1.3 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。

目前，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。目前嵌入式處理器的尋址空間可以從 64KB 到 1GB，處理速度最快可以達到 2000 MIPS，封裝從8個引腳到324個引腳（如TI的ARM Cortex A8 AM335x）不等。

根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分成下面幾類。

1.嵌入式微處理器

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(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。目前主要的嵌入式處理器類型有 Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM/ARM Cortex系列等。其中ARM/StrongARM/ARM Cortex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.嵌入式微控制器

嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）的典型代表是單片機，從70年代末單片機的出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)經(jīng)過了30多年的歷史，但這種8位的電子器件目前在嵌入式設(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。微控制器是目前嵌入式系統(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MCS-51、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K、ARM Cortex M3系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持IIC、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU約占嵌入式系統(tǒng)70%的市場份額。近來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.嵌入式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，EDSP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/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。

目前，應(yīng)用最為廣泛的是 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.SoC片上系統(tǒng)

SoC（System on Chip）片上系統(tǒng)追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件，是目前嵌入式應(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，一點點地連接焊制，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準，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)計在不久的將來，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)揮重要的作用。