說,嵌入式處理器具有以下特�(diǎn):很�(qiáng)的實(shí)�(shí)多任�(wù)支持能力,存儲區(qū)保護(hù)功能,可�(kuò)展的微處理器�(jié)�(gòu),較�(qiáng)的中斷處理能�,低功��
嵌入式系�(tǒng)的核心是嵌入式微處理�。嵌入式微處理器一般就具備以下4�(gè)特點(diǎn)�
1)對�(shí)�(shí)多任�(wù)有很�(qiáng)的支持能力,能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)�(shí)�,從而使�(nèi)部的代碼和實(shí)�(shí)�(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到限度�
2)具有功能很�(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系�(tǒng)的軟件結(jié)�(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)�(cuò)誤的交叉作用,需要設(shè)�(jì)�(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能,同�(shí)也有利于軟件診斷�
3)可�(kuò)展的處理器結(jié)�(gòu),以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的性能的嵌入式微處理器�
4)嵌入式微處理器必須功耗很�,尤其是用于便攜式的無線及移動的�(jì)算和通信�(shè)備中靠電池供電的嵌入式系�(tǒng)更是如此,如需要功耗只有mW甚至μW��
微處理器
嵌入式微處理器(MicroProcessorUnit,MPU)是由通用�(jì)算機(jī)中的CPU演變而來�。它的特征是具有32位以上的處理�,具有較高的性能,當(dāng)然其�(jià)格也相應(yīng)較高。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是,在實(shí)際嵌入式�(yīng)用中,只保留和嵌入式�(yīng)用緊密相�(guān)的功能硬�,去除其他的冗余功能部分,這樣就以的功耗和資源�(shí)�(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制�(jì)算機(jī)相比,嵌入式微處理器具有體積�、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)�(diǎn)。主要的嵌入式處理器類型有Am186/88�386EX、SC-400、PowerPC�68000、MIPS、ARM/StrongARM系列��
其中Arm/StrongArm是專為手持設(shè)備開�(fā)的嵌入式微處理器,屬于中檔的�(jià)��
微控制器
嵌入式微控制�(MicrocontrollerUnit,MCU)的典型代表是單片�(jī),從70年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天,雖然已經(jīng)�(jīng)過了20多年的歷�,但這種8位的電子器件在嵌入式�(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)�。單片機(jī)芯片�(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏�、定�(shí)/�(jì)�(shù)器、看門�、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸�、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。和嵌入式微處理器相比,微控制器的特�(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�。微控制器是目嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主�。微控制器的片上外設(shè)資源一般較豐富,適合于控制,因此稱微控制器�
由于MCU低廉的價(jià)格,�(yōu)良的功能,所以擁有的品種和數(shù)量最�,比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167�68K系列以及MCU8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系�。MCU占嵌入式系統(tǒng)�70%的市場份�。Atmel出產(chǎn)的Avr單片�(jī)由于其集成了FPGA等器�,所以具有很高的性價(jià)比,勢必將推動單片機(jī)獲得更高的發(fā)��
DSP處理�
嵌入式DSP處理�(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP),是專門用于信號處理方面的處理器,其在系�(tǒng)�(jié)�(gòu)和指令算法方面�(jìn)行了特殊�(shè)�(jì),具有很高的編譯效率和指令的�(zhí)行速度。在�(shù)字濾�、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大�(guī)模的�(yīng)��
DSP的理論算法在70年代就已�(jīng)出現(xiàn),但是由于專門的DSP處理器還未出�(xiàn),所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件�(shí)�(xiàn)。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要�,其�(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些的高科技�(lǐng)�。隨著大�(guī)模集成電路技�(shù)�(fā)��1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其�(yùn)算速度比MPU快了幾十�,在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛�(yīng)用。至80年代中期,隨著CMOS技�(shù)的�(jìn)步與�(fā)展,第二代基于CMOS工藝的DSP芯片�(yīng)�(yùn)而生,其存儲容量和運(yùn)算速度都得到成倍提�,成為語音處�、圖像硬件處理技�(shù)的基�(chǔ)。到80年代后期,DSP的運(yùn)算速度�(jìn)一步提�,應(yīng)用領(lǐng)域也從上述范圍擴(kuò)大到了通信和計(jì)算機(jī)方面�90年代�,DSP�(fā)展到了第五代�(chǎn)�,集成度更高,使用范圍也更加廣闊�
最為廣泛應(yīng)用的是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范��
片上系統(tǒng)
嵌入式片上系�(tǒng)(SystemOnChip):SoC追求�(chǎn)品系�(tǒng)包容的集成器�,是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的熱門話題之一。SOC的特�(diǎn)是成功實(shí)�(xiàn)了軟硬件無縫�(jié)�,直接在處理器片�(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模�。而且SOC具有極高的綜合�,在一�(gè)硅片�(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言,實(shí)�(xiàn)一�(gè)�(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳�(tǒng)的系�(tǒng)�(shè)�(jì)一樣,繪制龐大�(fù)雜的電路�,一�(diǎn)�(diǎn)的連接焊制,只需要使用精確的語言,綜合時(shí)序設(shè)�(jì)直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的�(biāo)�(zhǔn),然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商�(jìn)行生�(chǎn)。由于絕大部分系�(tǒng)�(gòu)件都是在系統(tǒng)�(nèi)�,整�(gè)系統(tǒng)就特別簡潔,不僅減小了系�(tǒng)的體積和功�,而且提高了系�(tǒng)的可靠�,提高了�(shè)�(jì)生產(chǎn)效率�
由于SOC往往是專用的,所以大部分都不為用戶所�,比較典型的SOC�(chǎn)品是Philips的SmartXA。少�(shù)通用系列如Siemens的TriCore,Motorola的M-Core,某些ARM系列器件,Echelon和Motorola�(lián)合研制的Neuron芯片��
�(yù)�(jì)不久的將來,一些大的芯片公司將通過推出成熟�、能占領(lǐng)多數(shù)市場的SOC芯片,一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲�、圖�、影視、網(wǎng)�(luò)及系�(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中�(fā)揮重要作��