嵌入式處理器簡介

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的 4 位處理器，目前仍在大規(guī)模應用的 8 位單片機，到最新的受到廣泛青睞的 32 位，64 位嵌入式 CPU。

自微處理器的問世以來，嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，嵌入式處理器直接關系到整個嵌入式系統(tǒng)的性能。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統(tǒng)中運算和控制核心器件總的稱謂。

世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過 1000 種，流行體系結構包括 MCU，MPU 等 30 多個系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導體制造商都大規(guī)模生產嵌入式處理器，并且公司自主設計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP 到 FPGA 有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。嵌入式處理器的尋址空間可以從 64kB 到 16MB，處理速度最快可以達到 2000 MIPS，封裝從 8 個引腳到 144 個引腳不等。

特點

嵌入式微處理器與普通臺式計算機的微處理器設計在基本原理上是相似的，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小，對環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場、振動等）的適應能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領域，對處理器進行比較時的主要指標就是計算速度，從 33MHz 主頻的 386 計算機到 3GHz 主頻的 PenTIum 4 處理器，速度的提升是用戶最主要關心的變化，但在嵌入式領域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)設計的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC 程度、成本、商業(yè)考慮等等諸多因素之中進行折中，擇優(yōu)選擇。

嵌入式處理器做為嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式處理器擔負著控制、系統(tǒng)工作的重要任務，使宿主設備功能智能化、靈活設計和操作簡便。為合理高效的完成這些任務，一般說，嵌入式處理器具有以下特點：很強的實時多任務支持能力，存儲區(qū)保護功能，可擴展的微處理器結構，較強的中斷處理能力，低功耗。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下 4 個特點：

1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。

2）具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。

3）可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。

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(tǒng)更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至μW 級。

分類

1、微處理器

嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計算機中的 CPU 演變而來的。它的特征是具有 32 位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應用的特殊要求。和工業(yè)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(yōu)點。主要的嵌入式處理器類型有 Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM 系列等。

其中 Arm/StrongArm 是專為手持設備開發(fā)的嵌入式微處理器，屬于中檔的價位。

2、微控制器

嵌入式微控制器（Microcontroller Unit， MCU）的典型代表是單片機，從 70 年代末單片機出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了 20 多年的歷史，但這種 8 位的電子器件在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內部集成 ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時 / 計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM 等各種必要功能和外設。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。微控制器是目嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

由于 MCU 低廉的價格，優(yōu)良的功能，所以擁有的品種和數(shù)量最多，比較有代表性的包括 8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K 系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持 I2C、CAN-Bus、LCD 及眾多專用 MCU 和兼容系列。MCU 占嵌入式系統(tǒng)約 70%的市場份額。Atmel 出產的 Avr 單片機由于其集成了 FPGA 等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發(fā)展。

3、DSP 處理器

嵌入式 DSP 處理器（Embedded Digital Signal Processor， EDSP），是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執(zhí)行速度。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上 DSP 獲得了大規(guī)模的應用。

DSP 的理論算法在 70 年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的 DSP 處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過 MPU 等由分立元件實現(xiàn)。MPU 較低的處理速度無法滿足 DSP 的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規(guī)模集成電路技術發(fā)展，1982 年世界上誕生了首枚 DSP 芯片。其運算速度比 MPU 快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至 80 年代中期，隨著 CMOS 技術的進步與發(fā)展，第二代基于 CMOS 工藝的 DSP 芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到 80 年代后期，DSP 的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90 年代后，DSP 發(fā)展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

最為廣泛應用的是 TI 的 TMS320C2000/C5000 系列，另外如 Intel 的 MCS-296 和 Siemens 的 TriCore 也有各自的應用范圍。

4、片上系統(tǒng)

嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip） ：SoC 追求產品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC 最大的特點是成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。而且 SOC 具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用 VHDL 等硬件描述語言，實現(xiàn)一個復雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統(tǒng)構件都是在系統(tǒng)內部，整個系統(tǒng)就特別簡潔，不僅減小了系統(tǒng)的體積和功耗，而且提高了系統(tǒng)的可靠性，提高了設計生產效率。

由于 SOC 往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的 SOC 產品是 Philips 的 Smart XA。少數(shù)通用系列如 Siemens 的 TriCore，Motorola 的 M-Core，某些 ARM 系列器件，Echelon 和 Motorola 聯(lián)合研制的 Neuron 芯片等。

預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數(shù)市場的 SOC 芯片，一舉擊退競爭者。SOC 芯片也將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡及系統(tǒng)邏輯等應用領域中發(fā)揮重要作用。

嵌入式處理器匯總（常見）

（1）嵌入式 ARM 微處理器（嵌入式微處理器結構）

ARM 微處理器的由來與發(fā)展

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。目前，采用 ARM 技術知識產權（IP）核的微處理器，即我們通常所說的 ARM 微處理器。它是一種高性能、低功耗的 32 位微處器，它被廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)中?；?ARM 技術的微處理器應用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75%以上的市場份額，ARM 技術正在逐步滲入到我們生活的各個方面。ARM9 代表了 ARM 公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機頂盒、數(shù)碼像機、GPS、個人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設備等方面有了廣泛的應用。

ARM 微處理器的應用領域

ARM 微處理器是目前應用領域非常廣的處理器，到目前為止，ARM 微處理器及技術的應用幾乎已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費類電子產品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產品市場，深入到各個領域。

1、工業(yè)控制領域：作為 32 的 RISC 架構，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展，ARM 微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的 8 位 /16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

2、無線通訊領域：目前已有超過 85%的無線通訊設備采用了 ARM 技術，ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。

3、網(wǎng)絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用 ARM 技術的 ADSL 芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM 在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對 DSP 的應用領域提出了挑戰(zhàn)。

4、消費類電子產品：ARM 技術在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。

5、成像和安全產品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用 ARM 技術。手機中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術。

基于 RISC 架構的 ARM 微處理器的特點

1、體積小、低功耗、低成本、高性能;

2、支持 Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容 8 位 /16 位器件;

3、大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

4、大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

5、尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高;

6、指令長度固定;

（2）嵌入式 MIPS 處理器

MIPS 處理器的發(fā)展概述

MIPS 是世界上很流行的一種 RISC 處理器。MIPS 的意思是“無內部互鎖流水級的微處理器”（MicroprocessorwithouTInterlockedpipedstages） ，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關問題。MIPS 技術公司是是美國著名的芯片設計公司，采用精簡指令系統(tǒng)計算結構（RISC）來設計芯片，它設計制造高性能、高檔次及嵌入式 32 位和 64 位處理器的廠商，在 RISC 處理器方面占有重要地位。

MIPS 的系統(tǒng)結構及設計理念比較先進，其指令系統(tǒng)經(jīng)過通用處理器指令體系 MIPSI、MIPSII、MIPSIII、MIPSIV 到 MIPSV，嵌入式指令體系 MIPS16、MIPS32 到 MIPS64 的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。

在設計理念上 MIPS 強調軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設計。和英特爾采用的復雜指令系統(tǒng)計算結構（CISC）相比，RISC 具有設計更簡單、設計周期更短等優(yōu)點，并可以應用更多先進的技術，開發(fā)更快的下一代處理器。

MIPS 是出現(xiàn)最早的商業(yè) RISC 架構芯片之一，新的架構集成了所有原來 MIPS 指令集，并增加了許多更強大的功能。

MIPS 處理器的應用

MIPS 在通用方面，MIPSR 系列微處理器用于構建 SGI 的高性能工作站、服務器和超級計算機系統(tǒng)。在嵌入式方面，MIPSK 系列微處理器是目前僅次于 ARM 的用得最多的處理器之一（1999 年以前 MIPS 是世界上用得最多的處理器），其應用領域覆蓋游戲機、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。

（3）PowerPC

PowerPC 體系結構規(guī)范（PowerPCArchitectureSpecificaTIon）是在二十世紀九十年代，由 IBM（國際商用機器公司）、Apple（蘋果公司）和 Motorola（摩托羅拉）公司開發(fā)的芯片，并制造出基于 PowerPC 的多處理器計算機。

PowerPC 架構的特點是可伸縮性好、方便靈活。它是一個 64 位規(guī)范（也包含 32 位子集）。幾乎所有常規(guī)可用的 PowerPC（除了新型號 IBMRS/6000 和所有 IBMpSeries 高端服務器）都是 32 位的。

PowerPC 市場占有率不是很高，但在通信系統(tǒng)的控制和管理中用得很多。

（4）嵌入式 X86 處理器

x86 是一個 Intel 通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合，X 與處理器沒有任何關系，它是一個對所有*86 系統(tǒng)的簡單的通配符定義，例如：i386，586，奔騰（Pentium）。由于早期 Intel 的 CPU 編號都是如 8086，80286 來編號，由于這整個系列的 CPU 都是指令兼容的，所以都用 X86 來標識所使用的指令集合如今的奔騰，P2，P4，賽揚系列都是支持 X86 指令系統(tǒng)的，所以都屬于 X86 家族。

x86 以無可比擬的性能價格比優(yōu)勢成為計算平臺的標準。但是 x86 仍然基于 32 位技術——對于高端的企業(yè)級服務器與工作站應用無能為力。與 ARM 架構的產品相比，嵌入式 X86 處理器普遍擁有高得多的性能，但功耗也高了許多，盡管依然可以維持無風扇運行狀態(tài)，但根本無法用于 PDA、智能手機等完全依*電池運作的掌上計算產品。真正對嵌入式 X86 處理器產生需求的是網(wǎng)絡終端、瘦客戶機、廉價 / 低能耗型 PC、家庭消費電子產品、POS 終端機等要求 PC 軟件延續(xù)性的領域，對應設備體積相對較大，不依*電池運行，但要求具有較高的性能、低能耗、低噪音和高可靠性等優(yōu)點。2006 年 X86 推出了首款雙核處理器。

X86 和 ARM、MIPS 相比，X86 架構的嵌入式處理器應用范圍要狹窄一些。它主要應用于桌面端和低端服務器處理器。

（5）嵌入式 DSP 處理器

DSP 是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的 CPU 還快 10～50 倍。在當今的數(shù)字化時代背景下，DSP 己成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。業(yè)內人士預言，DSP 將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產品，并成為電子產品更新?lián)Q代的決定因素。

DSP 是屬于 ModifiedHarvard 架構，即它具有兩條內部總線：數(shù)據(jù)總線、程序總線。程序與數(shù)據(jù)存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取址和讀數(shù)可以同時進行，目前已達到 90 億次浮點運算 / 秒（9000MFLOPS）。它采用流水作業(yè)，每條指令的執(zhí)行劃分為取指令、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等若干步驟，由片內多個功能單元分別完成。相當于多條指令并行執(zhí)行，從而大大提高了運算速度。乘法指令在單周期內完成，優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關、矩陣運算等算法中的大量重復乘法。采用循環(huán)尋址（Circularaddressing）位倒序，（bit-reversed）等特殊指令使 FFT、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。1024 點 FFT 的時間已小于 1μs。具有獨立的 DMA 總線和控制器，有一組或多組獨立的 DMA 總線，與 CPU 的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作，在不影響 CPU 工作的條件下，DMA 速度已達 800Mbyte/s 以上。多處理器接口。使多個處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。

DSP 處理器經(jīng)過單片化、EMC 改造、增加片上外設，或在通用單片機或 SOC 中增加 DSP 協(xié)處理器，從而發(fā)展成為嵌入式 DSP 處理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP），推動嵌入式 DSP 處理器發(fā)展的因素主要是嵌入式系統(tǒng)的智能化。目前 TI、ADI、Freescale、CEVA 等半導體廠商在這一領域擁有很強的實力。

DSP 通用 DSP 的主要市場在于通信應用，而嵌入式 DSP 則主要應用于消費電子產品，比如 DVD 播放器和刻錄機、機頂盒、音視頻接收設備、MP3 播放器和數(shù)碼相機等。但是，WLAN、DSL 和線纜寬帶網(wǎng)絡等通信芯片也帶有嵌入式 DSP。

審核編輯 黃昊宇