嵌入式系統中處理器的“群英會(huì )”

　　隨著(zhù)半導體、計算機和控制理論等技術(shù)的日新月異，在設計一個(gè)嵌入式系統的時(shí)候，可以用來(lái)選擇的處理器也越來(lái)越多。在筆者上大學(xué)的那時(shí)候，MCS-51單片機還在被作為一門(mén)重要的課程，多少感覺(jué)有一些高深莫測。然而十多年時(shí)間過(guò)去了，當初高端的DSP、ARM這樣的芯片已經(jīng)隨處可見(jiàn)，甚至帶有ARM硬核的FPGA產(chǎn)品，例如Xilinx的APSOC等也已經(jīng)廣泛推向了市場(chǎng)。

　　作為開(kāi)發(fā)設計人員，當然希望使用的處理器越強大越好，這樣往往不需要在性能要求和實(shí)際系統的限制中做出痛苦的折衷。但是在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品中，就需要綜合考慮到設計成本、產(chǎn)品的推出時(shí)間、性能要求等再做出選擇了，一些特定市場(chǎng)和特殊的應用會(huì )有一些更加額外的要求。所以為了更好地做出選擇，我們需要對現有的、常用的處理器各自的特點(diǎn)進(jìn)行一些總結、比較。

　　1.微控制器，即MCU，也有通俗的名字叫“單片機”，相信是大部分相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)入微機原理領(lǐng)域所接觸的第一類(lèi)處理器。他們可以通過(guò)軟件編程，通常情況下器件的封裝較小(老款DIP封裝的不算)，從低端的4位MCU，一直到8位、16位、32位甚至高端的64位，設計和制造廠(chǎng)商極多，其應用場(chǎng)合廣泛，從低端的二十元錢(qián)的固定電話(huà)，到高端的打印機都有涉及。MCU的編程靈活，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，開(kāi)發(fā)成本相對較低，是電機控制，電容式觸摸，測量，傳感，照明和能源的理想選擇。

　　2.ARM與通用處理器(GPP)是近幾年特別流行的嵌入式系統開(kāi)發(fā)所使用的處理器。其本質(zhì)是在A(yíng)RM公司授權的運算核心的基礎上，被不同的制造廠(chǎng)商進(jìn)行功能的定制，加入了多種多樣的片上外設、存儲器等，并針對特定的應用加入擴展結構以提高效率，例如大名鼎鼎的NEON技術(shù)，專(zhuān)門(mén)對多媒體應用領(lǐng)域實(shí)現了增強的功能。

　　ARM的開(kāi)發(fā)也較為簡(jiǎn)單靈活，并且有龐大的代碼庫，極大地方便了開(kāi)發(fā)。并且往往提供了豐富的人機界面，并且可以運行高級的實(shí)時(shí)操作系統，例如Linux甚至Windows8等。這些年智能手機、平板電腦的大熱與ARM的迅速發(fā)展也是離不開(kāi)的。其應用領(lǐng)域也較為廣泛，從音視頻、多媒體、通信到工業(yè)應用都能見(jiàn)到它的身影。除去經(jīng)典的ARM7、9、11外，目前主要有3大系列，包括Cortex™-A系列-開(kāi)放式操作系統的高性能處理器、Cortex-R系列-面向實(shí)時(shí)應用的卓越性能、Cortex-M系列-面向具有確定性的微控制器應用的成本敏感型解決方案。

　　3.數字信號處理器(DSP)是數字革命的基礎(TI語(yǔ))。從工業(yè)控制、手機，音頻和視頻播放器、電話(huà)基礎設施、無(wú)線(xiàn)基站，甚至生物辨識安全設備都有廣泛的應用。與通用處理器(GPP)相比，DSP針對相關(guān)的信號處理過(guò)程進(jìn)行了深度優(yōu)化，從而有效減少了信號處理所需要的指令數。換言之，其指令的效能大大提高了，所以MIPS作為指標來(lái)衡量其性能往往是不充分的。DSP的可編程靈活性使開(kāi)發(fā)人員能夠在軟件中實(shí)現復雜的算法，例如針對一個(gè)H.264視頻編解碼器，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件升級，就可以輕松處理不同的分辨率，可以實(shí)現新的編解碼器和標準，因為不需要重新設計硬件。綜合考慮到功耗、性能、靈活性和上市時(shí)間，目前客戶(hù)正在轉向越來(lái)越實(shí)惠，低功耗的多核DSP。在數字信號處理器核心的基礎上也可以加入多種多樣的外設，例如TI的C2000系列，雖然目前被官方先后歸類(lèi)為DSC和MCU，但其仍然是一個(gè)有著(zhù)強大的數字信號處理器核心的工業(yè)控制器。

　　4.應用專(zhuān)用集成電路(ASIC)和專(zhuān)用標準產(chǎn)品(ASSP)是完全定制的芯片，完全根據需求進(jìn)行定制，可以發(fā)揮最大的效能，但是其靈活性和上市時(shí)間是最弱的，設計也極為復雜，如果流片失敗，損失也是巨大的，所以只有少數實(shí)力雄厚的廠(chǎng)家才會(huì )使用，且輕易不會(huì )進(jìn)行更改，這樣就造成其一般無(wú)法適應快速變化的產(chǎn)品需求。當然在一些長(cháng)期運行并且不到萬(wàn)不得已不會(huì )停機更換的場(chǎng)合，還是可以見(jiàn)到很多ASIC的身影的，例如一些運行了幾十年的工控系統里面就可以找到它們。

　　5.現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件可以提供與ASIC的接近的性能(因為大部分功能可以采用硬件邏輯電路來(lái)實(shí)現)，其編程的靈活性和復雜性則介于A(yíng)SIC與其它處理器之間。FPGA的應用也極為廣泛，從實(shí)現一些簡(jiǎn)單的邏輯，到一些極高性能的信號處理平臺都有設計。一些高端的FPGA還被用作開(kāi)發(fā)ASIC所使用的原型系統。因為采用硬件電路且并行執行，在不考慮容量的情況下其性能要比DSP強大，但在目前其成本則一般沒(méi)有優(yōu)勢。近兩年來(lái)出現了帶有ARM硬核/多核的FPGA芯片，例如Xilinx的APSOCZYNQ系列等，其作為上述一些處理器的綜合體，其性能和靈活性都是較為強大的，如果價(jià)格能夠降低到更低的水平，則也將有著(zhù)更加廣泛的應用前景。