1、第2章 嵌入式處理器 2.1 嵌入式處理器的基本特征 2.2 嵌入式處理器的種類2.3 典型嵌入式處理器 2.4 嵌入式處理器的選型方法2.5 嵌入式處理器的發展趨勢2.6 本章小結習題 第1頁/共52頁相對通用處理器，嵌入式處理器有5個特點 體積小、集成度高、價格較低 這一特性與嵌入式系統的有限空間約束和較低的成本價格需求相適應 可擴展的處理器結構 能迅速開發出滿足各種應用的最高性能嵌入式系統 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時，要求嵌入式處理器的功耗只有mW甚至W級2.1 嵌入式處理器基本特征第2頁/共52頁2.1 嵌入式處理器基本特征 對實時

2、多任務有很強的支持能力 能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核的執行時間減少到最低限度 具有功能很強的存儲區保護功能 這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，為避免在軟件模塊之間出現錯誤后的交叉影響，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷。 第3頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 對全球嵌入式處理器的不完全統計：品種數量超過1000多種流行的體系結構達30余種第4頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 總體而言，嵌入式處理器分為四大類型： 圖2-1 2-1 嵌入式處理器種類 第5頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 1. 嵌入式微處理器 (Micro-

3、Processor Unit，MPU) 由通用計算機中的CPU演變而來 第6頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MPU與通用計算機中的CPU不同之處 在嵌入式應用中，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緊密相關的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求 為了滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面相對通用計算機中的CPU都做了各種增強第7頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 例：X86與PC104模塊 Ali M6117C處理器， 兼容Intel 386SX-40 帶2/4MB Fast Pa

4、ge DRAM 帶48M Flash 看門狗定時器功能 第8頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 性能的增強PC104總線 PC104是一種緊湊型的ISA總線標準，其信號定義和ISA基本一致，但電氣和機械規范卻完全不同低功耗 4mA總線驅動即可使模塊正常工作，每個模塊1-2瓦能耗小尺寸結構 標準模塊的機械尺寸是3.6X3.8英寸，即96X90mm 第9頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 PC104的堆棧式連接 去掉總線背板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式層疊連接,即PC104總線模塊之間總線的連接通過上層的針和下層的孔相互咬和相連,這種層疊封裝有極好的抗震性。 ISA的金手指第10頁

5、/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MPU常見系列 X86 Am186/88 ARM MIPS PowerPC 68K等 第11頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 2. 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU) 又稱為單片機 第12頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MCU特點 單片化 一般以某種微處理器內核為核心，芯片內部集成了ROM/EPROM/FLASH 、RAM 、總線、總線邏輯、定時/ 計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A等各種必要的功能和外設 由于單片機的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器 該特點大大

6、減小了體積，降低了功耗和成本，提高了可靠性，因而成為目前嵌入式系統的主流，占據了嵌入式系統大約70%的市場份額第13頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 每種具有多種衍生產品 每種衍生產品的處理器內核一樣，不同的是存儲器和外設的配置及封裝 使嵌入式微控制器最大限度地與不同的應用需求相匹配，功能齊全又不浪費，減少了功耗及成本 第14頁/共52頁例：TI超低功耗16位MSP430系列 第15頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 MCU種類 通用系列 代表性的包括 8051 、P51XA 、MCS-96 /196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、 MC68300等

7、半通用系列例如，支持USB接口、I2C 、CAN等眾多專用MCU 和兼容系列第16頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 其它 提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將 Am186CC/ CW 等嵌入式處理器稱之為 Microcontroller Motorola 公司把以 PowerPC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 第17頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 3. 嵌入式 DSP 處理器 (Digital Signal Procssor， DSP ) 第18頁/共52頁2.2 嵌入式

8、處理器的種類 DSP特點 系統結構 采用Harvard（哈佛）結構和專用的硬件乘法器 指令系統快速DSP指令（屬RISC精簡指令集）適合于對處理器運算速度要求較高、向量運算較多的應用領域第19頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 DSP典型應用 數字信號處理領域 數字濾波、快速傅立葉變換、頻譜分析等方面 多媒體信號處理 移動電話、語音識別 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等多媒體播放系統 智能化嵌入式系統 生物特征識別的終端 帶有加密解密算法的鍵盤等第20頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 DSP種類 一種是DSP處理器經過單片化、適當改造、增加片上外設而成 例如：TI的TMS3

9、20，它包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列、以及性能更高的C6000和C8000 系列 另一種是在通用單片機或 SOC(System On Chip) 中增加DSP協處理器 例如：Intel 的 MCS-296 和 Siemens的TriCore 第21頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 4. 嵌入式片上系統 隨著電子數據交換 (EDI) 的推廣和VLSI設計的普及化，以及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現一個更為復雜的系統的時代已經來臨，這就是 System On Chip(SOC) 第22頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC設計制造 各種通用處理器內核

10、（包括IP核）將作為SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成為VLSI設計中一種標準器件，用標準的VHDL等語言描述，存儲在器件庫中 用戶只需定義出其整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作樣品第23頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC優點 系統級集成、體積減小一個或多個微處理器核（如RISC+DSP）輸入/輸出USB/IEEE 1394/以太網/GSM/GPRS等通信接口 功耗降低 通過改變內部工作電壓 可靠性提高利用內嵌電路，避免外部電路板在信號傳 遞時產生的系統噪聲 第24頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 SOC種類 通用系列 包括 Sie

11、mens的TriCore、Motorola 的M-Core、某些 ARM 系列器件、Echelon和Motorola 聯合研制的Neuron芯片等 專用系列代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在同一塊硅片上，形成一個可加載 Java 或C語言專用 SOC，可用于公眾互如Internet安全方面 第25頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 多核系列 例：TI的OMAP 組成（見下圖） TI的DSPARM的ARM RISC兩個核 二維圖形加速器 外圍控制電路 應用領域 多媒體影音數據處理、語音識別系統、無限通訊、電子

12、商務等第26頁/共52頁2.2 嵌入式處理器的種類 多核系列 例：TI的OMAP圖2-2 TI的OMAP硬件結構圖 第27頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 8051單片機 ARM 68K/Coldfire PowerPC MIPS X86 國產嵌入式處理器 第28頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 18051單片機 經典的8位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但功能、性能和片上資源相對16位/32位/64位嵌入式微控制器也較簡單 最早由Intel公司推出，其后多家公司購買了8051的內核，使得以8051為內核的MCU系列單片機在世界上產量最大、應用也最廣泛（20個生產廠家，350個衍生產

13、品） 常見型號包括：Intel的MCS-51系列、Atmel 的89C51/52、89C1051/2051 第29頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 2ARM ASIC與IP ASIC:專用集成電路 (Application Specific Integrated Circuit） IP: 知識產權 (Intellectual Property） 或稱為SIP（硅/半導體知識產權 )指芯片電 路的制作方式或電路圖等方面的知識產權。 廠商向擁有技術的IP Provider直接購買IP 以縮短Time-to-Market。第30頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM（Advanced RI

14、SC Machines）公司 英國公司 90年代初，ARM率先推出32位RISC微處理器芯片系統SoC知識產權公開授權概念ARM通過出售芯片技術授權而非生產或銷售芯片，建立起新型的微處理器設計生產和銷售商業模式 IP Provider：出售ARM RISC構架的微處理器核心、外圍和系統芯片設計技術 第31頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM內核及ARM處理器的特點 小體積、低功耗、高性能而低成本 RISC(Reduced Instruction Set Computer )體系結構 目前：ARM7 ￥ 70，ARM9 ￥ 100 16/32位雙指令集 16位Thumb指令集：密度高，所

15、占存儲空間較小 32位的ARM指令集：處理32位數據時性能較高 全球眾多的合作伙伴（見下圖）第32頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 圖2-3 ARM2-3 ARM全球合作伙伴 第33頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM產品系列包括ARM7、ARM9、ARM10和SecurCore、StrongARM、XScale等 ARM7：低功耗的32位核，適用于對價位和功耗敏感的產品 ARM9：集成度較高，集成了TFT LCD控制器、USB Host以及各種存儲卡接口，其功能已相當于嵌入式微控制器 SecurCore：是專為安全需要而設計 XScale ：Intel目前主要推廣的一款ARM微處

16、理器系統，提供較強的多媒體功能和網絡通訊功能第34頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 ARM應用領域已成為移動通信、手持設備、多媒體數字消費嵌入式解決方案的RISC標準 例： PDA:Compaq的iPAQ H3630、HP的Jornada 720、聯想的天璣5100均采用Intel的StrongARM SA-1110（206MHz） 移動通信：HP iPAQ hw6515 GPS 全智能手機采用Intel的PXA270處理器（312MHz ）第35頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 368K/Coldfire Motorola 68000(68K)比INTEL的8088還要早。Coldf

17、ire是68K的低成本替代產品 68K/Coldfire主要應用于對實時性和可靠性要求較高的工業控制領域 第36頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 4PowerPC PowerPC架構的特點是可伸縮性好，方便靈活 品種多，通用處理器&嵌入式控制器和內核 例如 IBM公司的PowerPC 405 GP是一個集成10/100Mbps以太網控制器、串行和并行端口、內存控制器以及其它外設的高性能嵌入式處理器 Motorola MPC823e微處理器是一個高度綜合的片上系統（SOC）設備 第37頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 PowerPC應用范圍非常廣泛，從高端的工作站、服務器到桌面計

18、算機系統，從消費類電子產品到大型通信設備，無所不包例：華為的交換機 第38頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 5MIPS MIPS公司Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages技術公司，是一家設計制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商，在RISC處理器方面占有重要地位。MIPS公司設計RISC處理器始于80年代初，后來MIPS公司的戰略發生變化，把重點放在嵌入式系統，1999年MIPS公司發布MIPS 32和MIPS 64架構標準，為未來MIPS處理器的開發奠定了基礎 第39頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 MIPS

19、特點 屬于高性能、高處理能力的高端嵌入式處理器 目前其成本價格和開發工具價格也很昂貴 第40頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 6X86 眾所周知的微處理器，起源于Intel架構的8080 常見的X86系列有386EX和486DX，板級形式如PC104， 特點：CPU處理能力很強，適用于高端應用領域 第41頁/共52頁2.3 典型嵌入式處理器 7國產嵌入式處理器 方舟：(ARCA) 2001年7月，中芯微系統公司研制出“方舟一號” 主要應用于網絡計算機、寬帶智能終端、交換機等，如神州數碼、聯想、美國慧智公司等的網絡計算機 與國外其它指令集不兼容，不支持高級的OS 龍芯：(GODSON,小名狗

20、剩) 2002年9月28號，中科院計算所研制 與MIPS有些淵源 第42頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 主要包括以下4項選型原則： (1)根據具體應用領域選擇MPU/MCU/DSP/ SoC中的一種。例如： 在高端數據處理應用領域，常選用嵌入式微處理器 在實時控制領域，多選用嵌入式微控制器 在數字圖像處理、多媒體信息設備等領域，往往選用嵌入式DSP處理器或帶有DSP內核的嵌入式片上系統 第43頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 (2)根據具體應用功能需求、性能指標、運行環境和成本預算等查找廠商提供的該類嵌入式處理器芯片的Datasheet等資料，選擇芯片的具體型號和配置參數 例：TI的MCS-51系列單片機(見下) 第44頁/共52頁2.4 嵌入式處理器的選型方法 (3)關注生產廠商是否提