淺談嵌入式處理器的特點與進(jìn)展

王自然

摘要:該文論述了嵌入式微控制器,通用微處理器、數(shù)字信號處理器和片上系統(tǒng)等幾類主流嵌入式處理器各自的特點,應(yīng)用范圍,發(fā)展及現(xiàn)狀以及在此基礎(chǔ)上新的發(fā)展趨勢,并指出今后技術(shù)融合的趨勢。

關(guān)鍵詞:嵌入式;微控制器;微處理器;DSP;SoC

中圖分類號:TP36文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-3044(2009)22-pppp-0c

自20世紀(jì)70年代微處理器出現(xiàn)以來,嵌入式系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展。不同于通用計算機,嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須量體裁衣、去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用中更具競爭力。嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心,直接影響嵌入式產(chǎn)品的應(yīng)用范圍和開發(fā)復(fù)雜度。

目前全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過1000多種,流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個系列,處理器的尋址空間一般從64kB到16MB,處理速度可以達(dá)到2000MIPS,常用封裝從8個引腳到144個引腳不等。根據(jù)其現(xiàn)狀可以分為嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)、嵌入式微控制器(MicroController Unit, MCU)、嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP),嵌入式片上系統(tǒng)(System on Chip,SoC)等幾大類,其中各種檔次的8/16/32/64位微控制器應(yīng)用最為廣泛,同時,Intel X86芯片、RISC芯片、DSP芯片、Motorola公司的ColdFire, DragonBall以及基于ARM內(nèi)核的高性能微處理器的應(yīng)用也逐漸引起人們的關(guān)注。

1 嵌入式處理器的特點

作為嵌入式系統(tǒng)的核心,嵌入式處理器擔(dān)負(fù)著控制、協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的重要任務(wù),使宿主設(shè)備功能智能化,設(shè)計靈活和操作簡單。為了合理、高效地完成這些任務(wù),一般來說,嵌入式微處理器具有以下特點:1)很強的實時多任務(wù)支持能力;2)存儲區(qū)保護(hù)功能;3)可擴(kuò)展的微處理器結(jié)構(gòu);4)較強的中斷處理能力;5)低功耗。

1.1 嵌入式微控制器

MCU又稱單片機。比較早期的單片機就是在CPU基礎(chǔ)上,將輸入輸出(IO)接口電路、時鐘發(fā)生器及一定容量的存儲器等部件集成在一個芯片上,在其外加上晶體振蕩器、AD、DA、DI、DO及光電隔離等外圍器件就構(gòu)成計算機系統(tǒng)。

如今的單片機一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè),不提倡用總線擴(kuò)展外圍設(shè)備,其最大特點是單片化,從而降低功耗和成本,提高可靠性。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品,使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配,減少功耗和成本。

目前國內(nèi)單片機最成熟的領(lǐng)域是實時控制系統(tǒng),其片上外設(shè)資源比較豐富,尤其適合于儀器儀表與控制方面的應(yīng)用?？捎糜诠I(yè)控制、智能化儀表、家用電器等方面,目前擴(kuò)大到了通信、高檔電子玩具等方面。

1.2 嵌入式微處理器

EMPU的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。將與標(biāo)準(zhǔn)微處理器有著同樣功能的微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上,只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能,大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗,且提高了在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面的性能。

目前PC和Windows技術(shù)已經(jīng)很普及,其軟硬件資源的強大為研制應(yīng)用于設(shè)備或工程的PC嵌入式系統(tǒng)提供了很多有利條件。PC嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用有著開發(fā)周期短、費用少等優(yōu)點,當(dāng)前主要應(yīng)用在在如人機界面產(chǎn)品、物流管理商業(yè)和金融等對事務(wù)管理要求較高的產(chǎn)品開發(fā)方面,并且PC嵌入式系統(tǒng)還融合了MCU和DSP技術(shù),所以32位以上PC嵌入式系統(tǒng)等高端產(chǎn)品,后勁很足。

1.3 嵌入式數(shù)字信號處理器

目前,數(shù)字信號處理已經(jīng)成為信號處理技術(shù)的主流。配合數(shù)字信號處理出現(xiàn)的是一種嵌入式處理器,即DSP處理器。

相對于通用處理器,DSP采用哈佛結(jié)構(gòu),程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間,有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線,指令系統(tǒng)是流水線操作且采用了專用的硬件乘法器。

DSP對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令的特殊設(shè)計,使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較高,指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP 算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域,DSP 應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP 功能,過渡到采用嵌入式DSP 處理器。目前主要應(yīng)用于移動電話手機、便攜式數(shù)字聲音播放器等方面;另外,DSP處理器還可應(yīng)用于需要進(jìn)行大量復(fù)雜運算的數(shù)據(jù)處理設(shè)備中,如聲納和地震探礦等。

1.4 嵌入式片上系統(tǒng)

EDA 技術(shù)的發(fā)展為芯片設(shè)計帶來了很大的變革,它以硬件描述語言為系統(tǒng)的邏輯描述手段,以EDA工具軟件為設(shè)計平臺,以 FPGA/CPLD等為硬件基礎(chǔ),可以開發(fā)出具有各種邏輯功能的芯片。隨著EDA的推廣和VLSI設(shè)計的普及化及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展,嵌入式處理器出現(xiàn)了新的體系結(jié)構(gòu):SoC。

SoC技術(shù),是一種高度集成化、固件化的系統(tǒng)集成技術(shù),而且基于知識產(chǎn)權(quán)IP(Intellectual Property)核來進(jìn)行系統(tǒng)芯片設(shè)計。它的主要特征是采用超深亞微米工藝技術(shù),使用一個以上嵌入式CPU/DSP,外部可以對芯片進(jìn)行編程。從方法學(xué)的角度來看,SoC是一套VLSI的設(shè)計方法學(xué),包括IP核可復(fù)用設(shè)計/測試方法及接口規(guī)范、系統(tǒng)芯片總線式集成設(shè)計方法學(xué)、系統(tǒng)芯片驗證和測試方法學(xué)。使用SoC技術(shù)設(shè)計系統(tǒng)的核心思想,就是要把整個應(yīng)用電子系統(tǒng)包括微處理器、ASIC、內(nèi)存和外設(shè)等全部集成在一個芯片中,此種“多功能單芯片”模式,可以減小體積,降低功耗,精簡對外管腳數(shù),也有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性及抗干擾能力。利用SoC可以大大地縮短應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)周期,使那些傳統(tǒng)觀念上認(rèn)為高性能、高復(fù)雜度、高成本的嵌入式結(jié)構(gòu),能夠通過低成本的單片芯片實現(xiàn)。

2 嵌入式處理器的發(fā)展

嵌入式微處理器大量應(yīng)用于PC機。嵌入式微控制器是嵌入人式系統(tǒng)芯片的主流產(chǎn)品,其品種多數(shù)量大,一般年產(chǎn)量可達(dá)50億片(主要產(chǎn)于美國、日本、歐洲、臺灣地區(qū))。嵌入式數(shù)字信號處理器發(fā)展速度很快,具有和MCU融合的趨勢。嵌入式片上系統(tǒng)(ESoC)和嵌入式可編程片上系統(tǒng)(EPSoC),即系統(tǒng)芯片是今后主要發(fā)展方向,符合嵌入式系統(tǒng)定義,是計算機技術(shù)、通信技術(shù)、消費類電子產(chǎn)品三者相融合,并加入了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展,嵌入式芯片將在各類系統(tǒng)得到應(yīng)用,成為IT主流,目前我們最為熟悉的是8051和68H結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。

國際上有一種新的趨向,即可以購買IP知識產(chǎn)權(quán)核模塊,在現(xiàn)有的IC電路模塊的設(shè)計的基礎(chǔ)上,可根據(jù)需求將多個IP模塊組合起來或經(jīng)修改形成新的設(shè)計。此類應(yīng)用尤以ARM最為典型,半導(dǎo)體廠商大多可生產(chǎn)ARM的衍生產(chǎn)品。

3 新趨勢

以軟硬件協(xié)同設(shè)計、具有知識產(chǎn)權(quán)的內(nèi)核(IP核)復(fù)用和超深亞微米技術(shù)為支撐的SoC已成為集成電路發(fā)展的一大趨勢。由于信息處理的復(fù)雜度,使得SoC芯片必須具備強大的數(shù)據(jù)處理能力,嵌人式CPU或DSP的使用將成為SoC的一個重要標(biāo)志。事實上,一個SoC芯片上集成有一個或多個的微處理器,在今天的集成電路設(shè)計中已不少見,但這也給SoC的設(shè)計帶來了極大難度。因此,采用第三方的IP核成了SoC設(shè)計的必然,這不僅可以減小自己的開發(fā)風(fēng)險,更重要的是縮短了SoC芯片的上市周期,以應(yīng)對激烈的市場競爭。另外,為了解決單純通過提高時鐘速率提升性能的方式帶來極大功耗的問題,當(dāng)前市場主流的方法即采取多核處理器架構(gòu)。

4 結(jié)束語

目前嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)滲入到國民經(jīng)濟(jì)的各個方面,在人們的日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。在3G、數(shù)字電視普及的時代,在網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域設(shè)備不斷更新發(fā)展以及制造業(yè)、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)裝備智能化需求下,嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為近年來IT領(lǐng)域發(fā)展最快的方向之一,嵌入式軟件產(chǎn)業(yè)現(xiàn)已成為中國IT產(chǎn)業(yè)中的一個重要新興產(chǎn)業(yè)和增長點。國內(nèi)強大的電子信息產(chǎn)品制造業(yè)和巨大的信息化市場為嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了重要的機遇。

參考文獻(xiàn):

[1] 趙定遠(yuǎn).嵌入式技術(shù)發(fā)展及產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)[J].成都大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2007,26(4):305-308.

[2] 林夕.嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展趨勢及比較分析[J].電子測試,2008(4)::23-28.

[3] 呂京建,肖海橋.嵌入式處理器分類與現(xiàn)狀[EB/OL].http://www.bol-system.com.

[4] 許強.嵌入式系統(tǒng)微處理器芯片設(shè)計與發(fā)展[J].中國科技信息,2005(24):31-32.

[5] 鮑磊,李暉,謝媛媛.淺談嵌入式系統(tǒng)[J].科技資訊,2008(31):40.

[6] 呂京建,肖海橋.面向21世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2001,26(1):12-13.

[7] 馮繼超.面向二十一世紀(jì)的嵌入式系統(tǒng)及發(fā)展方向[J].工業(yè)控制計算機,2001,14(5):1-2,59.

[8] 謝锘.嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀和展望[J].無線電通信技術(shù),2003,29(2):33-34.