【正文】 第 2章　嵌入式處理器 第 2章嵌入式處理器 引言 嵌入式處理器概述思考與練習(xí)題 第 2章　嵌入式處理器 引 言 　　本章以 ARM處理器為例來介紹嵌入式處理器。在概要介紹處理器背景知識的基礎(chǔ)上，主要內(nèi)容偏重于介紹處理器的指令系統(tǒng)和基于處理器的編程基礎(chǔ)?，F(xiàn)代處理器的設(shè)計(jì)大都采用了諸如 流水線 、 高速緩存 、 超標(biāo)量執(zhí)行 、 低功耗設(shè)計(jì) 等技術(shù)，而指令系統(tǒng)是用戶和處理器的主要接口，用戶也可以通過指令系統(tǒng)來了解處理器內(nèi)部的各種優(yōu)點(diǎn)。雖然現(xiàn)在絕大多數(shù)程序都是采用高級語言編寫的，然而在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，還是有一些代碼需要使用匯編語言來編寫。對于嵌入式系統(tǒng)的程序員而言，在匯編編程等級上的抽象也是非常重要的。適當(dāng)?shù)厥褂脜R編語言，可以提高系統(tǒng)性能。 第 2章　嵌入式處理器 嵌入式處理器的分類　　 1． 嵌入式微控制器　　 嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。 從 20世紀(jì) 70年代末單片機(jī)出現(xiàn)到今天，這種 8位的芯片在嵌入式系統(tǒng)設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用，常見的有 8051。 嵌入式微控制器將 CPU、 存儲器 (少量的 RAM、 ROM或兩者都有 )和其他外設(shè)封裝在同一片集成電路里，因?yàn)槠淦贤庠O(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，所以稱為微控制器。 嵌入式處理器概述第 2章　嵌入式處理器 　　與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點(diǎn)是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本降低，可靠性提高。由于微控制器低廉的價(jià)格、優(yōu)良的性能，因此擁有的品種和數(shù)量最多，是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。 比較有代表性的通用系列包括 805 C166/16 MCS25 MCS96/196/29 P51XA、 MC 68HC05/11/12/1 68300等 。另外，還有許多半通用系列，如支持 USB接口的 MCU 8XC930/93 C5 C541， 支持 I2C、CAN、 LCD的眾多專用 MCU和兼容系列。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 2．嵌入式微處理器　 　 嵌入式微處理器是由通用計(jì)算機(jī)中的 CPU演變而來的。但與計(jì)算機(jī)處理器不同的是，在實(shí)際應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)是將微處理器裝配在專門設(shè)計(jì)的電路板上，只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，這樣可以滿足嵌入式系統(tǒng)體積小、功耗低的特殊要求?！　∨c工業(yè)控制計(jì)算機(jī)相比， 嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低和可靠性高的優(yōu)點(diǎn) 。 目前的嵌入式微處理器主要有 Am186/8 386EX、 PowerPC、 ARM、 MIPS、 Motorola 68K等 。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 3．嵌入式 DSP　　 嵌入式 DSP是專門用于信號處理的嵌入式芯片。 DSP處理器在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令算法方面進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行 DSP算法，因而能夠?qū)﹄x散時(shí)間信號進(jìn)行極快的處理計(jì)算，提高了編譯效率和執(zhí)行速度。 在數(shù)字濾波、 FFT、頻譜分析等方面，嵌入式 DSP獲得了大規(guī)模的應(yīng)用。 第 2章　嵌入式處理器 　　在應(yīng)用的早期， DSP算法功能是在通用微處理器中以普通指令實(shí)現(xiàn)的，而在目前的嵌入式應(yīng)用中，通過采用嵌入式 DSP處理器來實(shí)現(xiàn) DSP功能。嵌入式 DSP處理器主要有兩方面的應(yīng)用：一方面，嵌入式 DSP處理器經(jīng)過單片化設(shè)計(jì)，通過在片上增加豐富的外設(shè)使之成為具有高性能 DSP功能的片上系統(tǒng)，如TI的 TMS320C2022/C5000； 另一方面，在微處理器、微控制器或片上系統(tǒng)中增加 DSP協(xié)處理器來實(shí)現(xiàn) DSP運(yùn)算，如 Intel公司的MCS296和 Siemens公司的 TriCore。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 4．嵌入式片上系統(tǒng)　　片上系統(tǒng) SOC(System On Chip)是 20世紀(jì) 90年代后出現(xiàn)的一種新的嵌入式集成器件。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)從以嵌入式微處理器 /DSP為核心的 “ 集成電路 ” 級設(shè)計(jì)不斷轉(zhuǎn)向 “ 集成系統(tǒng) ” 級設(shè)計(jì)過程中，提出了 SOC的概念。 SOC追求產(chǎn)品系統(tǒng)的最大包容，已成為提高移動(dòng)通信、網(wǎng)絡(luò)、信息家電、高速計(jì)算、多媒體應(yīng)用以及軍用電子系統(tǒng)性能的核心器件。 目前嵌入式系統(tǒng)已進(jìn)入單片 SOC的設(shè)計(jì)階段，并開始逐步進(jìn)入實(shí)用化、規(guī)范化階段，集成電路已進(jìn)入 SOC的設(shè)計(jì)流程。 第 2章　嵌入式處理器 　　 SOC不是把系統(tǒng)所需要的所有集成電路簡單地二次集成到一個(gè)芯片上，而是從整個(gè)系統(tǒng)的性能要求出發(fā)，把微處理器、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、外圍器件等各層次電路器件緊密結(jié)合起來，并通過系統(tǒng)的軟、硬件協(xié)同設(shè)計(jì)，在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。因此， SOC最大的特點(diǎn)就是成功實(shí)現(xiàn)了軟、硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，滿足了單片系統(tǒng)所要求的高密度、高速度、高性能、小體積、低電壓和低功耗等指標(biāo)。目前比較典型的幾款 SOC產(chǎn)品包括 Siemens的 TriCore、 Philips的 Smart XA、 Motorola的 MCore、 某些 ARM系列器件、 Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的 Neuron芯片等。 第 2章　嵌入式處理器 典型的嵌入式處理器 　　 1． ARM處理器 基于 ARM核嵌入式芯片的典型應(yīng)用主要有：　　 ● 汽車產(chǎn)品，如車載娛樂系統(tǒng)、車載安全裝置、自主導(dǎo)航系統(tǒng)等。　　 ● 消費(fèi)娛樂產(chǎn)品，如數(shù)字視頻、 Inter終端、交互電視、機(jī)頂盒、數(shù)字音頻播放器、數(shù)字音樂板、游戲機(jī)等?！　?● 數(shù)字影像產(chǎn)品，如信息家電、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字系統(tǒng)打印機(jī)等。　　 ● 工業(yè)控制產(chǎn)品，如機(jī)器人控制、工程機(jī)械、冶金控制、化工生產(chǎn)控制等?！　?● 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，如網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)、 PCI網(wǎng)絡(luò)接口卡、 ADSL調(diào)制解調(diào)器、路由器等。第 2章　嵌入式處理器 　 　 ● 安全產(chǎn)品，如電子付費(fèi)終端、銀行系統(tǒng)付費(fèi)終端、智能卡、 SIM卡等。　 　 ● 存儲產(chǎn)品，如 PCI到 Ultra2 SCSI 64 位 RAID控制器、硬盤控制器等。　 　 ● 無線產(chǎn)品，如手機(jī)、 PDA， 目前 85%以上的手機(jī)基于 ARM核?！　〕艘酝?， ARM微處理器及技術(shù)還應(yīng)用到許多不同的領(lǐng)域，并會在將來獲得更加廣泛的應(yīng)用。 基于 ARM技術(shù)的微處理器應(yīng)用約占據(jù)了 32位 RISC微處理器 75%以上的市場份額。 第 2章　嵌入式處理器 　　 2． PowerPC處理器　　目前 PowerPC處理器的主頻從 25～ 700 MHz不等，主要產(chǎn)品的芯片型號有 PowerPC 750、 PowerPC 405和 PowerPC 440。 PowerPC 750于 1997年研制成功，最高工作頻率可達(dá) 500 MHz， 采用先進(jìn)的銅線技術(shù)。 嵌入式的 PowerPC 405(主頻最高為 266 MHz)是一個(gè)集成10/100 Mb/s以太網(wǎng)控制器、串行和并行端口、內(nèi)存控制器以及其他外設(shè)的高性能嵌入式處理器，它和 PowerPC 440(主頻最高為 550 MHz)處理器可以用于各種集成的系統(tǒng)芯片設(shè)備上，在電信、金融和其他許多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 3． MIPS處理器　　 MIPS是 Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages的縮寫，即 “無內(nèi)部互鎖流水級的微處理器 ” ，它是由 MIPS技術(shù)公司開發(fā)的。 MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次的嵌入式 32位和 64位處理器的廠商，在 RISC處理器方面占有重要地位。 1999年， MIPS公司發(fā)布了 MIPS 32和 MIPS 64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，為未來 MIPS處理器的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。新的架構(gòu)集成了所有原來的 MIPS指令集，并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。 MIPS公司既開發(fā) MIPS處理器結(jié)構(gòu)，同時(shí)還自己生產(chǎn)基于 MIPS的 32位/64位芯片，這些芯片被廣泛應(yīng)用于片上系統(tǒng) (SOC)、便攜式計(jì)算系統(tǒng)、便攜式通信系統(tǒng)、工業(yè)控制、辦公自動(dòng)化設(shè)備等許多領(lǐng)域。第 2章　嵌入式處理器 　 　 在嵌入式應(yīng)用方面， MIPS系列微處理器是目前僅次于 ARM的使用最廣泛的處理器之一 (1999年以前， MIPS是世界上使用最多的處理器 )，其應(yīng)用領(lǐng)域覆蓋機(jī)頂盒、游戲機(jī)、路由器、激光打印機(jī)、掌上電腦等各個(gè)方面。 MIPS的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)理念比較先進(jìn)，強(qiáng)調(diào)軟 / 硬件協(xié)同提供性能，同時(shí)簡化硬件設(shè)計(jì)。 此外，為了使用戶更加方便地應(yīng)用 MIPS處理器， MIPS公司推出了一套集成開發(fā)工具 —— MIPS IDF(MIPS Integrated Development Framework)， 特別適用于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 4． Sparc處理器　　 Sparc處理器是由著名的 Sun公司自行研發(fā)的微處理器芯片。在 64位UltraSparc處理器方面， 主要有 3個(gè)系列：可擴(kuò)展的 s系列 ，主要用于高性能、易擴(kuò)展的多處理器系統(tǒng)。 UltraSparc Ⅲ s的頻率已達(dá)到 750 MHz，UltraSparc Ⅳ s和 UltraSparc Ⅴ s等型號中， UltraSparc Ⅳ s的頻率為 1 GHz，UltraSparc Ⅴ s為 GHz。 集成式 i系列 ，它將多種系統(tǒng)功能集成在一個(gè)處理器上，為單處理器系統(tǒng)提供了更高的效益。 UltraSparc Ⅲ i系列的頻率達(dá)到 700 MHz，未來將達(dá)到 1 GHz。 嵌入式 e系列 ，應(yīng)用包括瘦客戶機(jī)、電纜調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)接口等。 Sun公司還將推出主頻 300 MHz、 400 MHz、 500 MHz等版本的處理器。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 5．龍芯一號處理器　　龍芯一號處理器是神州龍芯公司推出的兼顧通用及嵌入式處理器特點(diǎn)的新一代 32位處理器。以中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制的通用 CPU為核心，由神州龍芯公司擁有知識產(chǎn)權(quán)。 龍芯一號 32位微處理器的投片成功，并通過了以 SPEC CPU2022為代表的一批性能和功能測試程序的嚴(yán)格測試，標(biāo)志著我國在現(xiàn)代通用微處理器設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了 “ 零 ” 的突破， 打破了我國長期依賴國外 CPU產(chǎn)品的無 “ 芯 ” 的歷史，也標(biāo)志著國產(chǎn)安全服務(wù)器 CPU和通用的嵌入式微處理器產(chǎn)業(yè)化的開始。 第 2章　嵌入式處理器 　　龍芯一號 CPU采用 μ m CMOS工藝制造，具有良好的低功耗特性，平均功耗 W， 最大功耗不超過 1 W， 因此可以在大量的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中使用。 龍芯一號 CPU可以運(yùn)行大量的現(xiàn)有應(yīng)用軟件與開發(fā)工具，支持最新版本的 Linux、 VxWork、 Windows CE等操作系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、信息家電、通信、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、 PDA、網(wǎng)絡(luò)終端、存儲服務(wù)器等產(chǎn)品上。 第 2章　嵌入式處理器 ARM處理器基礎(chǔ) 　　采用 RISC架構(gòu)的 ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：　　 (1) 體積小、低功耗、低成本、高性能?！?　 (2) 支持 Thumb(16位 )/ARM(32位 )雙指令集，能很好地兼容8位 /16位器件。　　 (3) 大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快?！?　 (4) 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成，通過 Load/Store結(jié)構(gòu)在內(nèi)存和寄存器之間傳遞數(shù)據(jù)。　　 (5) 尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高?！　?(6) 指令長度固定。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 除此之外， ARM系列采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的同時(shí)盡量減小芯片體積、降低芯片功耗。這些技術(shù)包括：　 　 (1) 在同一條數(shù)據(jù)處理指令中包含算術(shù)邏輯處理單元，以進(jìn)行算術(shù)處理和移位處理?！　?(2) 使用地址自動(dòng)增加 (減少 )來優(yōu)化程序中的循環(huán)處理?！?　 (3) Load/Store指令可以批量傳輸數(shù)據(jù)，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男??！?　 (4) 所有指令都可以根據(jù)前面的指令執(zhí)行結(jié)果決定是否執(zhí)行，以提高指令執(zhí)行的 效率。 第 2章　嵌入式處理器 ARM處理器系列ARM微處理器目前包括下面幾個(gè)系列： ● ARM7 系列● ARM9 系列● ARM9E 系列● ARM10 系列● SecurCore系列● Intel 的 StrongARM● Intel的 Xscale 第 2章　嵌入式處理器 　　 1． ARM7微處理器系列　 　 ARM7系列微處理器為低功耗的 32位 RISC處理器，最適合對價(jià)位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。 ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：　　 (1) 具有嵌入式 ICERT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便?！?　 (2) 極低的功耗，適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。　　 (3) 能夠提供 MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。　　 (4) 代碼密度高并兼容 16位的 Thumb指令集。 第 2章　嵌入式處理器 　 　 (5) 對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括 Windows CE、 Linux、Palm OS等?！?　 (6) 指令系統(tǒng)與 ARM9系列、 ARM9E系列和 ARM10系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代。　 　 (7) 主頻最高可達(dá) 130 MHz， 高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用?！　?