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(chǎn)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。

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：

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。

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。

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。

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。

嵌入式ARM微處理器

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(chǎn)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?；贏RM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(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，深入到各個領域。

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)。

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。

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)。

消費類電子產(chǎn)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。

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。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

體積小、低功耗、低成本、高性能;

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

大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高;

指令長度固定;

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。

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。

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。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。

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(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扇運行狀態(tài)，但根本無法用于PDA、智能手機等完全依靠電池運作的掌上計算產(chǎn)品。

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。

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(chǎn)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(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，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。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。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。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。