嵌入式處理器簡(jiǎn)介

嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。

自微處理器的問(wèn)世以來(lái)，嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，嵌入式處理器毫無(wú)疑問(wèn)是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，嵌入式處理器直接關(guān)系到整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的性能。通常情況下嵌入式處理器被認(rèn)為是對(duì)嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)算和控制核心器件總的稱謂。

世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)超過(guò)1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個(gè)系列。鑒于嵌入式系統(tǒng)廣闊的發(fā)展前景，很多半導(dǎo)體制造商都大規(guī)模生產(chǎn)嵌入式處理器，并且公司自主設(shè)計(jì)處理器也已經(jīng)成為了未來(lái)嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢(shì)，其中從單片機(jī)、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越強(qiáng)，價(jià)格也越來(lái)越低。嵌入式處理器的尋址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達(dá)到2000 MIPS，封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳不等。

嵌入式微處理器與普通臺(tái)式計(jì)算機(jī)的微處理器設(shè)計(jì)在基本原理上是相似的，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小，對(duì)環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場(chǎng)、振動(dòng)等）的適應(yīng)能力強(qiáng)，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，對(duì)處理器進(jìn)行比較時(shí)的主要指標(biāo)就是計(jì)算速度，從33MHz主頻的386計(jì)算機(jī)到3GHz主頻的PenTIum 4處理器，速度的提升是用戶最主要關(guān)心的變化，但在嵌入式領(lǐng)域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC程度、成本、商業(yè)考慮等等諸多因素之中進(jìn)行折中，擇優(yōu)選擇。

嵌入式處理器做為嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式處理器擔(dān)負(fù)著控制、系統(tǒng)工作的重要任務(wù)，使宿主設(shè)備功能智能化、靈活設(shè)計(jì)和操作簡(jiǎn)便。為合理高效的完成這些任務(wù)，一般說(shuō)，嵌入式處理器具有以下特點(diǎn)：很強(qiáng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)支持能力，存儲(chǔ)區(qū)保護(hù)功能，可擴(kuò)展的微處理器結(jié)構(gòu)，較強(qiáng)的中斷處理能力，低功耗。

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

對(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。

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。

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。

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)。

嵌入式ARM微處理器

ARM微處理器的由來(lái)與發(fā)展

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認(rèn)為是一個(gè)公司的名字，也可以認(rèn)為是對(duì)一類微處理器的通稱，還可以認(rèn)為是一種技術(shù)的名字。目前，采用ARM技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM微處理器。它是一種高性能、低功耗的32位微處器，它被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。基于ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場(chǎng)份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機(jī)頂盒、數(shù)碼像機(jī)、GPS、個(gè)人數(shù)字助理以及因特網(wǎng)設(shè)備等方面有了廣泛的應(yīng)用。

ARM微處理器的應(yīng)用領(lǐng)域

ARM微處理器是目前應(yīng)用領(lǐng)域非常廣的處理器，到目前為止，ARM微處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無(wú)線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場(chǎng)，深入到各個(gè)領(lǐng)域。

工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu)，基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

無(wú)線通訊領(lǐng)域：目前已有超過(guò)85%的無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)，ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。此外，ARM在語(yǔ)音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)。

基于RISC架構(gòu)的ARM微處理器的特點(diǎn)

體積小、低功耗、低成本、高性能;

支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好的兼容8位/16位器件;

大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快;

大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;

尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高;

指令長(zhǎng)度固定;

嵌入式MIPS處理器

MIPS處理器的發(fā)展概述

MIPS是世界上很流行的一種RISC處理器。MIPS的意思是“無(wú)內(nèi)部互鎖流水級(jí)的微處理器”（MicroprocessorwithouTInterlockedpipedstages） ，其機(jī)制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問(wèn)題。MIPS技術(shù)公司是是美國(guó)著名的芯片設(shè)計(jì)公司，采用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)（RISC）來(lái)設(shè)計(jì)芯片，它設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。
MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，其指令系統(tǒng)經(jīng)過(guò)通用處理器指令體系MIPSI、MIPSII、MIPSIII、MIPSIV到MIPSV，嵌入式指令體系MIPS16、MIPS32到MIPS64的發(fā)展已經(jīng)十分成熟。

在設(shè)計(jì)理念上MIPS強(qiáng)調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時(shí)簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算結(jié)構(gòu)（CISC）相比，RISC具有設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)周期更短等優(yōu)點(diǎn)，并可以應(yīng)用更多先進(jìn)的技術(shù)，開(kāi)發(fā)更快的下一代處理器。MIPS是出現(xiàn)最早的商業(yè)RISC架構(gòu)芯片之一，新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)MIPS指令集，并增加了許多更強(qiáng)大的功能。

MIPS處理器的應(yīng)用

MIPS在通用方面，MIPSR系列微處理器用于構(gòu)建SGI的高性能工作站、服務(wù)器和超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在嵌入式方面，MIPSK系列微處理器是目前僅次于ARM的用得最多的處理器之一（1999年以前MIPS是世界上用得最多的處理器），其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。

PowerPC

PowerPC體系結(jié)構(gòu)規(guī)范（PowerPCArchitectureSpecificaTIon）是在二十世紀(jì)九十年代，由IBM（國(guó)際商用機(jī)器公司）、Apple（蘋(píng)果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開(kāi)發(fā)的芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。

PowerPC架構(gòu)的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。它是一個(gè)64位規(guī)范（也包含32位子集）。幾乎所有常規(guī)可用的PowerPC（除了新型號(hào)IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服務(wù)器）都是32位的。

PowerPC市場(chǎng)占有率不是很高，但在通信系統(tǒng)的控制和管理中用得很多。

嵌入式X86處理器

x86是一個(gè)Intel通用計(jì)算機(jī)系列的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)縮寫(xiě)，也標(biāo)識(shí)一套通用的計(jì)算機(jī)指令集合，X與處理器沒(méi)有任何關(guān)系，它是一個(gè)對(duì)所有*86系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的通配符定義。由于早期Intel的CPU編號(hào)都是如8086，80286來(lái)編號(hào)，由于這整個(gè)系列的CPU都是指令兼容的，所以都用X86來(lái)標(biāo)識(shí)所使用的指令集合。

x86以無(wú)可比擬的性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)成為計(jì)算平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)。但是x86仍然基于32位技術(shù)——對(duì)于高端的企業(yè)級(jí)服務(wù)器與工作站應(yīng)用無(wú)能為力。與ARM架構(gòu)的產(chǎn)品相比，嵌入式X86處理器普遍擁有高得多的性能，但功耗也高了許多，盡管依然可以維持無(wú)風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，但根本無(wú)法用于PDA、智能手機(jī)等完全依靠電池運(yùn)作的掌上計(jì)算產(chǎn)品。

X86和ARM、MIPS相比，X86架構(gòu)的嵌入式處理器應(yīng)用范圍要狹窄一些。它主要應(yīng)用于桌面端和低端服務(wù)器處理器。

嵌入式DSP處理器

DSP是在模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以后進(jìn)行高速實(shí)時(shí)處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當(dāng)今的數(shù)字化時(shí)代背景下，DSP己成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。業(yè)內(nèi)人士預(yù)言，DSP將是未來(lái)集成電路中發(fā)展最快的電子產(chǎn)品，并成為電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的決定因素。

DSP是屬于ModifiedHarvard架構(gòu)，即它具有兩條內(nèi)部總線：數(shù)據(jù)總線、程序總線。程序與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間分開(kāi)，各有獨(dú)立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取址和讀數(shù)可以同時(shí)進(jìn)行。它采用流水作業(yè)，每條指令的執(zhí)行劃分為取指令、譯碼、取數(shù)、執(zhí)行等若干步驟，由片內(nèi)多個(gè)功能單元分別完成。相當(dāng)于多條指令并行執(zhí)行，從而大大提高了運(yùn)算速度。乘法指令在單周期內(nèi)完成，優(yōu)化卷積、數(shù)字濾波、FFT、相關(guān)、矩陣運(yùn)算等算法中的大量重復(fù)乘法。采用循環(huán)尋址（Circularaddressing）位倒序，（bit-reversed）等特殊指令使FFT、卷積等運(yùn)算中的尋址、排序及計(jì)算速度大大提高。具有獨(dú)立的DMA總線和控制器，有一組或多組獨(dú)立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作。多處理器接口。使多個(gè)處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。