嵌入式处理器漫谈

renbagshoes

来源：华恒公司文档(www.hhcn.org)

题目：嵌入式处理器漫谈

中国科大BBS嵌入式版聚讲座
斑竹DJ  2002-10-31
email：ustc_dj@hotmail.com
中国科技大学网络中心三楼会议室
安徽  合肥


提纲

嵌入式处理器分类

应用领域

案例剖析

展望


一、嵌入式处理器内核分类

按照体系结构分类，不涉及具体的处理器芯片。嵌入式领域全部是RISC指令集的处理器内核。

MIPS：www.mips.com，只设计内核的美国公司

ARM：www.arm.com，只设计内核的英国公司

PowerPC：为IBM和Motorola公司共有的内核

68K/COLDFIRE：Motorola公司独有的内核



二、嵌入式处理器的要求

1.技术因素：

低功耗(高速不是首要的)

外围设备接口丰富程度

2.非技术因素：

刚好适用、不盲目追求速度，求得芯片成本与功耗、功能的最佳匹配，不多一分、不多一毫

供货稳定持久，不要经常升级换代、导致停产

系列化、家族化


三、什么是处理器内核？

处理器内核是一个设计，并不是一个芯片

内核的设计一般追求高速度、低功耗、易于集成

内核的设计 VS. 外围设备接口的设计


四、各个内核的特点

MIPS core：高速，跨入了64位时代，多core集成；

ARM core：低功耗，javabyte的支持；

PowerPC core：高速与低功耗之间作了妥协，并集成极度丰富的外围电路接口；

68K/COLDFIRE core：业界被最广泛应用的嵌入式处理器内核，目前还在不停更新

换代与发展。


1.MIPS内核

两个最重要的MIPS core芯片厂商：PMC和IDT

高端被PMC-Sierra公司做成芯片；低端被IDT公司做成芯片。

PMC-Sierra公司的MIPS处理器被CISCO公司由于历史用的原因，大量采用在高端路由

器上。

IDT公司在MIPS core上集成PCI接口，广泛用于LAN Switch；另外也尝试增加了HDLC，Ethernet，串口，SDRAM控制器、片选，DMA控制器等等外设接口，意图用于底端通讯产品。


2.ARM内核

ARM内核的设计技术被授权给数百家的半导体厂商，做成不同的SOC芯片。

ARM core在当今最活跃的无线局域网、3G、手机终端、手持设备、有线网络通信设备中广泛应用，其应用形式是集成到专用芯片之中作为控制器。

例如：Intersil的802.11B AP芯片组集成了ARM9 core；Broadcom的Lan-Switch芯片组集成了ARM core。

ARM内核功耗举例

ARM1020E Dynamic Power
Dhrystone2.1

得到的数据如下：
ARM10E Core       32%
Data Cache        24%
Instruction Cache 22%
Clocks            6%
Instruction MMU   5%
Data MMU          5%
BIU               5%
Buffers           1%


采用ARM内核的主要半导体处理器厂商

韩国三星公司：在其面向手持设备和网络设备的处理器上都全面采用了arm core，如S3C4510B用于gateway。

Intel公司：从StrongARM到Xscale处理器家族，都是立足于armcore并增加了多媒体指令特性、乃至NP的特性、并进一步降低功耗，提高速度。

Motorola公司：在其手持设备处理器方面从68K内核改成了ARM内核，从此，手持设备领域成了ARM core的天下。

Cirrus Logic公司：ep7312等手持设备处理器，增加MP3以及音频处理的功能。


3.PowerPC内核

PowerPC内核被Motorola用于嵌入式领域，至今，已经开成在通信领域用得最广泛的处理器内核。该内核被摩托罗拉公司设计到SOC芯片之中形成了一个巨大的嵌入式处理器家族。

中兴通信、华为等在其通信产品中大量采用Motorola的PowerPC家族的系列嵌入式处理器。MPC860和MPC8260是其最经典的两款PowerPC内核的嵌入式处理器。


4.68K/Coldfire内核

68K内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核。其最著名的代表芯片是68360。Coldfire继承了68K的特点并继续兼容它。

最近，摩托罗拉已经发布了的第五版本V5的内核。

Coldfire内核被中上DSP模块、CAN总线模块以及一般嵌入式处理器所集成的外设模块，从而形成了一系列的嵌入式处理器，在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。

我认为：嵌入式技术必将成为IT领域的基础技术。无论在工业自动化控制领域、手持设备领域、数据通信领域、信息家电领域，你都必将要以嵌入式技术为基础，才能进一步开发本领域的专业设备。


五、嵌入式技术要素

计算机体系结构知识

逻辑电路设计知识

C语言编程知识

TCP/IP网络知识


六、嵌入式技术应用领域：手持设备

ARM因为其低功耗以及对javabyte的支持等丰富的特性、也由于ARM core的快速设计发展，目前， ARM取得了在手持设备 领域(PDA、手机、手持设备)的领导地位。

Intel公司StrongARM取得了巨大的成功，PLAM公司宣布在其新的PDA中使用ARM core的处理器。

其它：AMD的MIPS core的Au1000/1100/1500系列；日本的某些处理器系列，SH3，NEC VR41xx等；属于非主流手持设备处理器。


七、数据通信领域：百家争鸣

摩托罗拉基于PowerPC内核的PowerQUICC，PowerQUICC II，and PowerQUICC III家族数十种型号的嵌入式通信处理器

三星基于ARM内核的4510、4530、44B0等型号

Intel公司Xscale系列中PXA425等

NP(Network Processor)：由专用A SIC发展成可编程包转发处理器。 例如：IBM的PowerNP系列以及摩托罗拉的 C-Port、Intel的IXP系列等。


八、选用嵌入式处理器的原则

是不是越通用越好？
是不是速度越快越好？

基于工程的理由：
有bug改得快，供货稳定长久，家族系列兼容性好，上手之后产品开发很快，选非主流或者说小厂的东西，是“勇敢者的选择”。你敢冒产品失败的风险吗？设计出来之后，厂商告诉你，芯片供货周其很长；过了半年，你发现不同批次的芯片焊在析子上结果不一样，你改设计？再过半年，厂商告诉你，我们停产了，有新的，你跟着升级吧？……


九、结论与展望

结论：SOC(System on a Chip)片 上系统，意即在一个芯片上设计了整个系统。 嵌入式处理器就是一个SOC。SOC的目 标是更专 用 的，不是通用的。它要求刚刚合用、最低的成本代价、最高的集成度。以它为核心的产品将因此能够更快上市、成本理低、功能更丰富、体积更小、功耗更低。

展望：未来的嵌入式处理器的竞争将导常激烈，不但要集成更加丰富的新型外设接口，也需要不能因此忽略了功耗，还要提供更强的计算能力以及集成各种特殊的协处理器(例如DSP运算、多媒体硬件部件、java加速等等)，还有一点：硅片面积导致的芯片制造成本。

Emolasa

不错不错,半主应该多贴点

这种大方面的东西

renbagshoes

<引自：中国单片机共实验室>

(2000.10)

  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Infineon(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，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。