[科普中国]-嵌入式处理器

简介

自微处理器的问世以来，嵌入式系统得到了飞速的发展，嵌入式处理器毫无疑问是嵌入式系统的核心部分,嵌入式处理器直接关系到整个嵌入式系统的性能。通常情况下嵌入式处理器被认为是对嵌入式系统中运算和控制核心器件总的称谓。1

世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。

发展历程嵌入式微处理器诞生于20世纪70年代末，其间经历了SCM、MCU、网络化、软件硬化四大发展阶段。

1.SCM阶段：即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段，主要是单片微型计算机的体系结构探索阶段。Zilog公司Z80等系列单片机的“单片机模式”获得成功，走出了SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。

2.MCU阶段：即嵌入式微控制器(Micro-Controller Unit，单片机)大发展阶段，主要的技术方向是：为满足嵌入式系统应用不断扩展的需要，在芯片上集成了更多种类的外围电路与接口电路，突显其微型化和智能化的实时控制功能。80C51微控制器是这类产品的典型代表型号。

3.网络化阶段：随着互联网的高速发展，各个系统，不论是手持型还是固定式的嵌入式电子产品都希望能联接互联网。因此，网络模块集成于芯片上就成为了一个重要模块。

4.软件硬化阶段：随着市场对CPU芯片产品的使用面越来越广，对速度、性能等方面的要求越来越高，同时要求的产品开发的时间越来越短，而软件功能和系统却越来越复杂，要求实时处理的多媒体等大型文件的处理要求越来越多(如MP3、MP4播放器、GPS导航仪等)，以及手持型数字电视飞速发展的需要，有的还需要实时在线快速改变逻辑功能，尤其是对低功耗的需要越来越严，仅仅采用软件的方式已远远不能满足这些市场发展的实际需要。同时，随着半导体设计和加工技术的飞速发展以及设计水平的自动化程度的提高，极大地降低了嵌入式微处理器芯片的设计难度。为软件硬化的普及发展带来了极大的促进作用。2

特点嵌入式微处理器与普通台式计算机的微处理器设计在基本原理上是相似的，但是工作稳定性更高，功耗较小，对环境(如温度、湿度、电磁场、振动等)的适应能力强，体积更小，且集成的功能较多。在桌面计算机领域，对处理器进行比较时的主要指标就是计算速度，从33MHz主频的386计算机到3GHz主频的Pentium 4处理器，速度的提升是用户最主要关心的变化，但在嵌入式领域，情况则完全不同。嵌入式处理器的选择必须根据设计的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封装形式、SoC程度、成本、商业考虑等等诸多因素之中进行折中，择优选择。

嵌入式处理器做为嵌入式系统的核心，嵌入式处理器担负着控制、系统工作的重要任务，使宿主设备功能智能化、灵活设计和操作简便。为合理高效的完成这些任务，一般说，嵌入式处理器具有以下特点：很强的实时多任务支持能力，存储区保护功能，可扩展的微处理器结构，较强的中断处理能力，低功耗。1

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：

1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。3

分类微处理器嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。3

微控制器嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种8位的电子器件在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。3

DSP处理器嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。

最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。3

片上系统嵌入式片上系统(System On Chip) ：SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

由于SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片，一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。3

发展趋势嵌入式处理器大量应用于PC机。嵌入式微控制器是嵌入式系统芯片的主流产品，其品种多、数量大。嵌入式微处理器的发展速度很快，嵌入式系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域，例如：计算机、汽车、航天飞机等等。对于下一代微处理器 ,任何人都可以这样预测 :集成度越来越高、主频越来越高、机器字长越来越大、总线越来越宽、同时处理的指令条数越来越多.事实证明，二十多年来嵌入式微处理器正是按照这样的规律向前发展的。1

嵌入式处理器（Embedded Processor）从属于芯片行业，经过多年发展，芯片产业链已非常成熟，共分为4个环节：设计（Fabless）、晶圆制造（Wafer Foundry）、封装和测试（Packaging & Testing）。其中，设计环节类似软件，属于纯知识劳动，在国内发展最为成功，产生了一批有竞争力的公司；晶圆制造属于超强技术密集和资金密集型行业，全球寡头垄断，台积电垄断全球一半的市场、我国中芯国际排名全球第五；封装测试环节也强调技术和资金，国内最有实力企业是长电科技，全球排名第七。4