浅谈嵌入式处理器的特点与进展

王自然

摘要:该文论述了嵌入式微控制器,通用微处理器、数字信号处理器和片上系统等几类主流嵌入式处理器各自的特点,应用范围,发展及现状以及在此基础上新的发展趋势,并指出今后技术融合的趋势。

关键词:嵌入式;微控制器;微处理器;DSP;SoC

中图分类号:TP36文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)22-pppp-0c

自20世纪70年代微处理器出现以来,嵌入式系统得到了飞速的发展。不同于通用计算机,嵌入式系统的硬件和软件都必须量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能,这样才能在具体应用中更具竞争力。嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心,直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。

目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种,流行的体系结构有30多个系列,处理器的寻址空间一般从64kB到16MB,处理速度可以达到2000MIPS,常用封装从8个引脚到144个引脚不等。根据其现状可以分为嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)、嵌入式微控制器(MicroController Unit, MCU)、嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP),嵌入式片上系统(System on Chip,SoC)等几大类,其中各种档次的8/16/32/64位微控制器应用最为广泛,同时,Intel X86芯片、RISC芯片、DSP芯片、Motorola公司的ColdFire, DragonBall以及基于ARM内核的高性能微处理器的应用也逐渐引起人们的关注。

1 嵌入式处理器的特点

作为嵌入式系统的核心,嵌入式处理器担负着控制、协调系统工作的重要任务,使宿主设备功能智能化,设计灵活和操作简单。为了合理、高效地完成这些任务,一般来说,嵌入式微处理器具有以下特点:1)很强的实时多任务支持能力;2)存储区保护功能;3)可扩展的微处理器结构;4)较强的中断处理能力;5)低功耗。

1.1 嵌入式微控制器

MCU又称单片机。比较早期的单片机就是在CPU基础上,将输入输出(IO)接口电路、时钟发生器及一定容量的存储器等部件集成在一个芯片上,在其外加上晶体振荡器、AD、DA、DI、DO及光电隔离等外围器件就构成计算机系统。

如今的单片机一般以某一种微处理器内核为核心,芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设,不提倡用总线扩展外围设备,其最大特点是单片化,从而降低功耗和成本,提高可靠性。为适应不同的应用需求,一般一个系列的单片机具有多种衍生产品,使单片机最大限度地和应用需求相匹配,减少功耗和成本。

目前国内单片机最成熟的领域是实时控制系统,其片上外设资源比较丰富,尤其适合于仪器仪表与控制方面的应用。可用于工业控制、智能化仪表、家用电器等方面,目前扩大到了通信、高档电子玩具等方面。

1.2 嵌入式微处理器

EMPU的基础是通用计算机中的CPU。将与标准微处理器有着同样功能的微处理器装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能,大幅度减小系统体积和功耗,且提高了在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面的性能。

目前PC和Windows技术已经很普及,其软硬件资源的强大为研制应用于设备或工程的PC嵌入式系统提供了很多有利条件。PC嵌入式系统应用有着开发周期短、费用少等优点,当前主要应用在在如人机界面产品、物流管理商业和金融等对事务管理要求较高的产品开发方面,并且PC嵌入式系统还融合了MCU和DSP技术,所以32位以上PC嵌入式系统等高端产品,后劲很足。

1.3 嵌入式数字信号处理器

目前,数字信号处理已经成为信号处理技术的主流。配合数字信号处理出现的是一种嵌入式处理器,即DSP处理器。

相对于通用处理器,DSP采用哈佛结构,程序和数据具有独立的存储空间,有着各自独立的程序总线和数据总线,指令系统是流水线操作且采用了专用的硬件乘法器。

DSP对系统结构和指令的特殊设计,使其适合于执行DSP算法,编译效率较高,指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP 算法正在大量进入嵌入式领域,DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP 功能,过渡到采用嵌入式DSP 处理器。目前主要应用于移动电话手机、便携式数字声音播放器等方面;另外,DSP处理器还可应用于需要进行大量复杂运算的数据处理设备中,如声纳和地震探矿等。

1.4 嵌入式片上系统

EDA 技术的发展为芯片设计带来了很大的变革,它以硬件描述语言为系统的逻辑描述手段,以EDA工具软件为设计平台,以 FPGA/CPLD等为硬件基础,可以开发出具有各种逻辑功能的芯片。随着EDA的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展,嵌入式处理器出现了新的体系结构:SoC。

SoC技术,是一种高度集成化、固件化的系统集成技术,而且基于知识产权IP(Intellectual Property)核来进行系统芯片设计。它的主要特征是采用超深亚微米工艺技术,使用一个以上嵌入式CPU/DSP,外部可以对芯片进行编程。从方法学的角度来看,SoC是一套VLSI的设计方法学,包括IP核可复用设计/测试方法及接口规范、系统芯片总线式集成设计方法学、系统芯片验证和测试方法学。使用SoC技术设计系统的核心思想,就是要把整个应用电子系统包括微处理器、ASIC、内存和外设等全部集成在一个芯片中,此种“多功能单芯片”模式,可以减小体积,降低功耗,精简对外管脚数,也有利于提高系统稳定性、可靠性及抗干扰能力。利用SoC可以大大地缩短应用系统设计开发周期,使那些传统观念上认为高性能、高复杂度、高成本的嵌入式结构,能够通过低成本的单片芯片实现。

2 嵌入式处理器的发展

嵌入式微处理器大量应用于PC机。嵌入式微控制器是嵌入人式系统芯片的主流产品,其品种多数量大,一般年产量可达50亿片(主要产于美国、日本、欧洲、台湾地区)。嵌入式数字信号处理器发展速度很快,具有和MCU融合的趋势。嵌入式片上系统(ESoC)和嵌入式可编程片上系统(EPSoC),即系统芯片是今后主要发展方向,符合嵌入式系统定义,是计算机技术、通信技术、消费类电子产品三者相融合,并加入了网络技术。随着半导体技术发展,嵌入式芯片将在各类系统得到应用,成为IT主流,目前我们最为熟悉的是8051和68H结构的产品。

国际上有一种新的趋向,即可以购买IP知识产权核模块,在现有的IC电路模块的设计的基础上,可根据需求将多个IP模块组合起来或经修改形成新的设计。此类应用尤以ARM最为典型,半导体厂商大多可生产ARM的衍生产品。

3 新趋势

以软硬件协同设计、具有知识产权的内核(IP核)复用和超深亚微米技术为支撑的SoC已成为集成电路发展的一大趋势。由于信息处理的复杂度,使得SoC芯片必须具备强大的数据处理能力,嵌人式CPU或DSP的使用将成为SoC的一个重要标志。事实上,一个SoC芯片上集成有一个或多个的微处理器,在今天的集成电路设计中已不少见,但这也给SoC的设计带来了极大难度。因此,采用第三方的IP核成了SoC设计的必然,这不仅可以减小自己的开发风险,更重要的是缩短了SoC芯片的上市周期,以应对激烈的市场竞争。另外,为了解决单纯通过提高时钟速率提升性能的方式带来极大功耗的问题,当前市场主流的方法即采取多核处理器架构。

4 结束语

目前嵌入式系统的应用已经渗入到国民经济的各个方面,在人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。在3G、数字电视普及的时代,在网络领域设备不断更新发展以及制造业、传统产业装备智能化需求下,嵌入式技术已经成为近年来IT领域发展最快的方向之一,嵌入式软件产业现已成为中国IT产业中的一个重要新兴产业和增长点。国内强大的电子信息产品制造业和巨大的信息化市场为嵌入式产业的发展提供了重要的机遇。

参考文献:

[1] 赵定远.嵌入式技术发展及产业链结构[J].成都大学学报:自然科学版,2007,26(4):305-308.

[2] 林夕.嵌入式系统架构的发展趋势及比较分析[J].电子测试,2008(4)::23-28.

[3] 吕京建,肖海桥.嵌入式处理器分类与现状[EB/OL].http://www.bol-system.com.

[4] 许强.嵌入式系统微处理器芯片设计与发展[J].中国科技信息,2005(24):31-32.

[5] 鲍磊,李晖,谢媛媛.浅谈嵌入式系统[J].科技资讯,2008(31):40.

[6] 吕京建,肖海桥.面向21世纪的嵌入式系统[J].半导体技术,2001,26(1):12-13.

[7] 冯继超.面向二十一世纪的嵌入式系统及发展方向[J].工业控制计算机,2001,14(5):1-2,59.

[8] 谢锘.嵌入式系统的发展现状和展望[J].无线电通信技术,2003,29(2):33-34.