詳解嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)及架構(gòu)
隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用我們的生活的各個(gè)領(lǐng)域,例如:計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、航天飛機(jī)等等。 提到嵌入式系統(tǒng)首先聯(lián)想到單片機(jī),是的,MCU是最基礎(chǔ)和常用的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與模擬電路或其他功能電路組成的SoC(System on Chip,片上系統(tǒng))或SiP(System in Package,系統(tǒng)級(jí)封裝)在手機(jī)、機(jī)頂盒等功能復(fù)雜的產(chǎn)品中的應(yīng)用也越來(lái)越多。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/148953.htm嵌入式系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)如下特點(diǎn): ·由8位處理向32位過(guò)渡 ·由單核向多核過(guò)渡 ·向網(wǎng)絡(luò)化功能發(fā)展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進(jìn) ·嵌入式操作系統(tǒng)呈多元化趨勢(shì) 所有的嵌入式處理器都是基于一定的架構(gòu)的,即IP核(Intellectual Property,知識(shí)產(chǎn)權(quán)),生產(chǎn)處理器的廠家很多,但擁有IP核的屈指可數(shù)。有自己的IP核,光靠賣(mài)IP核即可坐擁城池。 嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)有專(zhuān)有架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)之分,在MCU(微控制器)產(chǎn)品上,像瑞薩(Renesas)、飛思卡爾(Freescale)、NEC都擁有自己得專(zhuān)有IP核,而其他嵌入式處理器都是基于標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。
標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)有兩大體系,目前占主要地位的是所謂RISC(Reduced Instruction Set Computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī))處理器。RISC體系的陣營(yíng)非常廣泛,從ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等,都是屬于RISC處理器的范疇。不過(guò)這些處理器雖然同樣是屬于RISC體系,但是在指令集設(shè)計(jì)與處理單元的結(jié)構(gòu)上都各有不同,因此彼此完全不能兼容,在特定平臺(tái)上所開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)法直接為另一硬件平臺(tái)所用,而必須經(jīng)過(guò)重新編譯。
其次是CISC(Complex Instruction Set Computer,復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))處理器體系,我們所熟知的Intel的X86處理器就屬于CISC體系,CISC體系其實(shí)是非常低效率的體系,其指令集結(jié)構(gòu)上背負(fù)了太多包袱,貪大求全,導(dǎo)致芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度被極大的提升。過(guò)去被應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的X86處理器,多為舊世代的產(chǎn)品,比如說(shuō),工業(yè)計(jì)算機(jī)中仍可常見(jiàn)數(shù)年前早已退出個(gè)人計(jì)算機(jī)市場(chǎng)的Pentium3處理器。由于此世代的產(chǎn)品效能與功耗比可以說(shuō)是過(guò)去X86體系的甜蜜點(diǎn),加上已經(jīng)被市場(chǎng)長(zhǎng)久驗(yàn)證,穩(wěn)定性高,故常被應(yīng)用于效能需求不高,但穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用中,如工控設(shè)備等產(chǎn)品。
1、RISC家族之ARM處理器
ARM 公司于1991年成立于英國(guó)劍橋,主要出售芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的授權(quán)。目前,采用ARM技術(shù)智能財(cái)產(chǎn)(IP)核心的處理器,即我們通常所說(shuō)的ARM處理器,已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng),基于ARM技術(shù)的處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng),ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面,我們甚至可以說(shuō),ARM于人類(lèi)的生活環(huán)境中,已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。
目前市面上常見(jiàn)的ARM處理器架構(gòu),可分為ARM7、ARM9以及ARM11,新推出的Cortex系列尚在進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗(yàn)證,市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構(gòu)的廠商。ARM 首個(gè)多核心架構(gòu)為ARM11 MPCore,架構(gòu)于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份,為了進(jìn)一步提升效能,其管線(xiàn)長(zhǎng)度擴(kuò)展到8階,處理單元?jiǎng)t增加為預(yù)取、譯碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換/MAC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存存取/MAC3和寫(xiě)入等八個(gè)單元,體系上屬于 ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的0.13μm制造制程,運(yùn)行頻率最高可達(dá)500到700MHz。如果采用90nm制程,ARM11核心的工作頻率能夠輕松達(dá)到1GHz以上—對(duì)于嵌入式處理器來(lái)說(shuō),這顯然是個(gè)相當(dāng)驚人的程度,不過(guò)顯然1GHz在ARM11體系中不算是個(gè)均衡的設(shè)定,因此幾乎沒(méi)有廠商推出達(dá)到1GHz的ARM11架構(gòu)處理器。
ARM11的邏輯核心也經(jīng)過(guò)大量的改進(jìn),其中最重要的當(dāng)屬“靜/動(dòng)態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測(cè)功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個(gè)64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖,它主要用來(lái)儲(chǔ)存最近使用過(guò)的轉(zhuǎn)換地址。當(dāng)采用動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)機(jī)制而無(wú)法在尋址緩沖內(nèi)找到正確的地址時(shí),靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測(cè)功能就會(huì)立刻接替它的位置。在實(shí)際測(cè)試中,單純采用動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率為88%,單純采用靜態(tài)預(yù)測(cè)機(jī)制的準(zhǔn)確率 只有77%,而ARM11的靜/動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)組合機(jī)制可實(shí)現(xiàn)92%的高準(zhǔn)確率。針對(duì)高時(shí)脈速度帶來(lái)功耗增加的問(wèn)題,ARM11采用一項(xiàng)名為“IEM (Intelligent Energy Manager)”的智能電源管理技術(shù),該技術(shù)可根據(jù)任務(wù)負(fù)荷情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓,進(jìn)而有效降低自身的功耗。這一系列改進(jìn)讓ARM11的功耗效能比得以繼續(xù)提高,平均每MHz只需消耗0.6mW(有快取時(shí)為0.8mW)的電力,處理器的最高效能可達(dá)到 660 Dhrystone MIPS,遠(yuǎn)超過(guò)上一代產(chǎn)品。 至于ARM11 MPCore,其在架構(gòu)上與ARM11同樣屬于 V6指令體系。根據(jù)不同應(yīng)用的需要,MPCore可以被配置為1-4個(gè)處理器的組合方式,根據(jù)官方資料,其最高性能約可達(dá)到 2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標(biāo)準(zhǔn)的同質(zhì)多核心處理器,組成MPCore的是4個(gè)基于ARM11架構(gòu)的處理器核心,由于多核心設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升,因此可望在多任務(wù)應(yīng)用中擁有良好的表現(xiàn),這一點(diǎn)很適合未來(lái)家庭消費(fèi)電子的需要。例如,機(jī)頂盒在錄制多個(gè)頻道電視節(jié)目的同時(shí),還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收看數(shù)字視頻點(diǎn)播節(jié)目、車(chē)內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)在提供導(dǎo)航功能的同時(shí),仍然有余力可以向后座乘客播放各類(lèi)視頻碼流等。
2、RISC家族之MIPS處理器
MIPS是美國(guó)歷史悠久的RISC處理器體系,其架構(gòu)的設(shè)計(jì),也如美國(guó)人的性格一般,相當(dāng)?shù)拇髿馇依硐牖?。MIPS架構(gòu)起源,可追溯到1980年代,斯坦福大學(xué)和伯克利大學(xué)同時(shí)開(kāi)始RISC架構(gòu)處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年,隨后在 1986年推出第一款R2000處理器,在1992年時(shí)被SGI所并購(gòu),但隨著MIPS架構(gòu)在桌面市場(chǎng)的失守,后來(lái)在1998年脫離了SGI,成為MIPS技術(shù)公司,并且在1999年重新制定 公司策略,將市場(chǎng)目標(biāo)導(dǎo)向嵌入式系統(tǒng),并且統(tǒng)一旗下處理器架構(gòu),區(qū)分為 32-bit以及64-bit兩大家族,以技術(shù)授權(quán)成為主要營(yíng)利模式。
MIPS除了在手機(jī)中應(yīng)用得比例極小外,其在一般數(shù)字消費(fèi)性、網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)音、個(gè)人娛樂(lè)、通訊、與商務(wù)應(yīng)用市場(chǎng)有著相當(dāng)不錯(cuò)的成績(jī),不過(guò)近年來(lái)因?yàn)槠渌麵P授權(quán)公司的興起,其占有比率稍有衰退。MIPS應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)屬家庭視聽(tīng)電器(包含機(jī)頂盒)、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車(chē)電子方面。 對(duì)于MIPS,其核心技術(shù)強(qiáng)調(diào)的是多執(zhí)行緒處理能力(Multiple issue,國(guó)內(nèi)也通常稱(chēng)作多發(fā)射核技術(shù),以下以此稱(chēng)謂)。一般來(lái)說(shuō),多核心與多發(fā)射是兩個(gè)并不是互斥的體系,可以彼此結(jié)合,然而在嵌入式領(lǐng)域,ARM與MIPS這兩大處理器IP廠商對(duì)這兩個(gè)架構(gòu)的態(tài)度不同,造成這兩個(gè)架構(gòu)在嵌入式市場(chǎng)上對(duì)抗的結(jié)果。
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