嵌入式系統的發(fā)展特點(diǎn)及架構詳解

隨著(zhù)電子產(chǎn)品的發(fā)展，嵌入式系統已經(jīng)廣泛地應用我們的生活的各個(gè)領(lǐng)域，例如：計算機、汽車(chē)、航天飛機等等。 提到嵌入式系統首先聯(lián)想到單片機，是的，MCU是最基礎和常用的嵌入式系統。嵌入式系統與模擬電路或其他功能電路組成的SoC（System on Chip，片上系統）或SiP（System in Package，系統級封裝）在手機、機頂盒等功能復雜的產(chǎn)品中的應用也越來(lái)越多。

嵌入式系統發(fā)展呈現如下特點(diǎn)：由8位處理向32位過(guò)渡 ·由單核向多核過(guò)渡 ·向網(wǎng)絡(luò )化功能發(fā)展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進(jìn) ·嵌入式操作系統呈多元化趨勢 所有的嵌入式處理器都是基于一定的架構的，即IP核（Intellectual Property，知識產(chǎn)權），生產(chǎn)處理器的廠(chǎng)家很多，但擁有IP核的屈指可數。有自己的IP核，光靠賣(mài)IP核即可坐擁城池。 嵌入式系統的架構有專(zhuān)有架構和標準架構之分，在MCU（微控制器）產(chǎn)品上，像瑞薩（Renesas）、飛思卡爾（Freescale）、NEC都擁有自己得專(zhuān)有IP核，而其他嵌入式處理器都是基于標準架構。

標準的嵌入式系統架構有兩大體系，目前占主要地位的是所謂RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計算機）處理器。RISC體系的陣營(yíng)非常廣泛，從ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是屬于RISC處理器的范疇。不過(guò)這些處理器雖然同樣是屬于RISC體系，但是在指令集設計與處理單元的結構上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平臺上所開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)法直接為另一硬件平臺所用，而必須經(jīng)過(guò)重新編譯。

其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）處理器體系，我們所熟知的Intel的X86處理器就屬于CISC體系，CISC體系其實(shí)是非常低效率的體系，其指令集結構上背負了太多包袱，貪大求全，導致芯片結構的復雜度被極大的提升。過(guò)去被應用在嵌入式系統的X86處理器，多為舊世代的產(chǎn)品，比如說(shuō)，工業(yè)計算機中仍可常見(jiàn)數年前早已退出個(gè)人計算機市場(chǎng)的Pentium3處理器。由于此世代的產(chǎn)品效能與功耗比可以說(shuō)是過(guò)去X86體系的甜蜜點(diǎn)，加上已經(jīng)被市場(chǎng)長(cháng)久驗證，穩定性高，故常被應用于效能需求不高，但穩定性要求高的應用中，如工控設備等產(chǎn)品。

1、RISC家族之ARM處理器

ARM 公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術(shù)的授權。目前，采用ARM技術(shù)智能財產(chǎn)（IP）核心的處理器，即我們通常所說(shuō)的ARM處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類(lèi)電子產(chǎn)品、通信系統、網(wǎng)絡(luò )系統、無(wú)線(xiàn)系統等各類(lèi)產(chǎn)品市場(chǎng)，基于A(yíng)RM技術(shù)的處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場(chǎng)，ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個(gè)方面，我們甚至可以說(shuō)，ARM于人類(lèi)的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。

目前市面上常見(jiàn)的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進(jìn)行開(kāi)發(fā)驗證，市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠(chǎng)商。ARM 首個(gè)多核心架構為ARM11 MPCore，架構于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份，為了進(jìn)一步提升效能，其管線(xiàn)長(cháng)度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發(fā)送、轉換/MAC1、執行/MAC2、內存存取/MAC3和寫(xiě)入等八個(gè)單元，體系上屬于 ARM V6指令集架構。ARM11采用當時(shí)最先進(jìn)的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來(lái)說(shuō)，這顯然是個(gè)相當驚人的程度，不過(guò)顯然1GHz在A(yíng)RM11體系中不算是個(gè)均衡的設定，因此幾乎沒(méi)有廠(chǎng)商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。

ARM11的邏輯核心也經(jīng)過(guò)大量的改進(jìn)，其中最重要的當屬“靜/動(dòng)態(tài)組合轉換的預測功能”。ARM11的執行單元包含一個(gè)64位、4種狀態(tài)的地址轉換緩沖，它主要用來(lái)儲存最近使用過(guò)的轉換地址。當采用動(dòng)態(tài)轉換預測機制而無(wú)法在尋址緩沖內找到正確的地址時(shí)，靜態(tài)轉換預測功能就會(huì )立刻接替它的位置。在實(shí)際測試中，單純采用動(dòng)態(tài)預測的準確率為88%，單純采用靜態(tài)預測機制的準確率 只有77%，而ARM11的靜/動(dòng)態(tài)預測組合機制可實(shí)現92%的高準確率。針對高時(shí)脈速度帶來(lái)功耗增加的問(wèn)題，ARM11采用一項名為“IEM （Intelligent Energy Manager）”的智能電源管理技術(shù)，該技術(shù)可根據任務(wù)負荷情況動(dòng)態(tài)調節處理器的電壓，進(jìn)而有效降低自身的功耗。這一系列改進(jìn)讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時(shí)為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到 660 Dhrystone MIPS，遠超過(guò)上一代產(chǎn)品。 至于A(yíng)RM11 MPCore，其在架構上與ARM11同樣屬于 V6指令體系。根據不同應用的需要，MPCore可以被配置為1-4個(gè)處理器的組合方式，根據官方資料，其最高性能約可達到 2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標準的同質(zhì)多核心處理器，組成MPCore的是4個(gè)基于A(yíng)RM11架構的處理器核心，由于多核心設計的優(yōu)點(diǎn)是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務(wù)應用中擁有良好的表現，這一點(diǎn)很適合未來(lái)家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個(gè)頻道電視節目的同時(shí)，還可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)收看數字視頻點(diǎn)播節目、車(chē)內導航系統在提供導航功能的同時(shí)，仍然有余力可以向后座乘客播放各類(lèi)視頻碼流等。

2、RISC家族之MIPS處理器

MIPS是美國歷史悠久的RISC處理器體系，其架構的設計，也如美國人的性格一般，相當的大氣且理想化。MIPS架構起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學(xué)和伯克利大學(xué)同時(shí)開(kāi)始RISC架構處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，隨后在 1986年推出第一款R2000處理器，在1992年時(shí)被SGI所并購，但隨著(zhù)MIPS架構在桌面市場(chǎng)的失守，后來(lái)在1998年脫離了SGI，成為MIPS技術(shù)公司，并且在1999年重新制定 公司策略，將市場(chǎng)目標導向嵌入式系統，并且統一旗下處理器架構，區分為 32-bit以及64-bit兩大家族，以技術(shù)授權成為主要營(yíng)利模式。

MIPS除了在手機中應用得比例極小外，其在一般數字消費性、網(wǎng)絡(luò )語(yǔ)音、個(gè)人娛樂(lè )、通訊、與商務(wù)應用市場(chǎng)有著(zhù)相當不錯的成績(jì)，不過(guò)近年來(lái)因為其它IP授權公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應用最為廣泛的應屬家庭視聽(tīng)電器（包含機頂盒）、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車(chē)電子方面。 對于MIPS，其核心技術(shù)強調的是多執行緒處理能力（Multiple issue，國內也通常稱(chēng)作多發(fā)射核技術(shù)，以下以此稱(chēng)謂）。一般來(lái)說(shuō)，多核心與多發(fā)射是兩個(gè)并不是互斥的體系，可以彼此結合，然而在嵌入式領(lǐng)域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠(chǎng)商對這兩個(gè)架構的態(tài)度不同，造成這兩個(gè)架構在嵌入式市場(chǎng)上對抗的結果。