嵌入式处理器分类与现状
嵌入式处理器分类与现状
嵌入式系统综述之二
嵌入式处理器分类与现状
北京诺浩数字基因研究所
中国单片机公共实验室
(BOL)
吕京建
肖海桥
(
)
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
0.1 MIPS
到
2000 MIPS
，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。
嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, 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
、
Power PC
、
68000
、
MIPS
、
ARM
系列等。
嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, 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
、
Flash RAM
、
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
MCU 8XC930/931
、
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
Power PC
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。
嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processor, 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
Siemens
的
TriCore
。
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
Texas Instruments
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
公司今年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. L DSP
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。
嵌入式片上系统
(System On Chip)
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
System On Chip(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
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。专用
SOC
一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是
Philips
的
Smart XA
，它将
XA
单片机内核和支持超过
2048
位复杂
RSA
算法的
CCU
单元制作在一块硅片上，形成一个可加载
JAVA
或
C
语言的专用的
SOC
，可用于公众互联网如
Internet
安全方面。