嵌入式系統中的處理器技術(shù)綜述

　　對于一些設計者來(lái)說(shuō)，甚至這種靈活性還不夠用。他們可以找到某些公司，這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器內核的許可證。利用這類(lèi)內核，可以開(kāi)發(fā)出用于特殊目的的新機器級指令。 對于數字相機處理器而言，一條提高JPEG 圖像壓縮的指令具有很高的價(jià)值。 對于MP3音樂(lè )播放器來(lái)說(shuō)，一條加速音頻解壓縮的指令具有同樣的用處。然后， 定制的設計被交給“鑄造廠(chǎng)”進(jìn)行生產(chǎn)　　和通用計算機不同，嵌入式系統的硬件和軟件都必須高效率地設計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現更高的性能，這樣才能在具體應用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶(hù)的具體需求，對芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達到理想的性能；但同時(shí)還受用戶(hù)訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶(hù)是不一樣的，可能是一般用戶(hù)，行業(yè)用戶(hù)或單一用戶(hù)。

　　嵌入式處理器的發(fā)展也體現出穩定性，一個(gè)體系一般要存在8-10年的時(shí)間。一個(gè)體系結構及其相關(guān)的片上外設、開(kāi)發(fā)工具、庫函數、嵌入式應用產(chǎn)品是一套復雜的知識系統，用戶(hù)和半導體廠(chǎng)商都不會(huì )輕易地放棄一種處理器。

　　2.2 基于嵌入式處理器的嵌入式系統的開(kāi)發(fā)工具

　　嵌入式處理器是一個(gè)復雜的高技術(shù)系統,要在短時(shí)間內掌握并開(kāi)發(fā)出所有功能是很不容易的,而市場(chǎng)競爭則要求產(chǎn)品能夠快速上市,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開(kāi)發(fā)工具平臺。提高用戶(hù)和程序員的時(shí)間--投入回報率。面對成百上千種處理器,選擇是一個(gè)問(wèn)題，學(xué)習掌握處理器結構及其應用更需要時(shí)間,因此以開(kāi)發(fā)工具和技術(shù)咨詢(xún)?yōu)榛A的整體解決方案是迫切需要的。好的開(kāi)發(fā)工具除能夠開(kāi)發(fā)出處理器的全部功能以外,還應當是對用戶(hù)友好的。

　　目前嵌入式系統的開(kāi)發(fā)工具平臺主要包括下面幾類(lèi)：

　?、?實(shí)時(shí)在線(xiàn)仿真系統ICE(In-CircuitEmulator)

　　在計算機輔助設計非常發(fā)達的今天,實(shí)時(shí)在線(xiàn)仿真系統(ICE)仍是進(jìn)行嵌入式應用系統調試最有效的開(kāi)發(fā)工具。ICE首先可以通過(guò)實(shí)際執行,對應用程序進(jìn)行原理性檢驗,排除人的思維難以發(fā)現的設計邏輯錯誤。ICE的另一個(gè)主要功能是在應用系統中仿真微控制器的實(shí)時(shí)執行,發(fā)現和排除由于硬件干擾等引起的異常執行行為。此外,高級的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應用系統的實(shí)際狀態(tài)變化、微控制器對狀態(tài)變化的反應、以及應用系統

　　對控制的響應等以一種錄像的方式連續記錄下來(lái),以供分析,在分析中優(yōu)化控制過(guò)程。很多機電系統難以建立一個(gè)精確有效的數字模型,或是建立模型需要大量人力,這時(shí)采用ICE的跟蹤功能對系統進(jìn)行記錄和分析是一個(gè)快而有效的方法。

　　嵌入式應用的特點(diǎn)是和現實(shí)世界中的硬件系統有關(guān),存在各種異變和事先未知的變化,這就給微控制器的指令執行帶來(lái)了各種不確定性,這種不確定性只有通過(guò)ICE的實(shí)時(shí)在線(xiàn)仿真器才能發(fā)現,特別是在分析可靠性時(shí)要在同樣條件下多次仿真,以發(fā)現偶然出現的錯誤。

　　ICE不僅是軟件硬件排錯工具,同時(shí)也是提高和優(yōu)化系統性能指標的工具。高檔ICE工具(如美國NOHAU公司的產(chǎn)品)是可根據用戶(hù)投資裁剪功能的系統, 亦可根據需要選擇配置各種檔次的實(shí)時(shí)邏輯跟蹤器(Trace)、實(shí)時(shí)映象存儲器(Shadow RAM)及程序效率實(shí)時(shí)分析功能(PPA)。

　?、?高級語(yǔ)言編譯器(Compiler Tools)

　　C語(yǔ)言作為一種通用的高級語(yǔ)言,大幅度提高了嵌入式系統工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)間。另外，C語(yǔ)言便于移植和修改，使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是采用C語(yǔ)言編寫(xiě)的程序易于在不同的開(kāi)發(fā)者之間進(jìn)行交流,從而促進(jìn)了嵌入式系統開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。

　　區別于一般計算機中的C語(yǔ)言編譯器,嵌入式系統中的C語(yǔ)言編譯器要專(zhuān)門(mén)進(jìn)行優(yōu)化,以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統C編譯器代碼長(cháng)度和執行時(shí)間僅比以匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的同樣功能程度長(cháng)5-20%。編譯效率的不同,是區別嵌入式系統C編譯器之間性能差別的重要根據之一。而C編譯器殘余的5-10%效率差別,完全可以由現代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場(chǎng)來(lái)彌補。

　　新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲器空間也相應加大,已經(jīng)達到甚至超過(guò)了目前的通用計算機中的微處理器,為嵌入式系統工程采用過(guò)去一直不敢問(wèn)津的C+ +語(yǔ)言創(chuàng )造了條件。C++語(yǔ)言強大的類(lèi)、繼承等功能更便于實(shí)現復雜的程序功能。但是C++語(yǔ)言為了支持復雜的語(yǔ)法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為此,1995年初在日本成立的Embedded C++技術(shù)委員會(huì )經(jīng)過(guò)幾年的研究,針對嵌入式應用制訂了減小代碼尺寸的EC++標準。EC++保留了C++的主要優(yōu)點(diǎn),提供對C++的向上兼容性,并滿(mǎn)足嵌入式系統設計的一些特殊要求。在嵌入式高級語(yǔ)言編譯器方面處于領(lǐng)先地位的Tasking公司，是EC++技術(shù)委員會(huì )成員之一,也是最先推出EC++產(chǎn)品的公司。

　　C/C++/EC++引入嵌入式系統,使得嵌入式開(kāi)發(fā)和個(gè)人計算機、小型機等之間在開(kāi)發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)驗、方法乃至庫函數可以移植到嵌入式系統。在嵌入式開(kāi)發(fā)中采用高級語(yǔ)言,還使得硬件開(kāi)發(fā)和軟件開(kāi)發(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開(kāi)發(fā)不再必須精通系統硬件和相應的指令集匯編。

　　另一種高級語(yǔ)言JAVA的發(fā)展則具有戲劇性。JAVA本來(lái)是為設備獨立的嵌入式系統設計的、為了提高程序繼承性的語(yǔ)言，但是目前基于JAVA的嵌入式開(kāi)發(fā)工具代碼生成長(cháng)度要比嵌入式C編譯工具差10倍以上。因此EC++很可能在未來(lái)的一段時(shí)間內仍是嵌入式系統的主流。

　?、?源程序模擬器(Simulator)

　　源程序模擬器是在廣泛使用的、人機接口完備的工作平臺上,如小型機和PC,通過(guò)軟件手段模擬執行某種嵌入式處理器內核編寫(xiě)的源程序測試工具。簡(jiǎn)單的模擬器可以通過(guò)指令解釋方式逐條執行源程序,分配虛擬存儲空間和外設,供程序員檢查;高級的模擬器可以利用計算機的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價(jià)格差距巨大。模擬器軟件獨立于處理器硬件,一般與編譯器集成在同一個(gè)環(huán)境中,是一種有效的源程序檢驗和測試工具。但值得注意的是, 模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運行,在指令執行時(shí)間、中斷響應、定時(shí)器等方面很可能與實(shí)際處理器有相當的差別。另外它無(wú)法和ICE一樣,仿真嵌入式系統在應用系統中的實(shí)際執行情況。

　　3 結束語(yǔ)

　　嵌入式系統是將計算機直接嵌入到應用系統中，是信息技術(shù)的最終產(chǎn)品。嵌入式系統的核心就是嵌入式處理器。嵌入式系統是信息產(chǎn)業(yè)走向二十一世紀知識經(jīng)濟時(shí)代的最重要的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)之一，這是一個(gè)不可壟斷的工業(yè),對中國的信息產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō)充滿(mǎn)了機遇和挑戰。世界這么廣大，充滿(mǎn)了多樣化，尤其是我們已經(jīng)進(jìn)入到后PC時(shí)代--無(wú)所不在的計算（nomadic computing）使嵌入式處理器將遍及我們能夠想象得到的各個(gè)角落，因此，每種處理器都有存在的理由，都有可伸展的方向。這一點(diǎn)應特別引起中國信息產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

　　隨著(zhù)我國的龍芯、北大眾志、方舟、星光、漢芯等處理器芯片的問(wèn)世，中國無(wú)芯的時(shí)代已經(jīng)過(guò)去。“軟件是大腦，芯片是心臟。”中國芯的意義不僅僅是中國有了自己的核心芯片，更重要的是中國也開(kāi)始參與了世界半導體競技場(chǎng)的角逐，這樣更有利于我國在21世紀更加主動(dòng)地、有利地、有效地分享嵌入式應用這塊大蛋糕。

　　但這個(gè)行業(yè)是一個(gè)充滿(mǎn)競爭的行業(yè)，科技、工程技術(shù)人員應該面對世界技術(shù)市場(chǎng)的變遷，迎頭趕上，早日形成在通用處理器、嵌入式處理器領(lǐng)域及其相關(guān)的軟件IC領(lǐng)域的核心技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，從而為我國的信息產(chǎn)業(yè)、為我國的早日的真正崛起做出應有的貢獻。