嵌入式處理器簡介和種類

嵌入式處理器簡介

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，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。

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

世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)超過1000種，流行體系結(jié)構(gòu)包括MCU，MPU等30多個系列。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)計處理器也已經(jīng)成為了未來嵌入式領(lǐng)域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。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到2000 MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。

嵌入式微處理器與普通臺式計算機的微處理器設(shè)計在基本原理上是相似的，但是工作穩(wěn)定性更高，功耗較小，對環(huán)境（如溫度、濕度、電磁場、振動等）的適應(yīng)能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領(lǐng)域，對處理器進行比較時的主要指標就是計算速度，從33MHz主頻的386計算機到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)計和操作簡便。為合理高效的完成這些任務(wù)，一般說，嵌入式處理器具有以下特點：很強的實時多任務(wù)支持能力，存儲區(qū)保護功能，可擴展的微處理器結(jié)構(gòu)，較強的中斷處理能力，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個特點：

對實時多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。

具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。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)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。

可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(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線及移動的計算和通信設(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。

嵌入式ARM微處理器

ARM微處理器的由來與發(fā)展

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術(shù)的名字。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器，即我們通常所說的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?；贏RM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，ARM技術(shù)正在逐步滲入到我們生活的各個方面。ARM9代表了ARM公司主流的處理器，已經(jīng)在手持電話、機頂盒、數(shù)碼像機、GPS、個人數(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、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，深入到各個領(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的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴展，ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

無線通訊領(lǐng)域：目前已有超過85%的無線通訊設(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芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。

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

成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機中的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

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;

尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高;

指令長度固定;

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“無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器”（MicroprocessorwithouTInterlockedpipedstages） ，其機制是盡量利用軟件辦法避免流水線中的數(shù)據(jù)相關(guān)問題。MIPS技術(shù)公司是是美國著名的芯片設(shè)計公司，采用精簡指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（RISC）來設(shè)計芯片，它設(shè)計制造高性能、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)計理念比較先進，其指令系統(tǒng)經(jīng)過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)計理念上MIPS強調(diào)軟硬件協(xié)同提高性能，同時簡化硬件設(shè)計。和英特爾采用的復(fù)雜指令系統(tǒng)計算結(jié)構(gòu)（CISC）相比，RISC具有設(shè)計更簡單、設(shè)計周期更短等優(yōu)點，并可以應(yīng)用更多先進的技術(shù)，開發(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MIPS指令集，并增加了許多更強大的功能。

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)器和超級計算機系統(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、路由器、激光打印機、掌上電腦等各個方面。

PowerPC

PowerPC體系結(jié)構(gòu)規(guī)范（PowerPCArchitectureSpecificaTIon）是在二十世紀九十年代，由IBM（國際商用機器公司）、Apple（蘋果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開發(fā)的芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。

PowerPC架構(gòu)的特點是可伸縮性好、方便靈活。它是一個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IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服務(wù)器）都是32位的。

PowerPC市場占有率不是很高，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Intel通用計算機系列的標準編號縮寫，也標識一套通用的計算機指令集合，X與處理器沒有任何關(guān)系，它是一個對所有*86系統(tǒng)的簡單的通配符定義。由于早期Intel的CPU編號都是如8086，80286來編號，由于這整個系列的CPU都是指令兼容的，所以都用X86來標識所使用的指令集合。

x86以無可比擬的性能價格比優(yōu)勢成為計算平臺的標準。但是x86仍然基于32位技術(shù)——對于高端的企業(yè)級服務(wù)器與工作站應(yīng)用無能為力。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風(fēng)扇運行狀態(tài)，但根本無法用于PDA、智能手機等完全依靠電池運作的掌上計算產(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是在模擬信號變換成數(shù)字信號以后進行高速實時處理的專用處理器，其處理速度比最快的CPU還快10～50倍。在當(dāng)今的數(shù)字化時代背景下，DSP己成為通信、計算機、消費類電子產(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)存儲空間分開，各有獨立的地址總線和數(shù)據(jù)總線，取址和讀數(shù)可以同時進行。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、卷積等運算中的尋址、排序及計算速度大大提高。具有獨立的DMA總線和控制器，有一組或多組獨立的DMA總線，與CPU的程序、數(shù)據(jù)總線并行工作。多處理器接口。使多個處理器可以很方便的并行或串行工作以提高處理速度。