RISC和CISC在移動設備領域的未來發(fā)展分析

RISC（精簡指令集計算）和CISC（復雜指令集計算）體系結構的定義之間存在模糊，在許多情況下，這些術語幾乎毫無意義。許多現(xiàn)代RISC處理器比一些CISC處理器復雜得多。事實上，不再是定義RISC和CISC之間差異的指令數(shù)量，而是它們執(zhí)行內存訪問的方式。

盡管RISC式架構的例子可以在20世紀60年代和70年代找到， RISC的真實歷史可以追溯到20世紀80年代。其背后的想法是，如果架構沒有被很少（如果有的話）執(zhí)行的指令負擔，那么擁有更簡化的指令集意味著可以更快地執(zhí)行這些指令。

兩個最初的RISC架構是MIPS和Power建筑學分別在斯坦福大學和加州大學伯克利分校開發(fā)。一個關鍵方面是RISC系統(tǒng)使用了加載存儲架構。這里通常通過特定指令訪問存儲器，而不是作為其他指令的一部分訪問。今天，當RISC系統(tǒng)變得比某些CISC架構更復雜時，在區(qū)分RISC和CISC時，該存儲器訪問系統(tǒng)被視為更多的定義因素。兩個初始架構的早期示例是Hewlett-Packard PA-RISC和Sun Microsystems的Sparc處理器。另一方面，CISC產品以x86架構為代表，主要來自Intel，但也來自AMD等其他產品 。英特爾奔騰系列是CISC芯片的最佳典范之一，摩托羅拉的68000系列是另一個。然而，CISC芯片，盡管名稱，并不總是使用復雜的架構，現(xiàn)在許多不如RISC芯片復雜?；旧先魏尾皇褂眉虞d存儲器存儲器訪問系統(tǒng)的東西通常被歸類為CISC，無論架構如何。毫無疑問，浮點RISC架構比8位CISC處理器復雜得多。甚至RISC芯片上的尋址模式通常比許多CISC處理器更復雜?，F(xiàn)代RISC處理器的很好的例子是Microchip的PIC?系列以及許多基于ARM?內核的制造商的設備。

PIC芯片

PIC或外圍設備（有時稱為可編程）接口控制器的起源在20世紀70年代，1975年開發(fā)的第一個8位PIC用于從通用儀器CP1600 16位CPU卸載I/O.只是后來，隨著RISC的廣泛應用，PIC設計被歸類為RISC系列的一部分。

1987年，通用儀器公司剝離其微控制器業(yè)務，創(chuàng)建了所謂的Microchip Technology，后者也宣稱首字母縮略詞PIC現(xiàn)在代表可編程智能計算機。

ARM核心

目前最流行的RISC設計是基于ARM內核的設計。這些可以追溯到20世紀80年代的Acorn Computers，它設計了支持臺式計算機的架構。該技術后來被分拆到自己的公司 - ARM Holdings。與PIC一樣，ARM的首字母縮略詞從最初的Acorn RISC Machine改寫為今天的Advanced RISC Machine。

ARM的成功歸功于移動設備的普及，其內核幾乎可以在所有手機中找到，以及平板電腦和PDA。該架構本身代表了現(xiàn)代RISC設備，因為它很復雜，但仍歸類為RISC，因為它使用了加載存儲器內存訪問方法。

典型的ARM產品是Cortex?-M系列，它由極其強大的功能組成。 RISC芯片。 STMicrolectronics的STM32F051K8U6中使用的Cortex-M0提供32位性能，但代碼尺寸比許多8位器件小。降低內存要求使其能夠充分利用片上閃存。與Cortex-M系列中的所有處理器一樣，它的16位指令基礎可以擴展為包含32位指令。 Cortex-M0還向上兼容功能更強大的Cortex-M3和Cortex-M4處理器，后者可以在德州儀器的TM4C123BE6PZI中找到。這為復雜的數(shù)字信號處理技術帶來了低功耗的32位市場。

圖1：ARM的Cortex-M4內核。

示例和應用

如上所述， STMicrolectronics的STM32F051K8U6是RISC芯片的一個很好的例子。它使用工作頻率為48 MHz的ARM Cortex-M0 32位RISC內核。 Cortex-M0的開發(fā)旨在提供低成本平臺，滿足MCU實現(xiàn)的需求，減少引腳數(shù)和降低功耗，同時仍然提供必要的計算性能和對中斷的高級系統(tǒng)響應。雖然是32位RISC處理器，但它具有人們所期望的性能，但內存大小通常與8位和16位器件相關。

圖2：STM32F051K8U6的框圖。結果典型應用是使用STM32F05xx USART外設的智能卡接口。該應用基于意法半導體的STM320518-EVAL評估板和一些額外的硬件。

智能卡接口采用USART智能卡模式開發(fā)，支持異步協(xié)議智能卡，如ISO 7816-3（A類）中所定義。 br》啟用智能卡模式后，USART必須配置為8個數(shù)據(jù)位加上奇偶校驗，0.5或1.5個停止位。 5位預分頻器和智能卡時鐘發(fā)生器為智能卡提供時鐘。 GPIO引腳用于提供與智能卡接口所需的其他功能。

STM32F0xx微控制器還具有支持HDMI-CEC v1.4的高清多媒體接口消費電子控制（HDMI-CEC）控制器。協(xié)議。 HDMI-CEC控制器為該協(xié)議提供硬件支持，并支持CEC設備提供的所有功能。因此，另一個應用程序可以實現(xiàn)基于HDMI-CEC控制器的CEC協(xié)議軟件和硬件。

CEC總線是一種單線協(xié)議，可通過標準HDMI電纜連接多達十個視聽設備。 CEC行上的所有交易都包括發(fā)起人和一個或多個粉絲。發(fā)起者負責發(fā)送消息結構和數(shù)據(jù)。跟隨者是任何數(shù)據(jù)的接收者，負責設置任何確認位。消息在單個幀中傳送，包括起始位后跟一個標題塊，以及可選的操作碼和可變數(shù)量的操作數(shù)塊。

STM32F0xx HDMI-CEC控制器為CEC協(xié)議提供硬件支持，因此，這是一個構建CEC固件應用程序的簡易平臺。但是，為了完全符合HDMI 1.4規(guī)范，特別是當CEC器件處于斷電狀態(tài)時，應在STM32F0xx外部添加完全集成的ESD保護。

另外使用32位ARM內核但這次是Cortex-M4 89 MHz處理器，是德州儀器公司的TM4C123BE6PZI。該微控制器適用于工業(yè)應用，包括遠程監(jiān)控，電子銷售點機器，測試和測量設備，網(wǎng)絡設備和開關，工廠自動化，HVAC和樓宇控制，游戲設備，運動控制，運輸以及消防和安全。

核心功能包括系統(tǒng)定時器（SysTick），集成嵌套向量中斷控制器（NVIC），帶時鐘門控的喚醒操作中斷控制器（WIC），內存保護單元（MPU），符合IEEE754標準的單精度浮點單元（FPU），嵌入式跟蹤宏和端口以及系統(tǒng)控制模塊（SCB）。

可以將工作設計從Stellaris?LM3S微控制器（使用Cortex-M3架構）遷移到這些微控制器。在StellarisWare?和TivaWare?for C系列軟件中使用驅動程序庫API時，軟件遷移非常簡單。兩個系列都基于Cortex-M內核，外設通常非常相似，在某些情況下相同

圖3：Tiva TM4C123BE6PZ微控制器的高級框圖。

MCU具有高水平的連接性和傳感器聚合，使其適用于家庭等連接應用。建筑和工業(yè)自動化。 Cortex-M4內核通過添加DSP擴展和單指令，多數(shù)據(jù)（SIMD）指令擴展了Cortex-M3的指令集。 DSP操作包括單周期32位或雙16位乘法累加（MAC）指令和飽和算術指令。優(yōu)化的SIMD指令可以在一個周期內執(zhí)行四個8位或兩個16位算術運算，因此可以有效地對大型數(shù)據(jù)陣列執(zhí)行算術運算。除了為數(shù)學密集型運算提供性能提升，浮動 - 點支持簡化了浮點例程的實現(xiàn)和編程。工程師可以花一周時間在Matlab中開發(fā)數(shù)字濾波器，并在一個月內將濾波器轉換為定點實現(xiàn)，以確保其精確和穩(wěn)定。程序員可以采用原生浮點格式對濾波器進行編程時，不需要此時間。

集成的高分辨率12位ADC可以采樣速率高達1 MSPS，采樣速率支持全分辨率和精度的ADC。這意味著讀數(shù)的質量不必降低，以實現(xiàn)更高的采樣率。其中兩個轉換器是片內的，可以從24個獨立輸入饋電。為了提高精度，差分外部參考電壓可以應用于專用輸入。 ADC可以生成基于轉換完成和與八個數(shù)字比較器之一匹配的處理器中斷。來自ADC的讀數(shù)可以在ADC內進行排隊，比較和平均。

片上直接存儲器訪問控制器可以將ADC FIFO的ADC讀數(shù)提供給RAM或其他外設，而不會喚醒或分散ARM內核。還有三個片上模擬比較器，可與可編程內部參考電壓一起使用，以檢測輸入模擬信號何時超過特定閾值。這些比較器與數(shù)字比較器一起消除了連續(xù)輪詢輸入ADC值的需求，從而釋放CPU以專注于實時應用。

一種可以利用ADC快速，準確浮點的應用性能是運行控制，用于運行更復雜的算法和片上比較器。電機驅動器在運行期間可以更快速和精確地跟蹤電機的動態(tài)特性，所產生的PWM將遇到的阻力越小，控制信號就越有效。這樣可以消耗更少的能量，軸可以更平穩(wěn)地旋轉并保持速度或在不同負載下加速。片上比較器可用于檢查系統(tǒng)中的故障情況，這需要立即響應。

PIC范圍

盡管ARM已經(jīng)成為RISC架構的主要參與者，但它并不是唯一的公司。事實上，更多傳統(tǒng)的RISC產品可以在Microchip的PIC系列中找到，PIC10F200T-I/OT就是一個很好的例子。這是一款低成本，高性能，8位，靜態(tài)，基于閃存的CMOS微控制器。 RISC架構只有三十三個單字或單周期指令。除程序分支外，所有指令均為單周期（1μs），程序分支需要兩個周期。易于使用且易于記憶的指令集可以顯著縮短開發(fā)時間。

圖4：PIC10F200和202系列的框圖。

PIC10F20x器件具有降低系統(tǒng)成本和功耗要求的功能。上電復位（PoR）和器件復位定時器（DRT）無需外部復位電路。此外，內部振蕩器模式可保留有限數(shù)量的I/O.其他功能包括省電睡眠模式，看門狗定時器和代碼保護。

應用范圍從個人護理設備和安全系統(tǒng)到低功率遠程發(fā)射器和接收器。閃存技術可以快速方便地定制應用程序，例如變送器代碼，設備設置和接收器頻率。通孔或表面安裝的占地面積小，適用于空間有限的應用。它們甚至可以用于以前沒有考慮過微控制器的地方，例如大型系統(tǒng)和協(xié)處理器應用中的定時器功能，邏輯和PLD。

它們還有一個板載比較器，可用于觸摸控制應用中的電容式感應。這是通過使用比較器作為張弛振蕩器來完成的，其中輸出用于對感測電容器充電和放電，感測電容器由電路板上的焊盤形成。充電速率可以通過RC時間常數(shù)來確定，該時間常數(shù)可以通過外部電阻和焊盤的電容來創(chuàng)建。

當人的手指觸摸按鍵時，引入額外的電容，創(chuàng)建接地路徑，導致頻率改變。 PIC MCU可以測量這種變化以檢測手指按壓。

另一種應用可以在廚房中找到，其中可調節(jié)機械恒溫器通常用于改變電灶，煎鍋和油炸鍋的熱量輸出。這些恒溫器往往昂貴且有問題。它們必須在工廠進行校準，它們的慢煮性能較差，因為在低溫下控制不夠精確，它們的精度通常很差，而且機械性能會磨損。

PIC MCU可以用作心臟基于微控制器的低成本替代品。 PIC可以從電位計獲取輸入，并通過三端雙向可控硅開關控制電流到加熱元件。因此，因為該應用使用三端雙向可控硅開關，所以它可以適用于與AC線路接口的其他應用，例如燈開關，真空吸塵器和各種家用電器。 PIC的電源直接通過電阻電源從交流線路供電三端雙向可控硅開關元件的一個有用特性是它由電流而不是電壓觸發(fā)，因為在柵極處注入的電流量而不是施加到柵極的電壓幅度決定了三端雙向可控硅開關是否導通。這使得三端雙向可控硅開關在電壓顯著低于115或220 VAC的數(shù)字領域中非常有用。 PIC單片機工作在2.5至5 V范圍內，但可在其I/O引腳上吸收并提供25 mA電流。在AC波形的任何半周期期間，足夠寬度和幅度的負電流脈沖將觸發(fā)三端雙向可控硅開關，其將傳導電流直到半周期完成，然后恢復到非導通或阻斷狀態(tài)。

這種相位控制在調光器中很常見。另一種選擇是零交叉切換，它可以消除大多數(shù)EMI問題，因為整個周期都是開啟或關閉的。為了改變發(fā)送到負載的平均電流，可以跳過交替循環(huán)。這不適用于調光器，因為光的強度會明顯波動。然而，這種方法對于電阻加熱元件更好，因為EMI較低。在此應用中，通過將微控制器的引腳直接連接到齊納二極管的陽極來檢測零交叉。與機械恒溫器相比，該應用提供了設計靈活性，包括額外的功能，例如狀態(tài)LED指示范圍是否是打開或關閉以及自動關機，如果無人看管，將在兩小時后關閉范圍。

RISC與未來的CISC

移動設備領域正在成為RISC和CISC的戰(zhàn)場，以兩大為典型ARM和英特爾的玩家。 ARM已經(jīng)控制了智能手機和平板電腦市場，因為其許可證持有者生產的功能強大的芯片功耗非常低。英特爾試圖通過進入低功耗領域進行反擊，特別是其Atom系列，但仍然很少進入ARM領域。另一方面，在功能更強大的計算機中尋求更低功耗已經(jīng)讓一些人考慮使用ARM設備，而在過去，x86系列是他們唯一可以看到的地方。不過，英特爾有很大的影響力并且正在反擊。

連接設備的整體增長，即所謂的物聯(lián)網(wǎng)，正在越來越小的設備中看到智能，其中功耗是關鍵。在這里，Microchip的PIC架構已經(jīng)做得很好。在更智能的設備中使用ARM的RISC內核，在這個快速增長的領域中，x86幾乎沒有空間。在較大的計算機市場中，ARM將難以取代x86的優(yōu)勢，但會嘗試。未來有趣的時刻。