嵌入式处理器

1、ARM嵌入式系统嵌入式系统通信通信1101、1102、1103ARM嵌入式系统教程嵌入式系统教程第3讲 嵌入式处理器 嵌入式处理器嵌入式处理器 嵌入式处理器的基本特征嵌入式处理器的基本特征 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 嵌入式处理器的选型方法嵌入式处理器的选型方法 嵌入式处理器的发展趋势嵌入式处理器的发展趋势相对通用处理器，嵌入式处理器有相对通用处理器，嵌入式处理器有5个特点个特点 体积小、集成度高、价格较低体积小、集成度高、价格较低 这一特性与嵌入式系统的有限空间约束和较低的成本价格需求相适应这一特性与嵌入式系统的有限空间约束和较低的成本价格需求相适

2、应 可扩展的处理器结构可扩展的处理器结构 能迅速开发出满足各种应用的最高性能嵌入式系统能迅速开发出满足各种应用的最高性能嵌入式系统 功耗很低功耗很低 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统时，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统时，要求嵌入式处理器的功耗只有要求嵌入式处理器的功耗只有mW甚至甚至W级级1 1 嵌入式处理器基本特征嵌入式处理器基本特征1 1 嵌入式处理器基本特征嵌入式处理器基本特征 对实时多任务有很强的支持能力对实时多任务有很强的支持能力 能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时能完成多任务并且有较

3、短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度内核的执行时间减少到最低限度 具有功能很强的存储区保护功能具有功能很强的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为避免在软件模块之间出这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，为避免在软件模块之间出现错误后的交叉影响，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于现错误后的交叉影响，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。软件诊断。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 对全球嵌入式处理器的不完全统计：对全球嵌入式处理器的不完全统计：品种数量超过品种数量超过1000多种多种流行的体系结构达流行的体系结构

4、达30余种余种总体而言，嵌入式处理器分为四大类型：总体而言，嵌入式处理器分为四大类型： 图图 嵌入式处理器种类嵌入式处理器种类 2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 1. 嵌入式微处理器嵌入式微处理器 (Micro-Processor Unit，MPU) 由通用计算机由通用计算机中的中的CPU演变而来演变而来 MPU与通用计算机中的与通用计算机中的CPU不同之处不同之处 在嵌入式应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，在嵌入式应用中，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紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，

5、这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。殊要求。 为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在工作为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机中的温度、抗电磁干扰、可靠性等方面相对通用计算机中的CPU都做了各种增强。都做了各种增强。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 2. 嵌入式微控制器嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit，MCU)， 典型的为典型的为单片机单片机 MCU特点特点 单片化单片化 一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集成了一般以某种微

6、处理器内核为核心，芯片内部集成了ROM/EPROM/FLASH 、RAM 、总线、总线逻辑、定时总线、总线逻辑、定时/ 计数计数器、看门狗、器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A等各种必等各种必要的功能和外设。要的功能和外设。 由于单片机的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此由于单片机的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称为微控制器称为微控制器 。 该特点大大减小了体积，降低了功耗和成本，提高了可靠性，该特点大大减小了体积，降低了功耗和成本，提高了可靠性，因而成为目前嵌入式系统的主流，占据了嵌入式系统大约因而成为目前嵌入式系统的主流，占据了

7、嵌入式系统大约70%的市场份额。的市场份额。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 每种具有多种衍生产品每种具有多种衍生产品 每种衍生产品的处理器内核一样，不同的是存储器和每种衍生产品的处理器内核一样，不同的是存储器和外设的配置及封装外设的配置及封装 使嵌入式微控制器最大限度地与不同的应用需求相匹使嵌入式微控制器最大限度地与不同的应用需求相匹配，功能齐全又不浪费，减少了功耗及成本配，功能齐全又不浪费，减少了功耗及成本 2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 其它其它 提供提供X86微处理器的著名厂商微处理器的著名厂商AMD公司，将公司，将 Am186CC/ CW 等嵌入式处理器称之

8、为等嵌入式处理器称之为 Microcontroller Motorola 公司把以公司把以 PowerPC为基础的为基础的 PPC505 和和 PPC555 亦列入单片机行列亦列入单片机行列 TI 公司亦将其公司亦将其 TMS320C2XXX 系列系列DSP作为作为 MCU 进进行推广行推广 2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 3. 嵌入式嵌入式 DSP 处理器处理器 (Digital Signal Procssor， DSP ) DSPDSP特点特点 系统结构系统结构 采用采用HarvardHarvard（哈佛）结构和专用的硬件乘法器哈佛）结构和专用的硬件乘法器 指令系统指令系统快

9、速快速DSPDSP指令（属指令（属RISCRISC精简指令集）精简指令集）适合于对处理器运算速度要求较高、向量运算较多的应用适合于对处理器运算速度要求较高、向量运算较多的应用领域。领域。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 DSP典型应用典型应用 数字信号处理领域数字信号处理领域 数字滤波、快速傅立叶变换、频谱分析等方面数字滤波、快速傅立叶变换、频谱分析等方面 多媒体信号处理多媒体信号处理 移动电话、语音识别移动电话、语音识别 MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等多媒体播放系统等多媒体播放系统 智能化嵌入式系统智能化嵌入式系统 生物特征识别的终端生物特征识别的终端 带有加密解密算

10、法的键盘等带有加密解密算法的键盘等2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 DSP种类种类 一种是一种是DSP处理器经过单片化、适当改造、增加片上外设处理器经过单片化、适当改造、增加片上外设而成。而成。 例如：例如：TI的的TMS320，它，它包括用于控制的包括用于控制的C2000系列、移动通信的系列、移动通信的C5000系列、以及性能更高的系列、以及性能更高的C6000和和C8000 系列系列 另一种是在通用单片机或另一种是在通用单片机或 SOC(System On Chip) 中增加中增加DSP协处理器。协处理器。 例如：例如：Intel 的的 MCS-296 和和 Siemens的的

11、TriCore 。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 4. 嵌入式片上系统嵌入式片上系统 随着电子数据交换随着电子数据交换 (EDI) 的推广和的推广和VLSI设计的普及化，以及半导体工艺设计的普及化，以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经来临，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经来临，这就是这就是 System On Chip(SOC) 2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 SOC设计制造设计制造 各种通用处理器内核（包括各种通用处理器内核（包括IP核）将作为核）将作为SOC设计公司的设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统

12、外设一样，成为标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计设计中一种标准器件，用标准的中一种标准器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件等语言描述，存储在器件库中库中 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计图交给半导体工厂制作样品2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 SOC优点优点 系统级集成、体积减小系统级集成、体积减小一个或多个微处理器核（如一个或多个微处理器核（如RISC+DSP）输入）输入/输出输出USB/IEEE 1394/以太网以太网/GSM/GPRS等通信接口。等通信接

13、口。 功耗降低功耗降低 通过改变内部工作电压。通过改变内部工作电压。 可靠性提高可靠性提高利用内嵌电路，避免外部电路板在信号传利用内嵌电路，避免外部电路板在信号传 递时产生的系统噪递时产生的系统噪声。声。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 SOC种类种类 通用系列通用系列 包括包括 Siemens的的TriCore、Motorola 的的M-Core、某些某些 ARM 系列器件、系列器件、Echelon和和Motorola 联合研制的联合研制的Neuron芯片芯片等。等。 专用系列专用系列代表性的产品是代表性的产品是Philips的的Smart XA，它将，它将XA单片机内核单片机内

14、核和支持超过和支持超过2048位复杂位复杂RSA算法的算法的CCU单元制作在同一块硅片单元制作在同一块硅片上，形成一个可加载上，形成一个可加载 Java 或或C语言专用语言专用 SOC，可用于公众互，可用于公众互如如Internet安全方面。安全方面。2 2 嵌入式处理器的种类嵌入式处理器的种类 多核系列多核系列 例：例：TI的的OMAP 组成组成TI的的DSPARM的的ARM RISC两个核两个核二维图形加速器二维图形加速器外围控制电路外围控制电路 应用领域应用领域 多媒体影音数据处理、语音识别系统、无限通讯、电子商务等多媒体影音数据处理、语音识别系统、无限通讯、电子商务等2 2 嵌入式处理

15、器的种类嵌入式处理器的种类 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 8051单片机单片机 ARM 68K/Coldfire PowerPC MIPS X86 国产嵌入式处理器国产嵌入式处理器 18051单片机单片机 经典的经典的8位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但功能、性位嵌入式微控制器，成本低、可靠性高，但功能、性能和片上资源相对能和片上资源相对16位位/32位位/64位嵌入式微控制器也较简单。位嵌入式微控制器也较简单。 最早由最早由Intel公司推出，其后多家公司购买了公司推出，其后多家公司购买了8051的内核，使的内核，使得以得以8051为内核的为内核的MCU系列单片机在世界上产量

16、最大、应用系列单片机在世界上产量最大、应用也最广泛（也最广泛（20个生产厂家，个生产厂家，350个衍生产品）。个衍生产品）。 常见型号包括：常见型号包括：Intel的的MCS-51系列、系列、Atmel 的的89C51/52、89C1051/2051 。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 2ARM ASIC与与IP ASIC:专用集成电路专用集成电路 (Application Specific Integrated Circuit） IP: 知识产权知识产权 (Intellectual Property） 或称为或称为SIP（硅（硅/半导体知识产权半导体知识产权 ) 指芯片电指芯片电 路

17、的制作方路的制作方式或电路图等方面的知识产权。式或电路图等方面的知识产权。 厂商向拥有技术的厂商向拥有技术的IP Provider直接购买直接购买IP 以缩短以缩短Time-to-Market。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 ARM（Advanced RISC Machines）公司）公司 英国公司英国公司 90年代初，年代初，ARM率先推出率先推出32位位RISC微处理器芯片系统微处理器芯片系统SoC知识产权公开授权概念。知识产权公开授权概念。 ARM通过出售芯片技术授权而非生产或销售芯片，建通过出售芯片技术授权而非生产或销售芯片，建立起新型的微处理器设计生产和销售商业模式。立起新

18、型的微处理器设计生产和销售商业模式。 IP Provider：出售：出售ARM RISC构架的微处理器核心、外构架的微处理器核心、外围和系统芯片设计技术。围和系统芯片设计技术。 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 ARM内核及内核及ARM处理器的特点处理器的特点 小体积、低功耗、高性能而低成本小体积、低功耗、高性能而低成本 RISC(Reduced Instruction Set Computer )体系结构体系结构 目前：目前：ARM7 ￥ 70，ARM9 ￥ 100 16/32位双指令集位双指令集 16位位Thumb指令集：密度高，所占存储空间较小指令集：密度高，所占存储空间较小 3

19、2位的位的ARM指令集：处理指令集：处理32位数据时性能较高位数据时性能较高 全球众多的合作伙伴（见下图）全球众多的合作伙伴（见下图）3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 图图2-3 ARM全球合作伙伴全球合作伙伴 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 ARM产品系列产品系列包括包括ARM7、ARM9、ARM10和和SecurCore、StrongARM、XScale等等 ARM7：低功耗的：低功耗的32位核，适用于对价位和功耗敏感的产品。位核，适用于对价位和功耗敏感的产品。 ARM9：集成度较高，集成了：集成度较高，集成了TFT LCD控制器

20、、控制器、USB Host以以及各种存储卡接口，其功能已相当于嵌入式微控制器。及各种存储卡接口，其功能已相当于嵌入式微控制器。 SecurCore：是专为安全需要而设计：是专为安全需要而设计 XScale ：Intel目前主要推广的一款目前主要推广的一款ARM微处理器系统，提微处理器系统，提供较强的多媒体功能和网络通讯功能。供较强的多媒体功能和网络通讯功能。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 ARM应用领域应用领域已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的入式解决方案的RISC标准。标准。 例：例： PDA:Compaq的的iPAQ

21、 H3630、HP的的Jornada 720、联想的天玑联想的天玑5100均采用均采用Intel的的StrongARM SA-1110（206MHz） 移动通信：移动通信：HP iPAQ hw6515 GPS 全智能手机采全智能手机采用用Intel的的PXA270处理器（处理器（312MHz ）3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 368K/Coldfire Motorola 68000(68K)比比INTEL的的8088还要早。还要早。Coldfire是是68K的低成本替的低成本替代产品代产品 68K/Coldfire主要应用于对实时性和可靠性要求较高的工业控制领域主要应用于对实时性和可

22、靠性要求较高的工业控制领域 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 4PowerPC PowerPC架构的特点是可伸缩性好，方便灵活架构的特点是可伸缩性好，方便灵活 品种多，通用处理器品种多，通用处理器&嵌入式控制器和内核嵌入式控制器和内核 例如例如 IBM公司的公司的PowerPC 405 GP是一个集成是一个集成10/100Mbps以太网以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其它外设的高性能嵌入式处理器性能嵌入式处理器 Motorola MPC823e微处理器是一个高度综合的片上系统微处理器是一个高度综合的片上系统（SOC）设备。）

23、设备。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 PowerPC应用范围应用范围非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统，从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。从消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 5MIPS MIPS公司公司Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages技术公技术公司，是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式司，是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和位和64位处理位处理器的厂商，在器的厂商，在RISC处理器方面占有重

24、要地位。处理器方面占有重要地位。MIPS公司设计公司设计RISC处理器始于处理器始于80年代初，后来年代初，后来MIPS公司的战略发生变化，公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统，把重点放在嵌入式系统，1999年年MIPS公司发布公司发布MIPS 32和和MIPS 64架构标准，为未来架构标准，为未来MIPS处理器的开发奠定了基础处理器的开发奠定了基础 。3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 MIPS特点特点 属于高性能、高处理能力的高端嵌入式处理器。属于高性能、高处理能力的高端嵌入式处理器。 目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵。目前其成本价格和开发工具价格也很昂贵。 3 3 典型嵌入

25、式处理器典型嵌入式处理器 6X86 众所周知的微处理器，起源于众所周知的微处理器，起源于Intel架构的架构的8080。 常见的常见的X86系列有系列有386EX和和486DX，板级形式如，板级形式如PC104。 特点：特点：CPU处理能力很强，适用于高端应用领域。处理能力很强，适用于高端应用领域。 3 3 典型嵌入式处理器典型嵌入式处理器 7国产嵌入式处理器国产嵌入式处理器 方舟：方舟：(ARCA) 2001年年7月，中芯微系统公司研制出月，中芯微系统公司研制出“方舟一号方舟一号” 主要主要应用于网络计算机、宽带智能终端、交换机等，如神州数应用于网络计算机、宽带智能终端、交换机等，如神州数码

26、、联想、美国慧智公司等的网络计算机码、联想、美国慧智公司等的网络计算机 。与国外其它指。与国外其它指令集不兼容，不支持高级的令集不兼容，不支持高级的OS。 龙芯：龙芯：(GODSON ，小名狗剩小名狗剩) 2002年年9月月28号，中科院计算所研制。与号，中科院计算所研制。与MIPS有些渊源。有些渊源。 4 4 嵌入式处理器的选型方法嵌入式处理器的选型方法 主要包括以下主要包括以下4项选型原则：项选型原则： (1)根据具体应用领域选择根据具体应用领域选择MPU/MCU/DSP/ SoC中的一种。例如：中的一种。例如： 在高端数据处理应用领域，常选用嵌入式微处理器。在高端数据处理应用领域，常选用

27、嵌入式微处理器。 在实时控制领域，多选用嵌入式微控制器。在实时控制领域，多选用嵌入式微控制器。 在数字图像处理、多媒体信息设备等领域，往往选用嵌在数字图像处理、多媒体信息设备等领域，往往选用嵌入式入式DSP处理器或带有处理器或带有DSP内核的嵌入式片上系统内核的嵌入式片上系统 。 4 4 嵌入式处理器的选型方法嵌入式处理器的选型方法 (2)根据具体应用功能需求、性能指标、运行环境和成本预算根据具体应用功能需求、性能指标、运行环境和成本预算等查找厂商提供的该类嵌入式处理器芯片的等查找厂商提供的该类嵌入式处理器芯片的Datasheet等资料，等资料，选择芯片的具体型号和配置参数选择芯片的具体型号和配置参数。 4 4 嵌入式处理器的选型方法嵌入式处理器的选型方法 (3)关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评估板。关注生产厂商是否提供相应内置硬件调试工具和评估板。 ICE等调试工具有助于很大程度缩短调试周期、降低调试等调试工具有助于很大程度缩短调试周期、降低调试难度。难度。 评估板用于验证自己的选型决策是否正确。评估板用于验证自己的选型决策是否正确。 (4)对于对于32位及以上嵌入式处