嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術(shù)綜述

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

　?、?嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

　　嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個(gè)系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲(chǔ)器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。

　　和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)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，因此稱微控制器。

　　嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較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。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、 C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70％的市場(chǎng)份額。特別值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為Microcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做為MCU進(jìn)行推廣。

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

　　DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正在從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。推動(dòng)嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個(gè)因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品，生物信息識(shí)別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實(shí)時(shí)語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都是運(yùn)算量較大，特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長(zhǎng)處所在。

　　嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個(gè)不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置度朧? SP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的 R. E. A. L DSP 處理器，特點(diǎn)是具備雙 Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標(biāo)是大批量消費(fèi)類產(chǎn)品。

　?、?嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)

　　隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計(jì)的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個(gè)硅片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時(shí)代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計(jì)公司的標(biāo)準(zhǔn)庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計(jì)中一種標(biāo)準(zhǔn)的器件，用標(biāo)準(zhǔn)的 VHDL等語言描述，存儲(chǔ)在器件庫中。用戶只需定義出其整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計(jì)圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個(gè)別無法集成的器件以外，整個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡(jiǎn)潔，對(duì)于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

　　SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括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。專用SOC一般專用于某個(gè)或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個(gè)有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機(jī)內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個(gè)可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

　　1.2 嵌入式處理器分類的變遷

　　國(guó)際上公認(rèn)的通用嵌入式處理器有三大類：MCU、DSP和MPU（Micro-Processor Unit）。TI公司曾把處理器比作汽車，有個(gè)生動(dòng)的比喻：DSP是跑車，追求的是速度；MPU是轎車，追求的是經(jīng)濟(jì)性與速度的折中；MCU是滿足特殊用途的車。

　　現(xiàn)在，隨著處理速度的要求越來越高，同時(shí)處理的數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，出現(xiàn)了雙核與多核處理器，通常為DSP+RISC芯核，如Infineon公司的TriCore（CISC+RISC+DSP），Philips公司的Trimedia。隨著一些大量應(yīng)用市場(chǎng)的崛起，又出現(xiàn)了一些新名詞，例如用于網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備上的通信處理器（2000年左右興起），數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼錄像機(jī)等視頻、音頻流所需的媒體處理器（2003年興起），智能手機(jī)上的應(yīng)用處理器（2004年興起）。

　　由于一些處理器不僅要有速度，還要有控制功能，又出現(xiàn)了DSP與MCU的結(jié)合品，主攻電機(jī)控制市場(chǎng)。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術(shù)；Microchip 2004年2月也推出了這種產(chǎn)品，稱為DSC（Digital Signal Controller）。

　　處理器IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）：

　　為了滿足多芯核與SoC設(shè)計(jì)的需要，還有一些廠家專門供應(yīng)處理器芯核的IP廠商，芯核主要有16位、32位、64位，有軟核與硬核。值得一提的是，世界上最成功的IP廠商是做處理器芯核公司--ARM公司，至今年6月付運(yùn)量已達(dá)20億個(gè)，可見處理器行業(yè)的博大。多芯核市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿V闊，在2004年2月美國(guó)的Electronic Summit 2004上，做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說，未來十年，一塊芯片中需要上千個(gè)處理器芯核，每秒要完成1012運(yùn)算。

　　2 嵌入式處理器芯片的開發(fā)

　　2.1 嵌入式處理器芯片的一般開發(fā)過程

　　盡管有幾千種現(xiàn)成的芯片可供選擇，但是許多產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者需要一些與眾不同的特性。因此，他們開發(fā)自己的嵌入式芯片，即所謂的專用集成電路。

　　一位設(shè)計(jì)人員開始時(shí)需要從一家公司取得嵌入式微處理器的內(nèi)核的授權(quán)，然后添加他自己應(yīng)用特有的特性。例如，對(duì)于數(shù)字照相機(jī)處理器來說，他可能為這種電荷耦合設(shè)備的芯片添加一個(gè)控制器。又比如，對(duì)于具有Internet功能的家電處理器來說，可以添加一個(gè)Ethernet接口。 這位設(shè)計(jì)者然后將他的設(shè)計(jì)交給“鑄造廠”，即一家擁有“工廠”（芯片制造廠）的公司，并將部分制造量出售給其他公司。主要的制造廠有United Microelectronics公司、臺(tái)灣的TSMC公司和美國(guó)的IBM Microelectronics公司。