嵌入式处理器的主要特点

嵌入式处理器的主要特点创易电子整理出品，创易更懂电子，全系列阻容感一本全掌控。2.1嵌入式微处理器的优点2.1.1低功耗2.1.2功能丰富2.1.2其他2.2嵌入式微处理器的特点三常用处理器概况3.1处理器分类现状3.1.1嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)3.1.2嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)3.1.3嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)3.1.4嵌入式片上系统(SystemOnChip)3.2处理器的主要参数3.2.1主频3.2处理器的缓存四处理器比较4.1嵌入式控制器和嵌入式处理器的比较4.2常见处理器简介及特点4.2.1ARM处理器4.2.2MIPS4.2.3PowerPC4.2.4X864.2.5DSP4.3应用领域4.3.1ARM4.3.2MIPS4.3.3PowerPC4.3.4X864.3.5DSP随着数字信息技术和网络技术高速发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。国内外各种嵌入式产品进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16-32MB，处理速度从O.IMIPS到2000MIPS,常用封装从8个引脚到144个引脚。嵌入式开发人员面临的主要挑战是如何选择一款最合适的处理器，既不会为了提高性能而超过预算，又不会牺牲功能特性。理想的嵌入式解决方案是：选择最合适的CPU、外设和接口；现场远程更新，保持竞争，满足需求的变化；不必改动电路板设计，提升性能——针对需要的功能进行加速；避免处理器和ASSP过时的风险；将多种功能在一个芯片中实现，降低了总成本、复杂度和功耗。市场上常见的主流处理器结构有ARM，POWERPC，X86，MIPS，DSP等，本文将对这些类型处理器的综合性能进行比较研究。二嵌入式处理器的主要特点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、适度、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Pentium4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。2.1嵌入式微处理器的优点2.1.1低功耗低功耗是嵌入式处理器的重要特点之一，反之也正是嵌入式系统广泛的应用需求促进了低功耗处理器技术的不断发展。为降低微处理器的能耗，一方面可以采用更新的技术工艺生产更小工艺尺寸的芯片，从而通过降低芯片的工作电压来降低功耗:另一方面是采用低功耗的体系结构设计，如ARM系列的处理器;或者改进半导体技术，减小芯片中每个CMOS单元的漏电流:此外还可以通过让芯片内暂时不用的功能部件休眠或关闭以降低总体的能量消耗。现在一些常见的用于移动设备的嵌入式微处理器的功耗一般都在瓦以下(台式计算机中的CPU往往是几十瓦甚至100瓦以上)，而且许多嵌入式微处理器都具备动态电压改变的能力，可以在负载较低的情况下降低电压工作，甚至进入休眠状态，减少能耗，延长设备持续工作时间。2.1.2功能丰富功能丰富是嵌入式处理器的另一个重要特点。PC机平台上处理器都要通过北桥和南桥芯片与计算机中其他部件相连，但在嵌入式系统中，许多外设控制器都被直接集成在芯片内部，这样不但缩小了电路板的面积，节约了成本，而且提高了系统的可靠性。将多种外围设备控制器(如串口、以太网控制器、LCD控制器等)以及部分存储系统(如Cache,SRAM,DRAM.EEPROM.Flash)集成在芯片内部，由于在芯片内部可以很容易地实现更宽的总线，因此这样的集成设计还可以在一定程度上提高系统的性能。2.1.2其他此外，性能、封装形式、成本、供货周期、技术支持力度等因素也对嵌入式处理的选择具有重要影响。2.2嵌入式微处理器的特点l、对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2、具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。3、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。4、嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此级。三常用处理器概况嵌入式处理器的应用主要包括两个部分，一部分是工业应用，比如:自动化流水线、核电站的自动报警系统及应急处理等，这部分对处理器的实时响应、稳定性的要求一般来说比较高.另一部分是生活应用，比如:智能手机、PDA、信息家电和个人汽车上的自动控制等，无处不用到嵌入式处理器，它们对处理器的性能要求也越来越高。因此，如何评估嵌入式处理器的性能是一个重要的课题。3.1处理器分类现状嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64kB到16MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类。3.1.1嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将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，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。嵌入式处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。3.1.2嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器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。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，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。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，因此称为微控制器。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较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。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；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。特别值得注意的是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为Microcontroller,MOTOROLA公司把以PowerPC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推广。3.1.3嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP)DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，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。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)TRICOR。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。另外PHILIPS公司也推出了基于可重置嵌入式DSP结构低成本、低功耗技术上制造的R.E.A.LDSP处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。3.1.4嵌入式片上系统(SystemOnChip)随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SystemOnChip(SOC)。各种通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon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。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，