嵌入式處理芯片設計的新動(dòng)向和新設計方式(上)

　　盡管?chē)鴥纫延卸嗉夜净蚩蒲袉挝谎兄瞥隽艘恍┳灾靼鏅嗟?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/嵌入式">嵌入式微處理器，但是存在著(zhù)性能、功耗、軟件兼容性、價(jià)格等問(wèn)題，與國際水平還有較大的差距。根本原因是我們還是采用了傳統、過(guò)時(shí)的嵌入式微處理器的設計方式和體系結構，沒(méi)有自己創(chuàng )新的設計技術(shù)和體系結構?？梢哉f(shuō)，剛剛起步的國產(chǎn)嵌入式微處理器芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作迫切需要采用全新的嵌入式微處理器的設計技術(shù)和體系結構。

　　嵌入式微處理器的發(fā)展歷程

　　為了更好的了解嵌入式微處理器的發(fā)展趨勢，簡(jiǎn)要了解一下其發(fā)展過(guò)程是必要的。嵌入式微處理器誕生于20世紀70年代末，到目前，其間經(jīng)歷了SCM、MCU、網(wǎng)絡(luò )化、軟件硬化四大發(fā)展階段。

　　1.SCM階段：即單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)階段，主要是單片微型計算機的體系結構探索階段。Zilog公司Z80等系列單片機的“單片機模式”獲得成功，走出了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。

　　2.MCU階段：即嵌入式微控制器(Micro-Controller Unit，單片機)大發(fā)展階段，主要的技術(shù)方向是：為滿(mǎn)足嵌入式系統應用不斷擴展的需要，在芯片上集成了更多種類(lèi)的外圍電路與接口電路，突顯其微型化和智能化的實(shí)時(shí)控制功能。80C51微控制器是這類(lèi)產(chǎn)品的典型代表型號。

　　3.網(wǎng)絡(luò )化階段：隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，各個(gè)系統，不論是手持型還是固定式的嵌入式電子產(chǎn)品都希望能聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)。因此，網(wǎng)絡(luò )模塊集成于芯片上就成為了一個(gè)重要模塊。

　　4.軟件硬化階段：隨著(zhù)市場(chǎng)對CPU芯片產(chǎn)品的使用面越來(lái)越廣，對速度、性能等方面的要求越來(lái)越高，同時(shí)要求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間越來(lái)越短，而軟件功能和系統卻越來(lái)越復雜，要求實(shí)時(shí)處理的多媒體等大型文件的處理要求越來(lái)越多(如MP3、MP4播放器、GPS導航儀等)，以及手持型數字電視飛速發(fā)展的需要，有的還需要實(shí)時(shí)在線(xiàn)快速改變邏輯功能，尤其是對低功耗的需要越來(lái)越嚴，僅僅采用軟件的方式已遠遠不能滿(mǎn)足這些市場(chǎng)發(fā)展的實(shí)際需要。同時(shí)，隨著(zhù)半導體設計和加工技術(shù)的飛速發(fā)展以及設計水平的自動(dòng)化程度的提高，極大地降低了嵌入式微處理器芯片的設計難度。為軟件硬化的普及發(fā)展帶來(lái)了極大的促進(jìn)作用。

　　軟件硬件化思想的市場(chǎng)需求

　　我們看到越來(lái)越多的嵌入式微處理器集成了硬件的視頻處理邏輯、網(wǎng)絡(luò )處理邏輯、專(zhuān)用處理電路等等，不少公司已把語(yǔ)音、圖像功能也硬件化了，并集成到嵌入式微處理器中。甚至，有的微處理器為了滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò )化的需求，不僅在其上集成了網(wǎng)絡(luò )電路接口，更將TCP/IP協(xié)議也用硬件邏輯電路實(shí)現了。這樣就大大減輕了CPU和軟件開(kāi)發(fā)的難度和工作量。因為嵌入式微處理器與互聯(lián)網(wǎng)的連接越來(lái)越緊密了，需要處理多媒體信息的要求越來(lái)越強了。僅靠軟件其功耗和速度越來(lái)越不能滿(mǎn)足整個(gè)系統的要求了。

　　以前的嵌入式微處理器性能的提高，主要是依靠提高主頻或處理器的位數來(lái)實(shí)現。隨著(zhù)市場(chǎng)對性能和速度的要求越來(lái)越高，以及處理器設計技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展以及對整機功耗的限制，處理器突破性的性能提升還必須依賴(lài)處理器新的體系結構及軟件硬化等新的技術(shù)設計手段來(lái)實(shí)現。

　　傳統的通用計算機芯片體系結構和設計模式，如圖靈機只解決了可計算問(wèn)題，不關(guān)心計算的效率。而馮•諾依曼結構雖能有效地指導算法的設計，卻不能有效地指導微處理器芯片體系結構的設計。同時(shí)，目前計算機的評價(jià)系統也是越來(lái)越全面了。尤其是在評價(jià)一個(gè)嵌入式微處理器芯片或系統時(shí)，其技術(shù)指標不能只以幾個(gè)單一的性能指標來(lái)評定，而是轉向多方面的性能指標來(lái)評定。即不僅僅評定一個(gè)“高性能”方面就行了，而是要評定幾個(gè)方面，如“高性能，高效能，高兼容性、低功耗，低成本，易開(kāi)發(fā)”等等。(未完待續)