嵌入式系統(tǒng)中處理器的“群英會”

　　隨著半導(dǎo)體、計算機和控制理論等技術(shù)的日新月異，在設(shè)計一個嵌入式系統(tǒng)的時候，可以用來選擇的處理器也越來越多。在筆者上大學(xué)的那時候，MCS-51單片機還在被作為一門重要的課程，多少感覺有一些高深莫測。然而十多年時間過去了，當(dāng)初高端的DSP、ARM這樣的芯片已經(jīng)隨處可見，甚至帶有ARM硬核的FPGA產(chǎn)品，例如Xilinx的APSOC等也已經(jīng)廣泛推向了市場。

　　作為開發(fā)設(shè)計人員，當(dāng)然希望使用的處理器越強大越好，這樣往往不需要在性能要求和實際系統(tǒng)的限制中做出痛苦的折衷。但是在開發(fā)產(chǎn)品中，就需要綜合考慮到設(shè)計成本、產(chǎn)品的推出時間、性能要求等再做出選擇了，一些特定市場和特殊的應(yīng)用會有一些更加額外的要求。所以為了更好地做出選擇，我們需要對現(xiàn)有的、常用的處理器各自的特點進行一些總結(jié)、比較。

　　1.微控制器，即MCU，也有通俗的名字叫“單片機”，相信是大部分相關(guān)專業(yè)的學(xué)生進入微機原理領(lǐng)域所接觸的第一類處理器。他們可以通過軟件編程，通常情況下器件的封裝較小(老款DIP封裝的不算)，從低端的4位MCU，一直到8位、16位、32位甚至高端的64位，設(shè)計和制造廠商極多，其應(yīng)用場合廣泛，從低端的二十元錢的固定電話，到高端的打印機都有涉及。MCU的編程靈活，開發(fā)時間短，開發(fā)成本相對較低，是電機控制，電容式觸摸，測量，傳感，照明和能源的理想選擇。

　　2.ARM與通用處理器(GPP)是近幾年特別流行的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)所使用的處理器。其本質(zhì)是在ARM公司授權(quán)的運算核心的基礎(chǔ)上，被不同的制造廠商進行功能的定制，加入了多種多樣的片上外設(shè)、存儲器等，并針對特定的應(yīng)用加入擴展結(jié)構(gòu)以提高效率，例如大名鼎鼎的NEON技術(shù)，專門對多媒體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了增強的功能。

　　ARM的開發(fā)也較為簡單靈活，并且有龐大的代碼庫，極大地方便了開發(fā)。并且往往提供了豐富的人機界面，并且可以運行高級的實時操作系統(tǒng)，例如Linux甚至Windows8等。這些年智能手機、平板電腦的大熱與ARM的迅速發(fā)展也是離不開的。其應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣泛，從音視頻、多媒體、通信到工業(yè)應(yīng)用都能見到它的身影。除去經(jīng)典的ARM7、9、11外，目前主要有3大系列，包括Cortex™-A系列-開放式操作系統(tǒng)的高性能處理器、Cortex-R系列-面向?qū)崟r應(yīng)用的卓越性能、Cortex-M系列-面向具有確定性的微控制器應(yīng)用的成本敏感型解決方案。

　　3.數(shù)字信號處理器(DSP)是數(shù)字革命的基礎(chǔ)(TI語)。從工業(yè)控制、手機，音頻和視頻播放器、電話基礎(chǔ)設(shè)施、無線基站，甚至生物辨識安全設(shè)備都有廣泛的應(yīng)用。與通用處理器(GPP)相比，DSP針對相關(guān)的信號處理過程進行了深度優(yōu)化，從而有效減少了信號處理所需要的指令數(shù)。換言之，其指令的效能大大提高了，所以MIPS作為指標(biāo)來衡量其性能往往是不充分的。DSP的可編程靈活性使開發(fā)人員能夠在軟件中實現(xiàn)復(fù)雜的算法，例如針對一個H.264視頻編解碼器，通過簡單的軟件升級，就可以輕松處理不同的分辨率，可以實現(xiàn)新的編解碼器和標(biāo)準(zhǔn)，因為不需要重新設(shè)計硬件。綜合考慮到功耗、性能、靈活性和上市時間，目前客戶正在轉(zhuǎn)向越來越實惠，低功耗的多核DSP。在數(shù)字信號處理器核心的基礎(chǔ)上也可以加入多種多樣的外設(shè)，例如TI的C2000系列，雖然目前被官方先后歸類為DSC和MCU，但其仍然是一個有著強大的數(shù)字信號處理器核心的工業(yè)控制器。

　　4.應(yīng)用專用集成電路(ASIC)和專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)是完全定制的芯片，完全根據(jù)需求進行定制，可以發(fā)揮最大的效能，但是其靈活性和上市時間是最弱的，設(shè)計也極為復(fù)雜，如果流片失敗，損失也是巨大的，所以只有少數(shù)實力雄厚的廠家才會使用，且輕易不會進行更改，這樣就造成其一般無法適應(yīng)快速變化的產(chǎn)品需求。當(dāng)然在一些長期運行并且不到萬不得已不會停機更換的場合，還是可以見到很多ASIC的身影的，例如一些運行了幾十年的工控系統(tǒng)里面就可以找到它們。

　　5.現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件可以提供與ASIC的接近的性能(因為大部分功能可以采用硬件邏輯電路來實現(xiàn))，其編程的靈活性和復(fù)雜性則介于ASIC與其它處理器之間。FPGA的應(yīng)用也極為廣泛，從實現(xiàn)一些簡單的邏輯，到一些極高性能的信號處理平臺都有設(shè)計。一些高端的FPGA還被用作開發(fā)ASIC所使用的原型系統(tǒng)。因為采用硬件電路且并行執(zhí)行，在不考慮容量的情況下其性能要比DSP強大，但在目前其成本則一般沒有優(yōu)勢。近兩年來出現(xiàn)了帶有ARM硬核/多核的FPGA芯片，例如Xilinx的APSOCZYNQ系列等，其作為上述一些處理器的綜合體，其性能和靈活性都是較為強大的，如果價格能夠降低到更低的水平，則也將有著更加廣泛的應(yīng)用前景。