嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術(shù)綜述

摘　要：目的:闡述并總結(jié)嵌入式系統(tǒng)微處理器的特點(diǎn)、分類、開(kāi)發(fā)技術(shù). 方法:給出相關(guān)定義,并和通用處理器進(jìn)行比較. 結(jié)果:歸納出了嵌入式微處理器的基本情況及發(fā)展趨勢(shì). 結(jié)論: 嵌入式微處理器技術(shù)是一項(xiàng)很難被壟斷的技術(shù),也是一項(xiàng)在未來(lái)信息技術(shù)應(yīng)用中非常有潛力的技術(shù),在此領(lǐng)域中應(yīng)盡早形成自己的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn).

　　引言

　　嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)，它以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小，高度自動(dòng)化，響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的體系。嵌入式設(shè)備是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)設(shè)備。從某種意義上來(lái)講確實(shí)是大型計(jì)算設(shè)備的一個(gè)微縮，這一微縮肯定多少會(huì)帶來(lái)相對(duì)性能上的減弱。但正是這一體積的微縮帶給人們的方便卻是無(wú)法比擬的。擁有嵌入式設(shè)備，人們可以隨時(shí)隨地的閱覽電子書(shū)籍，預(yù)定機(jī)票，在任何一個(gè)陌生的城市都不會(huì)丟失，甚至可以在最短的時(shí)間內(nèi)看到任何一部想看到的電影。

　　關(guān)于嵌入式設(shè)備的軟件開(kāi)發(fā)2001年IT產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)20億臺(tái)微型計(jì)算機(jī)。其中，95％將用于嵌入設(shè)備用途。因此，與其以每年上市的1億5000萬(wàn)臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化計(jì)算機(jī)為研究對(duì)象，倒不如加大力度推進(jìn)80億臺(tái)嵌入設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、將注意力放在制造與之相適應(yīng)的軟件上來(lái)。美國(guó)英特爾公司研究部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)人DavidTennenhouse在舊金山召開(kāi)的ComputingContinuumConference會(huì)議上這樣說(shuō)道有關(guān)計(jì)算機(jī)的研究，比起1億5000萬(wàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)，更應(yīng)該加大8億臺(tái)嵌入微處理器設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。構(gòu)筑無(wú)論何時(shí)何地都可與網(wǎng)絡(luò)連接的環(huán)境以及開(kāi)發(fā)適應(yīng)型軟件已成為當(dāng)務(wù)之急。在仔細(xì)考察了國(guó)外嵌入式設(shè)備軟件現(xiàn)狀和國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)潛力后，嵌入式設(shè)備軟件將在國(guó)內(nèi)掀起一場(chǎng)軟件革命！

　　1 嵌入式處理器技術(shù)

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計(jì)算機(jī)之外的設(shè)備中提供添加的功能性的計(jì)算機(jī)芯片，它經(jīng)常用于控制和監(jiān)控領(lǐng)域。

　　椐世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)藍(lán)皮書(shū)中的審計(jì)報(bào)告顯示， 從單位銷售額角度看，象Intel公司的Pentium系統(tǒng)、Advanced Micro Devices公司的Athlon以及IBM和Motorola公司的PowerPC等處理器的市場(chǎng)份額只占世界市場(chǎng)的6％，余下的94％，即50億片芯片為嵌入式微處理器。據(jù)估計(jì)，平均每個(gè)美國(guó)家庭擁有大約60片內(nèi)嵌式處理器。 一些嵌入式處理器是由桌面市場(chǎng)中傳下來(lái)的東西，即使對(duì)于今天的PC已經(jīng)過(guò)時(shí)，但對(duì)于處理功能要求較低的任務(wù)卻綽綽有余的芯片。過(guò)去驅(qū)動(dòng)象TRS-80 、Apple II和Commodore 64這類早期PC的Z80和6502處理器現(xiàn)在仍是非常暢銷的產(chǎn)品。 甚至最低級(jí)的4位處理器的銷售量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)象Pentium這類32位處理器。老式的處理器也沒(méi)有淡出江湖：它們只是變?yōu)榍度胧搅恕?因此，嵌入式微處理器市場(chǎng)異乎尋常的廣闊。在PC市場(chǎng)的任何時(shí)刻，微處理器之間性能差距只有約3比1,目前速度最快的芯片以1GHz速度運(yùn)行，而最慢的最常用的芯片的速度為333MHz。與此相比，僅就32位嵌入式微處理器來(lái)說(shuō)，其性能范圍為500比1。如果你在4位和8位嵌入式處理器中進(jìn)行比較的話，性能范圍為幾千比一。

　　隨著這類處理器體積越變?cè)叫?，價(jià)格越來(lái)越便宜，功能越來(lái)越強(qiáng)大，它們將進(jìn)入到更多的設(shè)備和產(chǎn)品中?，F(xiàn)在，它們已經(jīng)存在于會(huì)唱歌的賀卡和測(cè)量行程的運(yùn)動(dòng)鞋中。最終，由于毫微米技術(shù)的出現(xiàn)，它們將變得象原子那樣普通，并且?guī)缀跸笤幽菢有　?/p>

　　嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是嵌入式微處理器具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

　?、賹?duì)實(shí)時(shí)多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時(shí)間，從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時(shí)內(nèi)核心的執(zhí)行時(shí)間減少到最低限度。②具有功能很強(qiáng)的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯(cuò)誤的交叉作用，需要設(shè)計(jì)強(qiáng)大的存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，同時(shí)也有利于軟件診斷。③可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開(kāi)展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。④嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無(wú)線及移動(dòng)的計(jì)算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級(jí)。

　　1.1 嵌入式處理器的種類

　　目前據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結(jié)構(gòu)有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種?，F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門(mén)。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16-32MB，處理速度從0.1MIPS到 2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類：

　　① 嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

　　嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。

　　和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計(jì)算機(jī)。如STD-BUS、PC104 等。近年來(lái)，德國(guó)、日本的一些公司又開(kāi)發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計(jì)算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。