嵌入式系統中的處理器技術(shù)綜述

摘　要：目的:闡述并總結嵌入式系統微處理器的特點(diǎn)、分類(lèi)、開(kāi)發(fā)技術(shù). 方法:給出相關(guān)定義,并和通用處理器進(jìn)行比較. 結果:歸納出了嵌入式微處理器的基本情況及發(fā)展趨勢. 結論: 嵌入式微處理器技術(shù)是一項很難被壟斷的技術(shù),也是一項在未來(lái)信息技術(shù)應用中非常有潛力的技術(shù),在此領(lǐng)域中應盡早形成自己的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)標準.

　　引言

　　嵌入式系統是將應用程序和操作系統與計算機硬件集成在一起的系統，它以應用為中心、以計算機技術(shù)為基礎、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。這種系統具有軟件代碼小，高度自動(dòng)化，響應速度快等特點(diǎn)，特別適合于要求實(shí)時(shí)的和多任務(wù)的體系。嵌入式設備是指應用了嵌入式系統的計算機設備。從某種意義上來(lái)講確實(shí)是大型計算設備的一個(gè)微縮，這一微縮肯定多少會(huì )帶來(lái)相對性能上的減弱。但正是這一體積的微縮帶給人們的方便卻是無(wú)法比擬的。擁有嵌入式設備，人們可以隨時(shí)隨地的閱覽電子書(shū)籍，預定機票，在任何一個(gè)陌生的城市都不會(huì )丟失，甚至可以在最短的時(shí)間內看到任何一部想看到的電影。

　　關(guān)于嵌入式設備的軟件開(kāi)發(fā)2001年IT產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)20億臺微型計算機。其中，95％將用于嵌入設備用途。因此，與其以每年上市的1億5000萬(wàn)臺網(wǎng)絡(luò )化計算機為研究對象，倒不如加大力度推進(jìn)80億臺嵌入設備的網(wǎng)絡(luò )化、將注意力放在制造與之相適應的軟件上來(lái)。美國英特爾公司研究部門(mén)的領(lǐng)導人DavidTennenhouse在舊金山召開(kāi)的ComputingContinuumConference會(huì )議上這樣說(shuō)道有關(guān)計算機的研究，比起1億5000萬(wàn)臺計算機，更應該加大8億臺嵌入微處理器設備的網(wǎng)絡(luò )化。構筑無(wú)論何時(shí)何地都可與網(wǎng)絡(luò )連接的環(huán)境以及開(kāi)發(fā)適應型軟件已成為當務(wù)之急。在仔細考察了國外嵌入式設備軟件現狀和國內的市場(chǎng)潛力后，嵌入式設備軟件將在國內掀起一場(chǎng)軟件革命！

　　1 嵌入式處理器技術(shù)

　　嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機之外的設備中提供添加的功能性的計算機芯片，它經(jīng)常用于控制和監控領(lǐng)域。

　　椐世界半導體貿易統計數據藍皮書(shū)中的審計報告顯示， 從單位銷(xiāo)售額角度看，象Intel公司的Pentium系統、Advanced Micro Devices公司的Athlon以及IBM和Motorola公司的PowerPC等處理器的市場(chǎng)份額只占世界市場(chǎng)的6％，余下的94％，即50億片芯片為嵌入式微處理器。據估計，平均每個(gè)美國家庭擁有大約60片內嵌式處理器。 一些嵌入式處理器是由桌面市場(chǎng)中傳下來(lái)的東西，即使對于今天的PC已經(jīng)過(guò)時(shí)，但對于處理功能要求較低的任務(wù)卻綽綽有余的芯片。過(guò)去驅動(dòng)象TRS-80 、Apple II和Commodore 64這類(lèi)早期PC的Z80和6502處理器現在仍是非常暢銷(xiāo)的產(chǎn)品。 甚至最低級的4位處理器的銷(xiāo)售量也遠遠超過(guò)象Pentium這類(lèi)32位處理器。老式的處理器也沒(méi)有淡出江湖：它們只是變?yōu)榍度胧搅恕?因此，嵌入式微處理器市場(chǎng)異乎尋常的廣闊。在PC市場(chǎng)的任何時(shí)刻，微處理器之間性能差距只有約3比1,目前速度最快的芯片以1GHz速度運行，而最慢的最常用的芯片的速度為333MHz。與此相比，僅就32位嵌入式微處理器來(lái)說(shuō)，其性能范圍為500比1。如果你在4位和8位嵌入式處理器中進(jìn)行比較的話(huà)，性能范圍為幾千比一。

　　隨著(zhù)這類(lèi)處理器體積越變越小，價(jià)格越來(lái)越便宜，功能越來(lái)越強大，它們將進(jìn)入到更多的設備和產(chǎn)品中?，F在，它們已經(jīng)存在于會(huì )唱歌的賀卡和測量行程的運動(dòng)鞋中。最終，由于毫微米技術(shù)的出現，它們將變得象原子那樣普通，并且幾乎象原子那樣小。

　　嵌入式系統的廣泛應用正是嵌入式微處理器具備以下4個(gè)特點(diǎn)：

　?、賹?shí)時(shí)多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應時(shí)間，從而使內部的代碼和實(shí)時(shí)內核心的執行時(shí)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(shí)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(kāi)展出滿(mǎn)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(wú)線(xiàn)及移動(dòng)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。

　　1.1 嵌入式處理器的種類(lèi)

　　目前據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經(jīng)超過(guò)1000多種，流行體系結構有30幾個(gè)系列，其中8051體系的占有多半。生產(chǎn)8051單片機的半導體廠(chǎng)家有20多個(gè)，共350多種衍生產(chǎn)品，僅Philips就有近100種?，F在幾乎每個(gè)半導體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,越來(lái)越多的公司有自己的處理器設計部門(mén)。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16-32MB，處理速度從0.1MIPS到 2000MIPS，常用封裝從8個(gè)引腳到144個(gè)引腳。根據其現狀，嵌入式計算機可以分成下面幾類(lèi)：

　?、?嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

　　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(zhuān)門(mén)設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿(mǎn)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。

　　和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線(xiàn)接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線(xiàn)、外設等安裝在一塊電路板上，稱(chēng)為單板計算機。如STD-BUS、PC104 等。近年來(lái)，德國、日本的一些公司又開(kāi)發(fā)出了類(lèi)似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。