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(yīng)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(guān)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)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(shè)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(yīng)能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領(lǐng)域，對處理器進行比較時的主要指標(biāo)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(guān)心的變化，但在嵌入式領(lǐng)域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)設(shè)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(dān)負著控制、系統(tǒng)工作的重要任務(wù)，使宿主設(shè)備功能智能化、靈活設(shè)計和操作簡便。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點：很強的實時多任務(wù)支持能力，存儲區(qū)保護功能，可擴展的微處理器結(jié)構(gòu)，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(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)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(shè)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(dāng)然其價格也相應(yīng)較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)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(yīng)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(shè)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(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機芯片內(nèi)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(diào)制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、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(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(chǎn)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(jié)構(gòu)和指令算法方面進行了特殊設(shè)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域僅僅局限于一些尖端的高科技領(lǐng)域。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)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(yīng)用。至 80 年代中期，隨著 CMOS 技術(shù)的進步與發(fā)展，第二代基于 CMOS 工藝的 DSP 芯片應(yīng)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(shù)的基礎(chǔ)。到 80 年代后期，DSP 的運算速度進一步提高，應(yīng)用領(lǐng)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(chǎn)品，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)用范圍。

4、片上系統(tǒng)

嵌入式片上系統(tǒng)（System On Chip） ：SoC 追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)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(jié)合，直接在處理器片內(nèi)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(nèi)部運用 VHDL 等硬件描述語言，實現(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)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(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產(chǎn)。由于絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)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(shè)計生產(chǎn)效率。

由于 SOC 往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的 SOC 產(chǎn)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(yù)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(lǐng)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(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)）

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(shù)的名字。目前，采用 ARM 技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（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(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中?；?ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 32 位 RISC 微處理器 75%以上的市場份額，ARM 技術(shù)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(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用。

ARM 微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

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

1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為 32 的 RISC 架構(gòu)，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(yīng)用領(lǐng)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(lǐng)域：目前已有超過 85%的無線通訊設(shè)備采用了 ARM 技術(shù)，ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用 ARM 技術(shù)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(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

4、消費類電子產(chǎn)品：ARM 技術(shù)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(chǎn)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(shù)。手機中的 32 位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術(shù)。

基于 RISC 架構(gòu)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(nèi)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(guān)問題。MIPS 技術(shù)公司是是美國著名的芯片設(shè)計公司，采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（RISC）來設(shè)計芯片，它設(shè)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(jié)構(gòu)及設(shè)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(shè)計理念上 MIPS 強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（CISC）相比，RISC 具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進的技術(shù)，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(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)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(yīng)用

MIPS 在通用方面，MIPSR 系列微處理器用于構(gòu)建 SGI 的高性能工作站、服務(wù)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(yīng)用領(lǐng)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(jié)構(gòu)規(guī)范（PowerPCArchitectureSpecificaTIon）是在二十世紀(jì)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(gòu)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(wù)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(biāo)準(zhǔn)編號縮寫，也標(biāo)識一套通用的計算機指令集合，X 與處理器沒有任何關(guān)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)。但是 x86 仍然基于 32 位技術(shù)——對于高端的企業(yè)級服務(wù)器與工作站應(yīng)用無能為力。與 ARM 架構(gòu)的產(chǎn)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(fēng)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(chǎn)品。真正對嵌入式 X86 處理器產(chǎn)生需求的是網(wǎng)絡(luò)終端、瘦客戶機、廉價 / 低能耗型 PC、家庭消費電子產(chǎn)品、POS 終端機等要求 PC 軟件延續(xù)性的領(lǐng)域，對應(yīng)設(shè)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(gòu)的嵌入式處理器應(yīng)用范圍要狹窄一些。它主要應(yīng)用于桌面端和低端服務(wù)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(dāng)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(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。業(yè)內(nèi)人士預(yù)言，DSP 將是未來集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。

DSP 是屬于 ModifiedHarvard 架構(gòu)，即它具有兩條內(nèi)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(nèi)多個功能單元分別完成。相當(dāng)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(nèi)完成，優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運算等算法中的大量重復(fù)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(shè)，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(dǎo)體廠商在這一領(lǐng)域擁有很強的實力。

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

審核編輯 黃昊宇