嵌入�處理��嵌入式系�(tǒng)的核�,是控制、輔助系�(tǒng)運行的硬件單元。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�,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)�,嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系�(tǒng)的核心部�,嵌入式處理器直接�(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�(rèn)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�,流行體系結(jié)�(gòu)包括MCU,MPU�30多個系�。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)計處理器也已�(jīng)成為了未來嵌入式�(lǐng)域的一大趨�,其中從單片�、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�64kB�16MB,處理速度最快可以達(dá)�2000 MIPS,封裝從8個引腳到144個引腳不��
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:即單片微型計算�(Single Chip Microcomputer)階段,主要是單片微型計算機的體系�(jié)�(gòu)探索階段。Zilog公司Z80等系列單片機的“單片機模式”獲得成�,走出了SCM 與通用計算機完全不同的�(fā)展道��
2.MCU階段:即嵌入式微控制�(Micro-Controller Unit,單片機)大發(fā)展階段,主要的技�(shù)方向是:為滿足嵌入式系統(tǒng)�(yīng)用不斷擴展的需�,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實時控制功能�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)展,各個系�(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個重要模��
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,同時要求的�(chǎn)品開�(fā)的時間越來越�,而軟件功能和系統(tǒng)卻越來越�(fù)�,要求實時處理的多媒體等大型文件的處理要求越來越�(如MP3、MP4播放�、GPS�(dǎo)航儀�),以及手持型�(shù)字電視飛速發(fā)展的需要,有的還需要實時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)展的實際需要。同�,隨著半�(dǎo)體設(shè)計和加工技�(shù)的飛速發(fā)展以及設(shè)計水平的自動化程度的提高,極大地降低了嵌入式微處理器芯片的設(shè)計難�。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算機的微處理器設(shè)計在基本原理上是相似�,但是工作穩(wěn)定性更�,功耗較小,對環(huán)�(如溫�、濕�、電磁場、振動等)的適�(yīng)能力強,體積更小,且集成的功能較�。在桌面計算機領(lǐng)域,對處理器�(jìn)行比較時的主要指�(biāo)就是計算速度,從33MHz主頻�386計算機到3GHz主頻的Pentium4處理�,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)計的需�,在性能、功�、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)行折中,擇優(yōu)選擇�
嵌入式處理器做為嵌入式系�(tǒng)的核�,嵌入式處理器擔(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)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(hù)功能,可擴展的微處理器結(jié)�(gòu),較強的中斷處理能力,低功��
嵌入式系�(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�(wù)有很強的支持能力,能完成多任�(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間,從而使�(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到限度�
2)具有功能很強的存儲區(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)錯誤的交叉作用,需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護(hù)功能,同時也有利于軟件診��
3)可擴展的處理器�(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計算和通信�(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)是由通用計算機中的CPU演變而來�。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�(yīng)較高。但與計算機處理器不同的�,在實際嵌入式應(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實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。和工業(yè)控制計算機相�,嵌入式微處理器具有體積�、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)�。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,屬于中檔的價位�
微控制器
嵌入式微控制�(MicrocontrollerUnit,MCU)的典型代表是單片機,�70年代末單片機出現(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)用。單片機芯片�(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總�、總線邏�、定�/計數(shù)器、看門�、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、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�,微控制器的特點是單片化,體積大大減�,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�,優(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單片機由于其集成了FPGA等器�,所以具有很高的性價�,勢必將推動單片機獲得更高的�(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)計,具有很高的編譯效率和指令的執(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。其運算速度比MPU快了幾十�,在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛�(yīng)�。至80年代中期,隨著CMOS技�(shù)的�(jìn)步與�(fā)�,第二代基于CMOS工藝的DSP芯片�(yīng)運而生,其存儲容量和運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的運算速度�(jìn)一步提�,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�,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)用范圍�
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的特點是成功實現(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�,在一個硅片內(nèi)部運用VHDL等硬件描述語言,實�(xiàn)一個復(fù)雜的系統(tǒng)。用戶不需要再像傳�(tǒng)的系�(tǒng)�(shè)計一樣,繪制龐大�(fù)雜的電路�,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�(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)部,整個系�(tǒng)就特別簡�,不僅減小了系統(tǒng)的體積和功�,而且提高了系�(tǒng)的可靠性,提高了設(shè)計生�(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)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�。SOC芯片也將在聲�、圖�、影�、網(wǎng)�(luò)及系�(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中�(fā)揮重要作用�