嵌入式系统中的处理器技术综述

摘　要：目的:阐述并总结嵌入式系统微处理器的特点、分类、开发技术. 方法:给出相关定义,并和通用处理器进行比较. 结果:归纳出了嵌入式微处理器的基本情况及发展趋势.  结论: 嵌入式微处理器技术是一项很难被垄断的技术,也是一项在未来信息技术应用中非常有潜力的技术,在此领域中应尽早形成自己的技术及产业标准.

引言

嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统，它以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。这种系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式设备是指应用了嵌入式系统的计算机设备。从某种意义上来讲确实是大型计算设备的一个微缩，这一微缩肯定多少会带来相对性能上的减弱。但正是这一体积的微缩带给人们的方便却是无法比拟的。拥有嵌入式设备，人们可以随时随地的阅览电子书籍，预定机票，在任何一个陌生的城市都不会丢失，甚至可以在最短的时间内看到任何一部想看到的电影。

关于嵌入式设备的软件开发2001年IT产业生产20亿台微型计算机。其中，95％将用于嵌入设备用途。因此，与其以每年上市的1亿5000万台网络化计算机为研究对象，倒不如加大力度推进80亿台嵌入设备的网络化、将注意力放在制造与之相适应的软件上来。美国英特尔公司研究部门的领导人DavidTennenhouse在旧金山召开的ComputingContinuumConference会议上这样说道"有关计算机的研究，比起1亿5000万台计算机，更应该加大8亿台嵌入微处理器设备的网络化"。构筑无论何时何地都可与网络连接的环境以及开发适应型软件已成为当务之急。在仔细考察了国外嵌入式设备软件现状和国内的市场潜力后，嵌入式设备软件将在国内掀起一场软件革命！

1 嵌入式处理器技术

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器是用于在计算机之外的设备中提供添加的功能性的计算机芯片，它经常用于控制和监控领域。

椐世界半导体贸易统计数据蓝皮书中的审计报告显示， 从单位销售额角度看，象INTEL公司的Pentium系统、ADVANCED MICRO Devices公司的Athlon以及IBM和MOTOROLA公司的PowerPC等处理器的市场份额只占世界市场的6％，余下的94％，即50亿片芯片为嵌入式微处理器。据估计，平均每个美国家庭拥有大约60片内嵌式处理器。 一些嵌入式处理器是由桌面市场中传下来的东西，即使对于今天的PC已经过时，但对于处理功能要求较低的任务却绰绰有余的芯片。过去驱动象TRS-80 、Apple II和Commodore 64这类早期PC的Z80和6502处理器现在仍是非常畅销的产品。 甚至最低级的4位处理器的销售量也远远超过象Pentium这类32位处理器。老式的处理器也没有淡出江湖：它们只是变为嵌入式了。 因此，嵌入式微处理器市场异乎寻常的广阔。在PC市场的任何时刻，微处理器之间性能差距只有约3比1,目前速度最快的芯片以1GHz速度运行，而最慢的最常用的芯片的速度为333MHz。与此相比，仅就32位嵌入式微处理器来说，其性能范围为500比1。如果你在4位和8位嵌入式处理器中进行比较的话，性能范围为几千比一。

随着这类处理器体积越变越小，价格越来越便宜，功能越来越强大，它们将进入到更多的设备和产品中。现在，它们已经存在于会唱歌的贺卡和测量行程的运动鞋中。最终，由于毫微米技术的出现，它们将变得象原子那样普通，并且几乎象原子那样小。

嵌入式系统的广泛应用正是嵌入式微处理器具备以下4个特点：

①对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。②具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。③可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。④嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

1.1 嵌入式处理器的种类

目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16-32MB，处理速度从0.1MIPS到 2000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：

① 嵌入式微处理器(Embedded MICROprocessor Unit, EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似"火柴盒"式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。

嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

② 嵌入式微控制器(MICROcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成 ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从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统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、 C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。特别值得注意的是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为MICROcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推广。

③ 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正在从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如INTEL的MCS-296和Siemens的TriCore。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。

嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和MOTOROLA的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为 DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置度胧? SP结构低成本、低功耗技术上制造的 R. E. A. L DSP 处理器，特点是具备双 Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。

④ 嵌入式片上系统(System On Chip)

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的 VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Siemens的TriCore，MOTOROLA的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 MOTOROLA联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips的 SmartXA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。

来源：维库开发网