1.3 嵌入式處理器

1.3.1 嵌入式處理器簡介

1.嵌入式硬件系統(tǒng)

像通用計算機系統(tǒng)的組成一樣，嵌入式系統(tǒng)由嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)組成。嵌入式硬件系統(tǒng)，是以嵌入式處理器為中心，由存儲器、I/O設備以及電源等必要的輔助接口組成的，如圖1.2所示。嵌入式系統(tǒng)是量身定做的專用計算機應用系統(tǒng)，在實際應用中的嵌入式系統(tǒng)硬件配置非常精簡，除了嵌入式處理器和基本的外圍電路以外，其余的電路都可根據(jù)需要和成本進行裁剪、定制，非常經(jīng)濟、可靠。

嵌入式硬件系統(tǒng)的核心是嵌入式處理器，有時為了提高系統(tǒng)的信息處理能力，常外接DSP和DSP協(xié)處理器，以完成高性能信號處理。

隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、應用技術(shù)的不斷發(fā)展，以及納米芯片加工工藝技術(shù)的發(fā)展，很多單片的嵌入式處理器中都含有電源控制電路、復位電路、時鐘電路、I/O接口和存儲器電路等資源。這種以微處理器為核心的、集成多種功能的單芯片級的MCU，已成為嵌入式系統(tǒng)的核心。有的MCU甚至集成了大量的外圍USB、UART、以太網(wǎng)、AD/DA、IIS等功能模塊。在嵌入式系統(tǒng)設計中，要盡可能地選擇滿足系統(tǒng)功能接口的MCU芯片。

2.嵌入式處理器簡介

嵌入式處理器是指應用在嵌入式計算機系統(tǒng)中的處理器，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。其范圍極其廣闊，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。

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)成為未來嵌入式領(lǐng)域的一大發(fā)展趨勢，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。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從64KB到4GB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝從8個引腳到200個引腳不等。

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式處理器，嵌入式處理器與通用CPU最大的不同，在于嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群所專門設計的系統(tǒng)中，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)或哈佛體系結(jié)構(gòu)；指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和復雜指令系統(tǒng)（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC計算機在通道中只包含最有用的指令，確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令，從而提高了執(zhí)行效率，并使CPU硬件結(jié)構(gòu)設計變得更為簡單。

嵌入式處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中，也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設和接口。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全世界嵌入式處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，其中主流的體系有80C51、AVR、ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但與全球PC市場不同的是，沒有一種嵌入式處理器可以主導市場，僅以32位的產(chǎn)品而言，就有100多種嵌入式處理器。嵌入式處理器的選擇是根據(jù)具體的應用來決定的。

1.3.2 嵌入式處理器的分類

嵌入式處理器按字長寬度可分為4位、8位、16位、32位和64位。國內(nèi)一般把16位及以下的嵌入式處理器稱為單片機或微控制器（MicroController Unit），而把32位及以上的嵌入式處理器稱為微處理器。但按字長寬度劃分微控制器和微處理器的界限并非絕對，許多內(nèi)含ARM核的32位處理器芯片在其廠家數(shù)據(jù)手冊中也稱為微控制器。

如果按系統(tǒng)集成度劃分，則可以分為兩類：一種是微處理器內(nèi)部僅包含單純的中央處理器單元，稱為一般用途型微處理器，另一種則是將CPU、RAM、ROM及I/O等部件集成在同一個芯片上，稱為單片機或單芯片微控制器。

通常我們根據(jù)用途來分類，如下所述。

1.嵌入式微處理器MPU（Microprocessor Unit）

嵌入式微處理器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。但與通用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(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、質(zhì)量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

其中Am186/88、386EX是由通用計算機中的CPU演變而來的；PowerPC、68000、MIPS處理器最初用于桌面計算機，目前則大量用于嵌入式計算機系統(tǒng)；而ARM則是專為嵌入式應用需要而開發(fā)的微處理器。

2.嵌入式微控制器MCU（Microcontroller Unit）

嵌入式微控制器的典型代表是8位單片機。從20世紀70年代末單片機出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了30多年的歷史，但這種8位單片機目前在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機芯片內(nèi)部集成ROM/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、E2PROM等各種必要的功能和外設。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。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。

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80C51、68K、PIC、AVR、ARM7系列各類微處理器，并且有支持I2C、SPI、CAN-BUS、LCD、USB及眾多專用MCU的兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。

3.嵌入式數(shù)字信號處理器DSP（Digital Signal Processor）

DSP處理器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20世紀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(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用。至20世紀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。到20世紀80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領(lǐng)域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。20世紀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。

4.嵌入式片上系統(tǒng)SoC（System on Chip）

SoC是在單芯片上集成數(shù)字信號處理器、微控制器、存儲器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路功能模塊，可以直接實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲、處理等功能，其中IP核（Intellectual Property core，知識產(chǎn)權(quán)核）是SoC設計的基礎。

IP核是指具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體的、接口規(guī)范的、可在多個集成電路設計中重復使用的功能模塊，是實現(xiàn)系統(tǒng)級芯片（SoC）的基本構(gòu)件。在十大IP供應商排行中，ARM、Rambus和MIPS居前3位。

SoC追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領(lǐng)域的熱門話題之一。SoC最大的特點是成功實現(xiàn)了軟/硬件的無縫結(jié)合，在一個硅片內(nèi)部運用硬件描述語言HDL（VHDL、Verilog HDL等）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，一點一點地連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的IP核，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)件都在系統(tǒng)內(nèi)部，因而整個系統(tǒng)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(chǎn)效率。

1.3.3 幾種嵌入式處理器之關(guān)系

微處理器（MPU）通常代表一個功能強大的CPU，但不是為任何已有的特定計算目的而設計的芯片。這種芯片往往是個人計算機和高端工作站的核心CPU。最常見的微處理器是Motorola的68K系列和Intel的X86系列。早期的微控制器是將一個計算機集成到一個芯片中，實現(xiàn)嵌入式應用，故稱為單片機（Single-Chip Microcomputer，SCM）。隨后，為了更好地滿足控制領(lǐng)域的嵌入式應用，單片機中不斷擴展一些滿足控制要求的電路單元。目前，單片機已廣泛稱為微控制器（MCU）。換一個說法，就是MCU集成了片上外圍器件，MPU不帶外圍器件，是高度集成的通用結(jié)構(gòu)的處理器，是去除了集成外設的MCU。

也有由微處理器發(fā)展的微控制器，例如，Intel的386EX就是很成功的80386微處理器的微控制器版本。它與嵌入式應用的微處理器一樣，也稱為嵌入式微處理器。數(shù)字信號處理器（DSP）里的CPU是專門設計用來極快地進行離散時間信號處理計算的，比如那些需要進行音頻和視頻通信的場合。DSP內(nèi)含乘加器，能比其他處理器更快地進行這類運算。

在當今嵌入式技術(shù)領(lǐng)域，微處理器（MPU）和微控制器（MCU）形成了各具特色的兩個分支。與微處理器（MPU）以運算性能和速度為特征的飛速發(fā)展不同，微控制器（MCU）則是以其控制功能的不斷完善為發(fā)展標志的。它們互相區(qū)別，但又互相融合、互相促進。

值得注意的是，在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中的微處理器和微控制器的劃分界限并非十分嚴格，MPU內(nèi)部也集成了具有控制功能的大量片上外圍器件，同樣MCU也不只局限于8位與16位的單片機，32位和64位的高性能的單片機也不斷推出。

1.3.4 如何選擇嵌入式處理器

與全球PC市場不同，沒有一種嵌入式微處理器可以主導嵌入式系統(tǒng)。那么在設計手持電話、傳真機、機器人、打印機和網(wǎng)絡路由器等應用產(chǎn)品時，應如何選擇嵌入式微處理器呢？僅有一種答案，那就是選擇是多樣化的。因為嵌入式系統(tǒng)設計的差異性極大，這就是有眾多嵌入式微處理器存在的原因。

嵌入式系統(tǒng)通常是為專門執(zhí)行某項任務而設計和開發(fā)的，其功能范圍狹窄。設計時需要進行高度優(yōu)化，必須為這些設計選擇適合的處理器。合理選擇恰當?shù)奶幚砥魇莻€復雜的工作，在某種情況下，性能極為重要，而在另一種情況下，低功耗又成為最關(guān)鍵的因素。另外，一些設計者會考慮支持軟件、代碼的大小以及多種渠道的資源和過去的經(jīng)驗。選擇處理器的一般原則如下。

1.低成本和供貨

對成本要求嚴格的項目一般選擇暢銷的、高度集成的部件。應選擇能保證在足夠長的時間段內(nèi)持續(xù)不斷地供應處理器產(chǎn)品并能提供工業(yè)級、軍品級處理器的一家廠商。

2.低功耗

對于有功耗限制的嵌入式系統(tǒng)，必須限制使用過多的外擴器件（如RAM、ROM、I/O接口等）。應考慮選擇低功耗、高集成度的處理器，如果處理器的時鐘頻率可程控，能進一步降低功耗。

從軟件設計的觀點來看，如果功耗成為壓倒性的系統(tǒng)約束，那么會影響軟件開發(fā)工具的選擇，有可能要求用匯編語言來編寫軟件，以提高軟件的運行效率。

3.恰當?shù)奶幚砟芰?/h4>

處理器必須能在規(guī)定的時間內(nèi)完成所有任務，不同的嵌入式系統(tǒng)對處理器的性能要求也不盡相同，從能處理單一的數(shù)字信號、處理數(shù)字/模擬信號到DSP應用等。

4.支持合適的嵌入式操作系統(tǒng)

微處理器的選擇還依賴于是否有合適的嵌入式操作系統(tǒng)支持。對于8位和16位微處理器，可以配置對資源要求不高的較小內(nèi)核尺寸的嵌入式操作系統(tǒng)；對于32位微處理器，應該支持商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)。在商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)中調(diào)試實時軟件時，一般需要使用與所采用的嵌入式操作系統(tǒng)兼容的開發(fā)工具，最好采用嵌入式操作系統(tǒng)開發(fā)商提供的集成解決方案。

5.與原有產(chǎn)品的兼容

隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，在同一系列的處理器中，性能較低的處理器會被性能較高的取代。新推出的處理器將會繼續(xù)保持與舊代碼、舊系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的兼容性。

在選擇處理器時，主要決定因素不僅是要最高的性價比，而且要求可利用已有的軟件、開發(fā)工具及在此系列上積累的豐富經(jīng)驗。

Intel公司的X86系統(tǒng)是最好的例子。今天最高性能的奔騰處理器仍能執(zhí)行在古老的IBM PC上使用的8086處理器的目標代碼。

6.編程語言的限制

編程語言的選擇是非常重要的，但有時開發(fā)人員卻別無選擇，有些工業(yè)部門對特定編程語言有著強烈的偏好。

如果項目要求在原有程序的基礎上進行再開發(fā)，要么繼續(xù)使用原先的編程語言，要么使用支持與原有編程語言混合編程的編譯器和連接器。

7.上市時間

開發(fā)工程師一般會低估上市時間的重要性，認為只要設計性能出眾、特性豐富，產(chǎn)品就會在市場上大獲成功。事實上，上市時間是產(chǎn)品成敗非常關(guān)鍵的因素。如果所選擇的處理器致使上市時間延期，那么就是處理器選擇失敗。

對于嵌入式系統(tǒng)的設計者，更多更好的嵌入式微處理器/微控制器將不斷出現(xiàn)。綜合考慮系統(tǒng)的性能、功耗、價格、供貨保證、開發(fā)工具的配備以及工程師過去對這種處理器的經(jīng)驗和軟件的支持等因素，決定用戶使用哪一種處理器。嵌入式處理器的選擇不是一成不變的，伴隨著技術(shù)的發(fā)展，速度快、價格低、功能強的嵌入式處理器不斷涌現(xiàn)，給用戶提供了更多的選擇。夠用、成本和供貨是選擇嵌入式處理器的3個主要考慮的因素。