嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用哈佛大學(xué)凌晨4點半的景象!!館訓(xùn)1．現(xiàn)在睡覺的話會做夢而現(xiàn)在學(xué)習(xí)的話會讓夢實現(xiàn)-Thismomentwillnap,youwillhaveadream;Butthismomentstudy,youwillinterpretadream.-2．我無所事事地度過的今天是昨天死去的人們所奢望的明天-Ileaveuncultivatedtoday,waspreciselyyesterday-perishestomorrowwhichpersonofthebodyimplored.-3．感到晚了的時候其實是最快的時候-Thoughtisalreadyislate,exactlyistheearliesttime.-館訓(xùn)4．不要把今天的事拖到明天-Notmatterofthetodaywilldragtomorrow.-5．學(xué)習(xí)的痛苦是一時的而沒有學(xué)習(xí)的痛苦是一輩子的-Timethestudypainistemporary,hasnotlearnedthepainislife-long.-6．學(xué)習(xí)不是人生的全部但連學(xué)習(xí)都征服不了你還能做什么？-Thestudycertainlyisnotthelifecomplete.But,sincecontinuallylifepartof-studiesalsoisunabletoconquer,whatbutalsocanmake?-哈佛大學(xué)凌晨4點半的景象7．學(xué)習(xí)不是因為缺少時間而是缺少努力-Studiesthismatter,lacksthetime,butislacksdiligently.-8．所有人的成功都不是偶然的-Nobodycancasuallysucceed,itcomesfromthethoroughself-controlandthewill.-9.無法避免的痛苦就去享受吧！-Pleaseenjoythepainwhichisunabletoavoid.-哈佛大學(xué)凌晨4點半的景象10．早起的鳥兒有蟲吃-Onlyhascomparedtotheothersearly,diligentlydiligently,canfeelthesuccessfultaste.-11．成功并不屬于每個人-Nobodycancasuallysucceed-12.時間在流逝-HOWtimeflies-13.今天流下的口水將變成明天流下的淚水-Nowdripsthesaliva,willbecometomorrowthetear-嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)

-硬件嵌入式系統(tǒng)硬件架構(gòu)硬件架構(gòu)包括多種部件嵌入式處理器：MPU、DSP等;存儲器系統(tǒng):Flash+RAM++MEMcard+miniHD輸入:keypad,video/audioin,A/D輸出:顯示(LED/LCD/OLED),video/audioout,D/A通訊接口:Ethernet(802.3),WiFi(802.11)總線接口:RS232/RS485,USB,1394（Firewire）電源管理:待機(jī)、休眠、功耗管理等嵌入式系統(tǒng)硬件分類商業(yè)通用部件(COTS)傳感器，I/O設(shè)備等等成本低廉面向特定應(yīng)用的ICs(ASICs)ICs面向應(yīng)用的需求進(jìn)行定制開發(fā)對于特定的任務(wù)具有高性能面向特定領(lǐng)域的處理器DSPs微控制器微處理器嵌入式處理器

20世紀(jì)80年代中后期20世紀(jì)90年代初期20世紀(jì)90年代中后期21世紀(jì)初期制作工藝1-0.8m0.8-0.5m0.5–0.35m0.25-0.13m主頻<33MHz<100MHz<200MHz<600MHz晶體管個數(shù)>500K>2M>5M>22M位數(shù)8/16bit8/16/32bit8/16/32bit8/16/32/64bit嵌入式處理器的發(fā)展嵌入式處理器設(shè)計因素體系結(jié)構(gòu)指令集性能功耗和管理成本集成度嵌入式處理器的集成度用于桌面和服務(wù)器的處理器的芯片內(nèi)部通常只包括CPU核心、Cache、MMU、總線接口等部分，其他附加的功能如外部接口、系統(tǒng)總線、外部總線和外部設(shè)備獨立在其他芯片和電路內(nèi)。嵌入式處理器除了集成CPU核心、Cache、MMU、總線等部分外，還集成了各種外部接口和設(shè)備，如中斷控制器、DMA、定時器、UART等。符合嵌入式系統(tǒng)的低成本和低功耗需求，一塊單一的集成了大多數(shù)需要的功能塊的芯片價格更低，功耗更少。嵌入式處理器的集成度嵌入式處理器是面向應(yīng)用的，其片內(nèi)所包含的組件的數(shù)目和種類是由它的市場定位決定的。在最普通的情況下，嵌入式處理器包括：片內(nèi)存儲器：部分嵌入式微處理器外部存儲器的控制器，外設(shè)接口(串口，并口)LCD控制器：面向終端類應(yīng)用的嵌入式微處理器中斷控制器，DMA控制器，協(xié)處理器定時器，A/D、D/A轉(zhuǎn)換器多媒體加速器：當(dāng)高級圖形功能需要時總線其他標(biāo)準(zhǔn)接口或外設(shè)嵌入式處理器的集成度單芯片方式（SingleChip）芯片組方式（ChipSet）：由處理器主芯片和一些從芯片組成嵌入式處理器的集成度單芯片方式：華邦W90P710芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)嵌入式處理器的集成度芯片組方式：兩芯片組的手持PC方案返回嵌入式處理器的體系結(jié)構(gòu)算術(shù)格式（ArithmeticFormat）由于低成本和低功耗的限制，大多數(shù)的嵌入式微處理器使用定點運算（fixed-pointarithmetic），即數(shù)值被表示為整數(shù)或在－1.0和＋1.0之間的分?jǐn)?shù)，比數(shù)值表示為尾數(shù)和指數(shù)的浮點版本的芯片便宜。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)中需要使用浮點運算時，可采用軟件模擬的方式實現(xiàn)浮點運算，只不過這樣要占用更多的處理器時間。功能單元（FunctionalUnits）通常包括不止一個的功能單元，典型的是包含一個ALU、移位器和MAC，處理器通常用一條指令完成乘法操作。流水線（Pipeline）通常采用單周期執(zhí)行指令，可能導(dǎo)致比較長的流水線

返回嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)按體系結(jié)構(gòu)的不同可分為五大類ARMMIPSPOWERPCX86SH系列嵌入式處理器家族ARM家族ARM公司的ARMRISC處理器ARM7Thumb家族ARM9Thumb家族ARM10Thumb家族ARM11Thumb家族IntelStrongARM家族StrongARM110StrongARM1100StrongARM1110StrongARM1111INTEL的Xscale架構(gòu)處理器基于ARMV5TE體系結(jié)構(gòu)兼容ARMV5TEISA指令集（不支持浮點指令集）在處理器內(nèi)核周圍提供了指令和數(shù)據(jù)存儲器管理單元指令、數(shù)據(jù)和微小數(shù)據(jù)緩存寫緩沖、掛起緩沖和分支目標(biāo)緩沖器電源管理性能監(jiān)控調(diào)試JTAG單元以及協(xié)處理器接口MAC協(xié)處理器內(nèi)核存儲總線MIPS家族從1986年推出R2000處理器以來，MIPS陸續(xù)推出R3000、R4000、R8000等。之后,MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化，把重點放在嵌入式系統(tǒng)。1999年，MIPS公司發(fā)布了MIPS32和MIPS64體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，集成了原來所有的MIPS指令集，并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。此后MIPS公司又陸續(xù)開發(fā)了高性能、低功耗的32位和64位處理器內(nèi)核。MIPSRISCMIPS在MIPS的32位內(nèi)核中4K系列對應(yīng)于SOC應(yīng)用設(shè)計；M4K系列內(nèi)核是為在下一代消費電子、網(wǎng)絡(luò)、寬帶應(yīng)用中越來越受歡迎的多CPUSOC所設(shè)計；4KE系列具有目前32位通用嵌入式處理器中最高的DMIPS/MHz性能指標(biāo)；4KS系列由于采用了特殊的SmartMIPS體系結(jié)構(gòu)，特別適用于需要安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，比如網(wǎng)絡(luò)、智能卡等；5K和20Kc系列屬于MIPS的64位內(nèi)核5K能提供1.4DMIPS/MHz的性能以及最低350MHz的運行速率。20Kc是當(dāng)今最快的可授權(quán)嵌入式處理器內(nèi)核。一般運行在600MHz，具有7段流水線的20Kc內(nèi)核，能提供1.2GFLOPS的峰值浮點運算能力。MIPS在嵌入式處理器市場中，基于MIPS內(nèi)核的處理器占據(jù)了相當(dāng)大的數(shù)量2002年，一共付運了8700萬片采用MIPS內(nèi)核的嵌入式處理器，份額僅次于ARM位居全球第二。在目前快速增長的比如CableModem、DSLModem、DVD錄像機(jī)等領(lǐng)域內(nèi)，MIPS的市場份額位居第一。MIPS的合作伙伴包括了AMD，IDT，NEC，TI，SONY等眾多廠商PowerPC體系結(jié)構(gòu)Motorola半導(dǎo)體（現(xiàn)Freescale半導(dǎo)體）聯(lián)合IBM以及蘋果電腦IBMPowerPC750PowerPCG3MotorolaMPCMCX86體系結(jié)構(gòu)IntelX86體系結(jié)構(gòu)AMD最新的X86體系結(jié)構(gòu)嵌入式處理器產(chǎn)品為Geode系列處理器CISC指令集Intel4004Intel8008(1972)Intel8080(1974)2MHZ第一個真正可用的微處理器Intel8086-8088(1978)Intel286(1982)Intel386(1985)Intel486DX(1989)IntelPentium(1993)IntelPentiumPro(1995)IntelPentiumII(1997)IntelPentiumIII(1999)IntelPentium4(2000)Intel多核處理器AMD多核處理器SH體系結(jié)構(gòu)SH(SuperH)系列是由前日立半導(dǎo)體公司（現(xiàn)Renesas公司）推出的嵌入式處理器SH系列的CPU指令格式是固定的，只有一個字長，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復(fù)雜的乘加指令也僅需2個時鐘周期為了克服內(nèi)存訪問的瓶頸，SH的CPU簡化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲)結(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)置高速緩存，以減少訪問內(nèi)存的時間SH體系結(jié)構(gòu)1999年底，SH系列累計生產(chǎn)達(dá)1.18億片。SH系列投入市場后，用量最多的是工業(yè)，占總量的36%，第二位是辦公自動化，占總量的26%；第三位是消費領(lǐng)域；再其次的是通信領(lǐng)域。此外，汽車導(dǎo)航、定位、控制系統(tǒng)，也是SH系列不小的一個市場。在美國，SH系列占有較大的市場份額型號SH1-4（32位）

SH5(64位)68K/Coldfire摩托羅拉公司推出的業(yè)界被最廣泛應(yīng)用的嵌入式處理器內(nèi)核。68K內(nèi)核是最早在嵌入式領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的內(nèi)核。其最著名的代表芯片是68360。已經(jīng)發(fā)展到第五版本V5。Coldfire繼承了68K的特點并繼續(xù)兼容它。應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)控制機(jī)器人研究家電控制等領(lǐng)域嵌入式處理器的指令集為滿足應(yīng)用領(lǐng)域的需要，嵌入式處理器的指令集一般要針對特定領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行剪裁和擴(kuò)充。目前很多應(yīng)用系統(tǒng)需要類似于DSP的數(shù)字處理功能。這些指令主要有：乘加(MAC)操作：它在一個周期中執(zhí)行了一次乘法運算和一次加法運算。SIMD類操作：允許使用一條指令進(jìn)行多個并行數(shù)據(jù)流的計算。零開銷的循環(huán)指令：采用硬件方式減少了循環(huán)的開銷。僅使用兩條指令實現(xiàn)一個循環(huán)，一條是循環(huán)的開始并提供循環(huán)次數(shù)，另一條是循環(huán)體。多媒體加速指令：像素處理、多邊形、3D操作等指令。返回嵌入式處理器的指令集分類CISC：復(fù)雜指令集（ComplexInstructionSetComputer）具有大量的指令和尋址方式8/2原則：80%的程序只使用20%的指令大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。RISC：精簡指令集（ReducedInstructionSetComputer)在通道中只包含最有用的指令確保數(shù)據(jù)通道快速執(zhí)行每一條指令使CPU硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計變得更為簡單嵌入式處理器的指令集分類EPIC(ExplicitlyParallelInstructionComputing，顯式并行指令計算)使用ILP使編譯器在程序運行前便能找出其并行性，安排好指令執(zhí)行的順序。分支推斷風(fēng)險裝載更加聰明的編譯器超長指令字（VLIW）處理器多發(fā)射機(jī)制編譯調(diào)度CISC的背景和特點背景:存儲資源緊缺,強(qiáng)調(diào)編譯優(yōu)化增強(qiáng)指令功能，設(shè)置一些功能復(fù)雜的指令，把一些原來由軟件實現(xiàn)的、常用的功能改用硬件的（微程序）指令系統(tǒng)來實現(xiàn)為節(jié)省存儲空間，強(qiáng)調(diào)高代碼密度，指令格式不固定，指令可長可短，操作數(shù)可多可少尋址方式復(fù)雜多樣，操作數(shù)可來自寄存器，也可來自存儲器采用微程序控制，執(zhí)行每條指令均需完成一個微指令序列CPI>５，指令越復(fù)雜，CPI越大。CISC的主要缺點指令使用頻度不均衡。高頻度使用的指令占據(jù)了絕大部分的執(zhí)行時間，擴(kuò)充的復(fù)雜指令往往是低頻度指令。大量復(fù)雜指令的控制邏輯不規(guī)整，不適于VLSI工藝VLSI的出現(xiàn)，使單芯片處理機(jī)希望采用規(guī)整的硬聯(lián)邏輯實現(xiàn)，而不希望用微程序，因為微程序的使用反而制約了速度提高。(微碼的存控速度比CPU慢5-10倍)。軟硬功能分配復(fù)雜指令增加硬件的復(fù)雜度，使指令執(zhí)行周期大大加長，直接訪存次數(shù)增多，數(shù)據(jù)重復(fù)利用率低。不利于先進(jìn)指令級并行技術(shù)的采用流水線技術(shù)RISC基本設(shè)計思想減小CPI:CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycle精簡指令集：保留最基本的,去掉復(fù)雜、使用頻度不高的指令采用Load/Store結(jié)構(gòu)，有助于減少指令格式，統(tǒng)一存儲器訪問方式采用硬接線控制代替微程序控制RISC:減少指令平均執(zhí)行周期數(shù)CPUtime=Instr_Count*CPI*Clock_cycleICRISC>ICCISC,30%40%CCRISC<CCCISCCPIRISC<CPICISC，20%超標(biāo)量、超流水線、VLIW等系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，目標(biāo)在于減小CPI，可使CPI<1RISC的提出與發(fā)展Load/Store結(jié)構(gòu)提出：CDC6600(1963)--CRAY1(1976)RISC思想最早在IBM公司提出，但不叫RISC，IBM801處理器是公認(rèn)體現(xiàn)RISC思想的機(jī)器。1980年，Berkeley的Patterson和Dizel提出RISC名詞，并研制了RISC-,實驗樣機(jī)。1981年Stenford的Hennessy研制MIPS芯片。85年后推出商品化RISC:MIPS1(1986)和SPARCV1(1987)典型的高性能RISC處理器SUN公司的SPARC(1987)MIPS公司的SGI:MIPS(1986)HP公司的PA-RISC,IBM,Motorola公司的PowerPCDEC、Compac公司的AlphaAXPIBM的RS6000(1990)第一臺SuperscalarRISC機(jī)

CISC與RISC的數(shù)據(jù)通道IFIDREGALUMEM開始退出IFIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道CISC與RISC的對比類別CISCRISC價格由硬件完成部分軟件功能，硬件復(fù)雜性增加，芯片成本高由軟件完成部分硬件功能，軟件復(fù)雜性增加，芯片成本低指令系統(tǒng)指令數(shù)量很多。大量的混雜型指令集，有簡單快速的指令，也有復(fù)雜的多周期指令，符合HLL（highlevellanguage）較少，通常少于100。簡單的單周期指令，在匯編指令方面有相應(yīng)的CISC微代碼指令執(zhí)行時間有些指令執(zhí)行時間很長，如整塊的存儲器內(nèi)容拷貝；或?qū)⒍鄠€寄存器的內(nèi)容拷貝到存貯器沒有較長執(zhí)行時間的指令性能減少代碼尺寸，增加指令的執(zhí)行周期數(shù)使用流水線降低指令的執(zhí)行周期數(shù)，增加代碼尺寸CISC與RISC的對比類別CISCRISC編碼長度編碼長度可變，1-15字節(jié)編碼長度固定，通常為4個字節(jié)尋址方式尋址方式多樣簡單尋址控制單元微碼直接執(zhí)行寄存器數(shù)目寄存器較少寄存器較多操作可以對存儲器和寄存器進(jìn)行算術(shù)和邏輯操作只能對寄存器對行算術(shù)和邏輯操作，Load/Store體系結(jié)構(gòu)編譯難以用優(yōu)化編譯器生成高效的目標(biāo)代碼程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)，生成高效的目標(biāo)代碼程序高級語言支持硬件完成軟件完成指令系統(tǒng)與處理器結(jié)構(gòu)的關(guān)系指令系統(tǒng)設(shè)計：決定于應(yīng)用、性能、代碼密度和方言的要求。包括符號指令設(shè)計和編碼設(shè)計。指令的類型：尋址方式：指令系統(tǒng)的重要特點。與數(shù)據(jù)通路相關(guān)。傳輸類指令：實現(xiàn)處理器內(nèi)部存儲之間以及與外部存儲之間的數(shù)據(jù)傳送。與數(shù)據(jù)通路相關(guān)運算類指令：實現(xiàn)指令描述的功能。與ALU和其它運算部件相關(guān)系統(tǒng)類指令：完成對系統(tǒng)資源的訪問。與操作系統(tǒng)的支持有關(guān)。指令系統(tǒng)與處理器結(jié)構(gòu)的關(guān)系指令的編碼：相關(guān)因素：代碼密度，功耗，譯碼器垂直編碼有利于譯碼器簡化，但使用效率低非垂直編碼譯碼復(fù)雜，使用效率高。常常采用二者折衷方案。ARM指令編碼與功耗：連續(xù)執(zhí)行的執(zhí)行功耗取決于其引起的邏輯變化量指令編碼的海明距離，控制信號的海明距離，執(zhí)行情況等，編譯技術(shù)，OS，嵌入式應(yīng)用譯碼取指執(zhí)行add譯碼取指執(zhí)行sub譯碼取指執(zhí)行cmp時間AddSubCmp影響CPU性能的因素：流水線流水線技術(shù)：幾個指令可以并行執(zhí)行提高了CPU的運行效率內(nèi)部信息流要求通暢流動流水線&無流水線超標(biāo)量執(zhí)行：超標(biāo)量CPU采用多條流水線結(jié)構(gòu)

執(zhí)行1預(yù)取指令CACHE譯碼2譯碼1執(zhí)行2執(zhí)行1預(yù)取譯碼2譯碼1執(zhí)行2流水線1流水線2數(shù)據(jù)影響CPU性能的因素：超標(biāo)量影響CPU性能的因素：高速緩存1、為什么采用高速緩存微處理器的時鐘頻率比內(nèi)存速度提高快得多，高速緩存可以提高內(nèi)存的平均性能。2、高速緩存的工作原理高速緩存是一種小型、快速的存儲器，它保存部分主存內(nèi)容的拷貝。CPU高速緩存控制器CACHE主存數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)地址影響CPU性能的因素：總線和總線橋CPU低速設(shè)備橋數(shù)據(jù)高速總線存儲器高速設(shè)備高速設(shè)備低速總線嵌入式處理器的性能低端（低價，低性能）一般低端嵌入式處理器的性能最多達(dá)到50MIPS，應(yīng)用在對性能要求不高但對價格和功耗有嚴(yán)格要求的應(yīng)用系統(tǒng)中。中檔，低功耗中檔的嵌入式處理器可達(dá)到較好的性能（如150MIPS以上），采用增加時鐘頻率、加深流水深度、增加Cache及一些額外的功能塊來提高性能，并保持低功耗。嵌入式處理器的性能高端嵌入式處理器用于高強(qiáng)度計算的應(yīng)用，使用不同的方法來達(dá)到更高的并行度單指令執(zhí)行乘法操作：通過加入額外的功能單元和擴(kuò)展指令集，使許多操作能在一個單一的周期內(nèi)并行執(zhí)行。每個周期執(zhí)行多條指令：桌面和服務(wù)器的超標(biāo)量處理器都支持單周期多條指令執(zhí)行，在嵌入式領(lǐng)域通常使用VLIW(verylargeinstructionword)來實現(xiàn)，這樣只需較少的硬件，總體價格會更低些。例如TI的TMS320C6201芯片，通過使用VLIW方法，能在每個周期同時執(zhí)行8條獨立的32位指令。使用多處理器：采用多處理器的方式滿足應(yīng)用系統(tǒng)的更高要求。一些嵌入式微處理器采用特殊的硬件支持多處理器。如TI的OMAP730包括了三個處理器核ARM9、ARM7、DSP。返回嵌入式處理器的功耗管理大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)有功耗的限制（特別是電池供電的系統(tǒng)），它們不支持使用風(fēng)扇和其他冷卻設(shè)備。降低工作電壓：1.8v、1.2v甚至更低，而且這個數(shù)值一直在下降。提供不同的時鐘頻率：通過軟件設(shè)置不同的時鐘分頻。關(guān)閉暫時不使用的功能塊：如果某功能塊在一個周期內(nèi)不使用，就可以被完全關(guān)閉，以節(jié)約能量。嵌入式處理器的功耗管理提供功耗管理機(jī)制運行模式（RunningMode）：處理器處于全速運行狀態(tài)下。待命模式（StandbyMode）：處理器不執(zhí)行指令，所有存儲的信息是可用的，處理器能在幾個周期內(nèi)返回運行模式。時鐘關(guān)閉模式（clock-offmode）：時鐘完全停止，要退出這個模式系統(tǒng)需要重新啟動。影響功耗的其他因素還有總線（特別是總線轉(zhuǎn)換器，可以采用特殊的技術(shù)使它的功耗最小）和存儲器的大小（如果使用DRAM，它需要不斷的刷新）。為了使功耗最小，總線和存儲器要保持在應(yīng)用系統(tǒng)可接受的最小規(guī)模。返回嵌入式處理器的成本為降低價格，需要在嵌入式處理器的設(shè)計中考慮不同的折衷方案。處理器的價格受如下因素影響:處理器的特點：功能塊的數(shù)目、總線類型等。片上存儲器的大小。芯片的引腳數(shù)和封裝形式：如PQFP(PlasticQuadFlatPackage)通常比BGA(BallGridArrayPackage)便宜。芯片大小（diesize）：取決于制造的工藝水平。嵌入式處理器的成本代碼密度（codedensity）：代碼存儲器的大小將影響價格，不同種類的處理器有不同的代碼密度：CISC芯片代碼密度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其額外的控制邏輯單元使價格變得很高；RISC芯片擁有簡單的結(jié)構(gòu)，代碼密度低，因為其指令集簡單；VLIW代碼密度最低，因為它的指令字傾向于采用多字節(jié)。嵌入式處理器分類嵌入式處理器嵌入式系統(tǒng)的核心部件是各種類型的嵌入式處理器：通用CPUIntelx86/xScale、MT68K、PowerPC(IBM/Freescale)專用CPU專用：NP、IXP、IOP等MCU嵌入式微控制器單片機(jī)4/8/16/32bit；8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300

嵌入式微處理器MPUARM、MIPS、IntelxScale、Dragonball(Freescale)等公司DSP數(shù)字信號處理器TI、Motorola、ADI等公司SoC嵌入式片上系統(tǒng)DSP+RISCCPU+I/O+Memory可編程片上系統(tǒng)(系統(tǒng)芯片)PSoCFPGA、PAL/GAL、PLD/CPLD、Tensilica、XtensaMultiCoreSOC多核嵌入式處理器ASIC嵌入式處理器技術(shù)處理器可以根據(jù)用戶遇到的問題進(jìn)行定制total=0fori=1toNlooptotal+=M[i]endloop

通用處理器專用處理器面向特定應(yīng)用的處理器期望功能（1）嵌入式微控制器MCU（MicroControllerUnit）嵌入式微控制器的典型代表是單片機(jī)（又稱單片微型計算機(jī)，SingleChipMicrocomputer)，這種８位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。目前典型的MCU內(nèi)部框圖MCU內(nèi)部總線（控制總線、數(shù)據(jù)總線、地址總線）CPURAMFlash存儲器A/D轉(zhuǎn)換接口工作支撐模塊定時器接口串行通信接口其他I/O模塊……一個典型的MCU內(nèi)部框圖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(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。51單片機(jī)MCU的主要應(yīng)用領(lǐng)域

工業(yè)與農(nóng)業(yè)方面儀器儀表與電訊方面日常生活用品方面導(dǎo)航控制與數(shù)據(jù)處理方面汽車控制方面

MCU發(fā)展概況MCU的發(fā)展簡史Intel公司:1971年首次宣布4004的4位微處理器；1980年推出MCS-51；1983年推出MCS-96系列16位單片機(jī)。Motorola公司:1974年開始推出MC6800微處理器；1979年開始生產(chǎn)單片機(jī)MC6801，在1983年前后發(fā)展成為較高性能的M68HC05系列；2000年前后推出了M68HC08系列單片機(jī)；2004年(2004年6月Motorola更名為Freescale半導(dǎo)體公司)推出增強(qiáng)型8位單片機(jī)HCS08系列，使8位單片機(jī)的品種更加豐富。同時，其8位MCU、16位MCU、32位MCU并行發(fā)展，增加了市場份額，也方便了用戶的選型。其他公司:德州儀器，三菱、日立、飛利浦、韓國LG等也開發(fā)了性能優(yōu)越的單片機(jī)。各類單片機(jī)不斷出現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計，至今已達(dá)500多種。1.2單片機(jī)發(fā)展概況新MCU的特點價格更低：每片幾十元的MCU，其內(nèi)部資源已經(jīng)相當(dāng)豐富。使用更加方便：內(nèi)部含有EPROM或ROM，不需要外部擴(kuò)展總線；有的MCU內(nèi)部甚至固化了晶振電路。功耗更低：有等待狀態(tài)、睡眠狀態(tài)、關(guān)閉狀態(tài)等。低電壓型：工作電壓只要2.7V，甚至1.8V。

Flash型：具有閃速存儲器(FlashMemory)，實現(xiàn)大規(guī)模電擦除。1.3MCU發(fā)展新特點及選型原則（2）嵌入式DSP處理器DSP(DigitalSignalProcessor)是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計。DSP的理論算法在70年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但是由于專門的DSP處理器還未出現(xiàn)，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現(xiàn)。貝爾實驗室于1979年制造出全球第一個單芯片(DSP)

1982年世界上誕生了首枚商用DSP芯片。在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用的TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列DSPs

DSP—可以代表數(shù)字信號處理技術(shù)，也可以代表數(shù)字信號處理器，其實兩者是不可分割的，前者是理論上的技術(shù)，要通過后者變成實際產(chǎn)品。兩者結(jié)合起來就成為解決某一實際問題或?qū)崿F(xiàn)某一產(chǎn)品的手段——數(shù)字信號處理解決方案（DSPs）。DSP連續(xù)的數(shù)據(jù)流的處理及高精度復(fù)雜運算，則應(yīng)該選用DSP器件特征運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址來源DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，如TI的TMS320C2000/C5000在通用單片機(jī)或片上系統(tǒng)（SoC）中增加DSP協(xié)處理器，如Intel的MCS-296DSP應(yīng)用領(lǐng)域多媒體革命的引擎通訊/網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)字多媒體(HDTV)應(yīng)用于數(shù)字濾波、FFT、反余弦變換、頻譜分析、語音與圖像等多媒體處理、智能變頻控制等領(lǐng)域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DSP應(yīng)用范圍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)實顯示等如TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列DSP目前最為廣泛應(yīng)用的嵌入式DSP處理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應(yīng)用范圍。馮諾依曼結(jié)構(gòu)的DSP哈佛結(jié)構(gòu)的DSP典型哈佛結(jié)構(gòu)的DSPDSP在數(shù)字信號處理系統(tǒng)中的位置DSP芯片MotorolaDSP56301（3）嵌入式微處理器（通用處理器）可以使用那些可編程設(shè)備X86、PowerPC，AMD、ARM、MIPS、68K特點內(nèi)存可編程（Programmemory）通用的數(shù)據(jù)地址寄存器通用的ALU優(yōu)點開發(fā)迅速低成本高靈活性架構(gòu)IRPCRegisterfileGeneralALUDatapathControllerProgrammemoryAssemblycodefor:total=0fori=1to…ControllogicandStateregisterDatamemory和工業(yè)控制計算機(jī)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。目前主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等ARM低端:Nocache.Nofloatingpoint.NoMMU.高端:Cache.Floating-point.MMU.奔騰II、III處理器結(jié)構(gòu)（4）嵌入式微處理器MPU（MicroProcessorUnit）嵌入式微處理器是由通用計算機(jī)中的CPU演變而來的。與計算機(jī)處理器不同的是，在實際嵌入式應(yīng)用中，只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。（4）嵌入式微處理器（專用處理器）用來執(zhí)行單一特定程序圖形加速器GP、TCP卸載器特點構(gòu)造簡單，僅包含執(zhí)行單一特定程序所需的部件沒有編程內(nèi)存（programmemory）優(yōu)點速度快低功耗尺寸小架構(gòu)DatapathControllerControllogicStateregisterDatamemoryindextotal+面向特定應(yīng)用的嵌入式微處理器面向特定應(yīng)用的優(yōu)化的可編程處理器具有一般的特征。IOP、IXP、Cell特點可編程內(nèi)存數(shù)據(jù)路徑優(yōu)化特殊功能單元優(yōu)點一定的靈活性高性能架構(gòu)IRPCRegistersCustomALUDatapathControllerProgrammemoryAssemblycodefor:total=0fori=1to…ControllogicandStateregisterDatamemory（5）新的發(fā)展方向：SoCASICCoreMemoryEmbeddedProcessorCoreAnalogFunctionsCommunicationSensorInterfaceSoC

SoC(SystemonChip)，SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器就是一種電路系統(tǒng)。SoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件SoCSoC是追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成器件硬件上結(jié)合了許多功能區(qū)塊，將功能做在一個芯片上，這些單元以往都是依照各單元的功能做成一個個獨立的處理芯片。ARMRISC、MIPSRISC、DSP或是其他的微處理器核心通信的接口單元通用串行端口（USB）TCP/IP通信單元GPRS通信接口GSM通信接口IEEE1394藍(lán)牙模塊接口等等成功實現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊。SoC出現(xiàn)原因運用VHDL等硬件描述語言不需要再像傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計一樣，繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設(shè)計直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)。軟件硬件化、硬件軟件化軟件依托硬件而存在，但又高于硬件！軟件可以替代硬件嗎？

硬件可以替代軟件嗎？SoC由于SoC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知Philips的SmartXASiemens的TriCoreMotorola的M-Core某些ARM系列器件Echelon和Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。SoC

SoC嵌入式系統(tǒng)微處理器所具有的其他的好處可以分為下列幾點：利用改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。減少芯片對外管腳數(shù)，簡化制造過程。減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，可以加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成系統(tǒng)雜訊。SoC應(yīng)用領(lǐng)域SoC芯片將在聲音、圖像、影視、網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)邏輯等應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。SoC發(fā)展趨勢Systems-on-chip（SoC）32-bitRISCCPU具有RAM和ROM接口具有DMA,中斷以及時鐘控制器接口具有磁盤或flash接口具有以太網(wǎng)/802.11接口具有LCD/CRT接口NewSoCsappearingalmosteveryweek!舉例IntelStrongARMSA-1110MotorolaPowerPCMPC823eNECVR4181等等/articles/AT4313418436.htmlSoC示意圖SoC舉例1Camera-on-chip貝爾實驗室

CMOS技術(shù)100,000像素低功耗廉價/news/1998/july/15/1.htmlSoC舉例2SPEC:onestepcloserto“SmartDust”2mmx2.5mmAVR-likeRISCcore3kRAM8-bitADCFSKradiotransceiverPagedmemorysystemLotsofothercoolstuff…Manufacturingcost$0.3forthedie$0.5forthefiveexternalcomponents(antenna,crystals,powersourceetc)http:///~jhill/spec/SoC的下一代RSoC可重配置的SoC（ReconfigurableSoC）處理器內(nèi)核+可編程(可再編程)邏輯FPGA通過重配置在硬件級別修改硬件的功能舉例:Atmel’sFPSLICUpto40KGates8-bit微處理器@40