2015-07-02 03:03:16

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嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机,到最新的受到广泛青睐的32位,64位嵌入式CPU。

基本信息

  • 中文名

    嵌入式处理器

  • 类别

    运算和控制核心器件

  • 应用系统

    嵌入式系统

  • 体系结构

    MCU,MPU等

折叠 编辑本段 简介

目前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。目前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。

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计算机到现在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。

折叠 编辑本段 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。

折叠 编辑本段 分类

根据其现状,嵌入式处理器可以分成下面几类:[1]

折叠 嵌入式微处理器

嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)

嵌入式微处理器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。目前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。

折叠 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器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位的电子器件目前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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富,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。目前MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。近来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。

折叠 嵌入式DSP处理器

嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP处理器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。

目前最为广泛应用的是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。

折叠 SoC片上系统

SoC(system on chip)片上系统

SoC追求产品系统最大包容的集成器件,是目前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。

折叠 编辑本段 嵌入式系统

从软件方面划分,主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有三种操作系统:多道批量处理操作系统,实时系统分时系统。其中实时系统又分为两类:硬实时系统和软实时系统。

多道批量处理操作系统一般用于计算中心比较大的计算机系统中。由于其硬件设施比较全,价格高,所以此操作系统十分注意CPU及其他设备的充分利用,追求高的吞吐量,不具备实时性。

实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的,可以严格的按时序执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中,如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务,会导致系统的全面失败,则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中,虽然响应时间同样重要,但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片,而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如Windows CE就是一个多任务分时系统,而Ucos-II则是典型的实时操作系统

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