嵌入式系統(tǒng)中的處理器技術※

張曉利

(西安郵電學院計算機學院,西安 710061)

嵌入式系統(tǒng)是將應用程序和操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小、高度自動化、響應速度快等特點,特別適合于要求實時的和多任務的體系。嵌入式設備是指應用了嵌入式系統(tǒng)的計算機設備。從某種意義上來講確實是大型計算設備的微縮。這肯定多少會帶來相對性能上的減弱,但正是體積的微縮帶給人們無法比擬的方便。

1 嵌入式處理器技術

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機之外的設備中提供添加的功能性的計算機芯片,它經(jīng)常用于控制和監(jiān)控領域。

一些嵌入式處理器是桌面市場傳下來的東西,對于今天的PC已經(jīng)過時,但對于處理功能要求較低的任務卻綽綽有余。過去驅動TRS-80、Apple II和Commodore 64這類早期PC的Z80和6502處理器現(xiàn)在仍是非常暢銷的產(chǎn)品。老式的處理器沒有淡出江湖,它們只是變?yōu)榍度胧搅?。因?嵌入式微處理器市場異乎尋常地廣闊。在 PC市場的任何時刻,最快和最慢的微處理器之間性能比最多只有約3∶1。與此相比,僅就32位嵌入式微處理器來說,這個比例為500∶1。如果在4位和8位嵌入式處理器中進行比較的話,則為幾千比1。隨著這類處理器體積越來越小,價格越來越便宜,功能越來越強大,它們將進入到更多的設備和產(chǎn)品中。

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應用正是由于嵌入式微處理器具備以下4個特點：

①對實時多任務有很強的支持能力,能完成多任務并且中斷響應時間較短,從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。

②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)的軟件結構已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用,需要設計強大的存儲區(qū)保護功能。同時,這也有利于軟件診斷。

③可擴展的處理器結構,能迅速地開發(fā)出滿足應用的高性能嵌入式微處理器。

④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備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此,如要求功耗為mW甚至μ W級。

1.1 嵌入式處理器的種類

1.1.1 嵌入式微處理器(EMPU)

嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中,將微處理器裝配在專門設計的電路板上,只保留和嵌入式應用有關的母板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都作了各種增強。

和工業(yè)控制計算機相比,嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點,但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件,從而降低了系統(tǒng)的可靠性,技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在1塊電路板上,稱為單板計算機,如STD-BUS、PC104等。近年來,德國、日本的一些公司又開發(fā)出了“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。

嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400 、Power PC 、68000 、MIPS 、ARM 系列等 。

1.1.2 嵌入式微控制器(MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機,顧名思義,就是將整個計算機系統(tǒng)集成到1塊芯片中。嵌入式微控制器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 、定時器/計數(shù)器 、Watch-Dog 、I/O 、串行口 、脈寬調(diào)制輸出 、A/D 、D/A 、Flash 、 EEPROM等各種必要功能和外設。為適應不同的應用需求,一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品,每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的,不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配,功能不多不少,從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比,微控制器的最大特點是單片化——體積大大減小,從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統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富,適合于控制,因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多,比較有代表性的通用系列包括 8051、P51XA 、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列,如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541;支持 I2C 、CAN-Bus、LCD 及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別值得注意的是,近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱為Microcontroller,Motorola公司把以Power PC為基礎的PPC505和PPC555亦列入單片機行列,TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU進行推廣。

1.1.3 嵌入式DSP處理器(EDSP)

DSP處理器對系統(tǒng)結構和指令進行了特殊設計,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算法正在大量進入嵌入式領域。DSP應用正在從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。嵌入式DSP處理器有2個發(fā)展來源：一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設,成為嵌入式DSP處理器,TI公司的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇;二是在通用單片機或SoC中增加DSP協(xié)處理器,例如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化,例如各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓解系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都運算量較大,特別是向量運算、指針線性尋址等較多,而這些正是DSP處理器的長處所在。

嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外Philips公司也推出了基于可重構嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術制造的 R.E.A.L DSP處理器,特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加單元,應用目標是消費類產(chǎn)品。

1.1.4 嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)

隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化,及半導體工藝的迅速發(fā)展,在1個硅片上實現(xiàn)更為復雜系統(tǒng)的時代已來臨,這就是SoC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SoC設計公司的標準庫,和許多其他嵌入式系統(tǒng)外設一樣,成為VLSI設計中的標準器件,用標準的VHDL等語言描述,存儲在器件庫中。用戶只需定義整個應用系統(tǒng),仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外,整個嵌入式系統(tǒng)大部分可集成到1塊或幾塊芯片中去,應用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔,對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SoC可以分為通用和專用2類。通用系列包括 Siemens公司的 TriCore、Motorola公司的 M-Core、某些ARM系列器件、Echelon公司和 Motorola公司聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中,不為一般用戶所知。

1.2 嵌入式處理器分類的變遷

國際上公認的通用嵌入式處理器有3大類：MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把處理器比作汽車：DSP是跑車,追求的是速度;MPU是轎車,追求的是經(jīng)濟性與速度的折中;MCU是滿足特殊用途的車。

現(xiàn)在,隨著對處理速度的要求越來越高,同時處理的數(shù)據(jù)更加復雜,出現(xiàn)了雙核與多核處理器,通常為DSP+RISC芯核,如 Infineon公司的 TriCore(CISC+RISC+DSP)、Philips公司的 Trimedia。隨著一些大量應用市場的崛起,又出現(xiàn)了一些新名詞,例如用于網(wǎng)絡、通信設備的通信處理器(2000年左右興起),數(shù)碼相機、數(shù)碼錄像機等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興起),智能手機上的應用處理器(2004年興起)。

由于一些處理器不僅要有速度,還要有控制功能,又出現(xiàn)了DSP與MCU的結合品,主攻電機控制市場。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術;Microchip公司2004年2月也推出了這種產(chǎn)品,稱為DSC(Digital Signal Controller)。

為了滿足多芯核與SoC設計的需要,還有一些廠家專門供應處理器芯核的IP,芯核主要有16位、32位、64位,有軟核與硬核。多芯核市場發(fā)展空間廣闊,在美國Electronic Summit 2004上,做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說,未來10年,1塊芯片中需要上千個處理器芯核,每秒要完成1012次運算。

2 嵌入式處理器芯片的開發(fā)

2.1 一般開發(fā)過程

盡管有幾千種現(xiàn)成的芯片可供選擇,但是許多設計者需要與眾不同的特性。因此,他們開發(fā)自己的嵌入式芯片,即所謂的專用集成電路。

設計人員開始時需要從一家公司取得嵌入式微處理器的內(nèi)核的授權,然后添加他自己應用特有的特性。例如,對于數(shù)字照相機處理器來說,他可能為這種電荷耦合設備的芯片添加1個控制器。又比如,對于具有Internet功能的家電處理器來說,可以添加1個Ethernet接口。設計者然后將他的設計交給“鑄造廠”,即一家擁有“工廠”(芯片制造廠)的公司,并將部分制造量出售給其他公司。主要的制造廠有 United Microelectronics公司、TSMC公司和IBM Microelectronics公司。

對于一些設計者來說,甚至這種靈活性還不夠用。他們可以找到某些公司,這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器內(nèi)核的許可證。利用這類內(nèi)核,可以開發(fā)出用于特殊目的的新機器級指令。對于數(shù)字相機處理器而言,1條提高JPEG圖像壓縮率的指令具有很高的價值。對于MP3音樂播放器來說,1條加速音頻解壓縮率的指令具有同樣的用處。然后,定制的設計交給“鑄造廠”進行生產(chǎn)。

和通用計算機不同,嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設計,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,這樣才能在具體應用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求,對芯片配置進行裁剪和添加才能達到理想的性能;但同時還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的,可能是一般用戶、行業(yè)用戶或單一用戶。

為殺滅殘余腫瘤細胞，部分腹腔鏡下大腸癌根治術后病人需繼續(xù)采用化療方式進行治療[22]。化療期間，部分耐受度較低病人，可能出現(xiàn)腹瀉、排便困難等癥狀，建議給予補中益氣湯增強病人免疫力，其間需注意，將中藥湯劑配合藥物劑量進行調(diào)整，提高治療針對性。

嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性,1個體系一般要存在8～10年的時間。1個體系結構及其相關的片上外設、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應用產(chǎn)品是一套復雜的知識系統(tǒng),用戶和半導體廠商都不會輕易地放棄1種處理器。

2.2 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具

嵌入式處理器是一個復雜的高技術系統(tǒng),要在短時間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是很不容易的,而市場競爭要求產(chǎn)品能夠快速上市,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開發(fā)工具平臺,提高用戶和程序員的時間-投入回報率。面對成百上千種處理器,選擇是一個問題,學習掌握處理器結構及其應用更需要時間,因此以開發(fā)工具和技術咨詢?yōu)榛A的整體解決方案是迫切需要的。好的開發(fā)工具除能夠開發(fā)出處理器的全部功能以外,還應當對用戶是友好的。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具平臺主要包括以下幾類。

2.2.1 實時在線仿真系統(tǒng)

在計算機輔助設計非常發(fā)達的今天,實時在線仿真系統(tǒng)(In-Circuit Emulator,ICE)仍是進行嵌入式應用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE首先可以通過實際執(zhí)行,對應用程序進行原理性檢驗,排除人難以發(fā)現(xiàn)的設計邏輯錯誤。ICE的另一個主要功能是在應用系統(tǒng)中仿真微控制器的實時執(zhí)行,發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。此外,高級的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應用系統(tǒng)的實際狀態(tài)變化、微控制器對狀態(tài)變化的反應、以及應用系統(tǒng)對控制的響應等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來,以供分析,在分析中優(yōu)化控制過程。很多機電系統(tǒng)難以建立精確有效的數(shù)字模型,或是建立模型需要大量人力,這時采用ICE的跟蹤功能對系統(tǒng)進行記錄和分析是一個快而有效的方法。

ICE不僅是軟硬件排錯工具,同時也是提高和優(yōu)化系統(tǒng)性能指標的工具。高檔ICE工具(如美國Nohau公司的產(chǎn)品)可根據(jù)用戶投資裁減功能,亦可根據(jù)需要選擇配置各種檔次的實時邏輯跟蹤器(Trace)、實時映像存儲器(Shadow RAM)及程序效率實時分析功能(PPA)。

2.2.2 高級語言編譯器

C語言作為一種通用的高級語言,大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進入市場時間。另外,C語言便于移植和修改,使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是,采用C語言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進行交流,從而促進了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。

區(qū)別于一般計算機中的C語言編譯器,嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門進行優(yōu)化,以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程序長5%～20%。編譯效率的不同,是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器性能差別的重要根據(jù)之一。而C編譯器殘余的5%～10%效率差別,完全可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前進入市場來彌補。

新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲器空間也相應加大,已經(jīng)達到甚至超過了目前的通用計算機中的微處理器,為嵌入式系統(tǒng)工程采用過去一直不敢問津的C++語言創(chuàng)造了條件。C++語言強大的類、繼承等功能更便于實現(xiàn)復雜的程序功能。但是C++語言為了支持復雜的語法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為此,1995年初在日本成立的Embedded C++技術委員會經(jīng)過幾年的研究,針對嵌入式應用制訂了減小代碼尺寸的EC++標準。EC++保留了C++的主要優(yōu)點,提供對C++的向上兼容性,并滿足嵌入式系統(tǒng)設計的一些特殊要求。在嵌入式高級語言編譯器方面處于領先地位的 Tasking公司,是EC++技術委員會成員之一,也是最先推出EC++產(chǎn)品的公司。

C/C++/EC++引入嵌入式系統(tǒng),使得嵌入式開發(fā)和個人計算機、小型機等在開發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)驗、方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式開發(fā)中采用高級語言,還使得硬件開發(fā)和軟件開發(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應的指令集匯編。

另一種高級語言Java的發(fā)展則具有戲劇性。Java本來是為設備獨立的嵌入式系統(tǒng)設計、為了提高程序繼承性的語言,但是目前基于Java的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具長10倍以上。因此EC++很可能在未來的一段時間內(nèi)仍是嵌入式系統(tǒng)的主流。

2.2.3 源程序模擬器

源程序模擬器是在廣泛使用的、人機接口完備的工作平臺上,如小型機和PC,通過軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序的測試工具。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序,分配虛擬存儲空間和外設,供程序員檢查;高級的模擬器可以利用計算機的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價格差距巨大。模擬器軟件獨立于處理器硬件,一般與編譯器集成在同一個環(huán)境中,是一種有效的源程序檢驗和測試工具。但值得注意的是,模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運行,在指令執(zhí)行時間、中斷響應、定時器等方面很可能與實際處理器有較大差別。另外,它無法和ICE一樣,仿真嵌入式系統(tǒng)在應用系統(tǒng)中的實際執(zhí)行情況。

結 語

嵌入式系統(tǒng)是將計算機直接嵌入到應用系統(tǒng)中,是信息技術的最終產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)走向21世紀知識經(jīng)濟時代的最重要的經(jīng)濟增長點之一,是一個不可壟斷的工業(yè),對中國的信息產(chǎn)業(yè)來說充滿了機遇和挑戰(zhàn)。世界是多樣化的,尤其是已經(jīng)進入后PC時代——無所不在的計算(nomadic computing)將使嵌入式處理器遍及人們能夠想象得到的各個角落,因此,每種處理器都有存在的理由,都有可伸展的方向。這一點應特別引起中國信息產(chǎn)業(yè)界的關注。

編者注：本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn

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