最经典的嵌入式系统结构概述

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1、嵌入式处理器的主要特点 2.1 嵌入式微处理器的优点 2.1.1 低功耗 2.1.2 功能丰富 2.1.2 其他 2.2 嵌入式微处理器的特点 三 常用处理器概况 3.1 处理器分类现状 3.1.1 嵌入式微处理器 (Embedded Microprocessor Unit, EMPU) 3.1.2 嵌入式微控制器 (Microcontroller Unit, MCU) 3.1.3 嵌入式 DSP 处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP) 3.1.4 嵌入式片上系统(System On Chip) 3.2 处理器的主要参数 3.2.1 主频 3.

2、2 处理器的缓存 四 处理器比较 4.1 嵌入式控制器和嵌入式处理器的比较 4.2 常见处理器简介及特点 4.2.1 ARM 处理器 4.2.2 MIPS 4.2.3 Power PC 4.2.4 X86 4.2.5 DSP 4.3 应用领域 4.3.1 ARM 4.3.2 MIPS 4.3.3 PowerPC 4.3.4 X86 4.3.5 DSP随着数字信息技术和网络技术高速发展，嵌入式系统已经广泛地渗透到科学研究、工程设 计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们的日常生活等方方面面中。国内外各种 嵌入式产品进一步开发和推广，嵌入式技术越来越和人们的生活紧密结合。嵌入式系统的 核心部件

3、是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，目前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 16-32MB，处理速度从 O.IMIPS 到 2000MIPS, 常 用封装从 8 个引脚到 144 个引脚。 嵌入式开发人员面临的主要挑战是如何选择一款最合适的处理器，既不会为了提高性能

4、而 超过预算，又不会牺牲功能特性。理想的嵌入式解决方案是： 选择最合适的 CPU、外设 和接口；现场远程更新，保持竞争，满足需求的变化；不必改动电路板设计，提升性能 针对需要的功能进行加速；避免处理器和 ASSP 过时的风险；将多种功能在一个芯片中 实现，降低了总成本、复杂度和功耗。市场上常见的主流处理器结构有 ARM，POWERPC，X86，MIPS，DSP 等，本文将对这些 类型处理器的综合性能进行比较研究。二 嵌入式处理器的主要特点 嵌入式微处理器与普通台式计算机的微处理器设计在基本原理上是相似的，但是工作稳定 性更高，功耗较小，对环境 (如温度、适度、电磁场、振动等)的适应能力强，体积

5、更小， 且集成的功能较多。在桌面计算机领域，对处理器进行比较时的主要指标就是计算速度， 从 33MHz 主频的 386 计算机到现在 3GHz 主频的 Pentium 4 处理器，速度的提升是用户最 主要关心的变化，但在嵌入式领域，情况则完全不同。嵌入式处理器的选择必须根据设计 的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封装形式、SoC 程度、成本、商业考虑等等诸多因 素之中进行折中，择优选择。 2.1 嵌入式微处理器的优点 2.1.1 低功耗 低功耗是嵌入式处理器的重要特点之一，反之也正是嵌入式系统广泛的应用需求促进了低 功耗处理器技术的不断发展。为降低微处理器的能耗，一方面可以采用更新的技术工艺生

6、 产更小工艺尺寸的芯片，从而通过降低芯片的工作电压来降低功耗:另一方面是采用低功耗 的体系结构设计，如 ARM 系列的处理器; 或者改进半导体技术，减小芯片中每个 CMOS 单元的漏电流:此外还可以通过让芯片内暂时不用的功能部件休眠或关闭以降低总体的能量 消耗。现在一些常见的用于移动设备的嵌入式微处理器的功耗一般都在瓦以下 (台式计算 机中的 CPU 往往是几十瓦甚至 100 瓦以上) ，而且许多嵌入式微处理器都具备动态电压改 变的能力，可以在负载较低的情况下降低电压工作，甚至进入休眠状态，减少能耗，延长 设备持续工作时间。 2.1.2 功能丰富 功能丰富是嵌入式处理器的另一个重要特点。PC

7、机平台上处理器都要通过北桥和南桥芯片 与计算机中其他部件相连，但在嵌入式系统中，许多外设控制器都被直接集成在芯片内部， 这样不但缩小了电路板的面积，节约了成本，而且提高了系统的可靠性。将多种外围设备 控制器 (如串口、以太网控制器、LCD 控制器等) 以及部分存储系统 (如 Cache, SRAM, DRAM. EEPROM.Flash) 集成在芯片内部，由于在芯片内部可以很容易地实现更宽的总线， 因此这样的集成设计还可以在一定程度上提高系统的性能。 2.1.2 其他 此外，性能、封装形式、成本、供货周期、技术支持力度等因素也对嵌入式处理的选择具 有重要影响。 2.2 嵌入式微处理器的特点 l

8、 、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 内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2、 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，而为了 避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利 于软件诊断。 3、可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4、 嵌入式微处理器必须功耗很低，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更是如此级。 三 常用处理器概况 嵌入式处理器的应用主要包括两个部分，一部分是工业应用，比如:自动化流水线、核

9、电站 的自动报警系统及应急处理等，这部分对处理器的实时响应、稳定性的要求一般来说比较高.另一部分是生活应用，比如:智能手机、PDA、信息家电和个人汽车上的自动控制等，无 处不用到嵌入式处理器，它们对处理器的性能要求也越来越高。因此，如何评估嵌入式处 理器的性能是一个重要的课题。 3.1 处理器分类现状 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

10、 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。 3.1.1 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

11、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、

12、MIPS、ARM 系列等。 3.1.2 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

13、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，因此称为微控制器。 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

14、 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。 3.1.3 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

15、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) TRICOR。 推动嵌入式 DSP 处理器发展的另一个因素是

16、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。 3.1.4 嵌入式片上系统(System On Chip