嵌入式微處理器結構與應用

嵌入式微處理器結構與應用

　　嵌入式培訓就是嵌入式系統相關技術的培訓。嵌入式系統說白了就是硬件和軟件相結合，嵌入到整機里使整機實現智能化的一個系統。下面小編整理的關于嵌入式微處理器結構與應用，歡迎大家參考!

　　嵌入式系統和嵌入式微處理器

　　嵌入式系統一般指非PC系統，它包括硬件和軟件兩部分。硬件包括處理器/微處理器、存儲器及外設器件和I/O端口、圖形控制器等。軟件部分包括操作系統軟件(OS)(要求實時和多任務操作)和應用程序編程。有時設計人員把這兩種軟件組合在一起。應用程序控制著系統的運作和行為;而操作系統控制著應用程序編程與硬件的交互作用。

　　嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點：

　　1、對實時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心的執行時間減少到最低限度。

　　2、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，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷。

　　3、可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。

　　4、嵌入式微處理器必須功耗很低，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更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

　　常用嵌入式處理器類型、特點及發展趨勢分析

　　自微處理器的問世以來，嵌入式系統得到了飛速的發展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統的核心部分,嵌入式處理器直接關系到整個嵌入式系統的性能。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統中運算和控制核心器件總的稱謂。目前世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。基于這些情況，本文對常用嵌入式處理器類型、特點以及嵌入式處理器的發展趨勢作出分析。

　　一、常用嵌入式處理器類型

　　根據現狀，常用嵌入式處理器可以分為：嵌入式微處理器(MPU)、嵌入式微控制器( MCU) 、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統、FPGA處理器等幾大類，其中更檔次的8/16/32/64位微控制器應用最為廣泛。

　　1、嵌入式微處理器(MPU)

　　嵌入式微處理器的基礎是通用計算機中的CPU。在應用中，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有關的母板功能，這樣可以大幅度的減少系統體積和功耗。為滿足嵌入式應用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但是在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。

　　嵌入式處理器目前主要有Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

　　2、嵌入式微控制器( MCU)

　　嵌入式微控制器又稱單片機，就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核為核心，芯片內部集成ROM/EPROM、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、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。

　　和嵌入式微處理器相比，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工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。目前MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。近來Atmel出產的Avr單片機由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發展。

　　3、嵌入式DSP處理器

　　嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

　　DSP處理器是專門用于信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。

　　DSP的理論算法在70年代就已經出現，但是由于專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的算法要求，其應用領域僅僅局限于一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。到80年代后期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述范圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用范圍也更加廣闊。

　　目前最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用范圍。

　　4、嵌入式片上系統

　　嵌入式片上系統追求產品系統最大包容的集成器件，是目前嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個復雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪制龐大復雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進行生產。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。

　　由于SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens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。

　　預計不久的將來，一些大的芯片公司將通過推出成熟的、能占領多數市場的SOC芯片，一舉擊退競爭者。SOC芯片也將在聲音、圖像、影視、網絡及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。

　　二、嵌入式處理器的特點

　　最為嵌入式系統的核心，嵌入式處理器擔負著控制、系統工作的重要任務，使宿主設備功能智能化、靈活設計和操作簡便。為合理高效的完成這些任務，一般說，嵌入式處理器具有一下特點：1)很強的實時多任務支持能力：2)存儲區保護功能;3)可擴展的微處理器結構;4)較強的中斷處理能力;5)低功耗。

　　三、嵌入式微處理器的發展趨勢

　　嵌入式處理器大量應用與PC機。嵌入式微控制器是嵌入式系統芯片的主流產品，其品種多、數量大。嵌入式微處理器的發展速度很快，嵌入式系統已經廣泛地應用我們的生活的各個領域，例如：計算機、汽車、航天飛機等等。對于下一代微處理器 ,任何人都可以這樣預測 :集成度越來越高、主頻越來越高、機器字長越來越大、總線越來越寬、同時處理的指令條數越來越多……事實證明，二十多年來嵌入式微處理器正是按照這樣的規律向前發展的。

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