【文章內(nèi)容簡介】 來越強 ， 價格也越來越低 。 嵌入式處理器可分為： ? 低端的微控制器 (Micro Controller Unit， MCU)； ? 中 高 端 的 嵌 入 式 微 處 理 器 (Embedded Micro Processor Unit， EMPU)； ? 通信領(lǐng)域的 DSP處理器 (Digital Signal Processor)； ? 高度集成的片上系統(tǒng) (System on Chip， SoC)。 41 1． 2． 2 嵌入式微處理器 ?嵌入式微處理器 (Embedded Micro Processor Unit， EMPU)是由通用計算機中的 CPU演變而來的 。 ?在實際嵌入式應(yīng)用中 ， 嵌入式微處理器只保留與嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件 ， 去除其他冗余功能部分 ， 配上必要的擴展外圍電路 ， 如存儲器的擴展電路 、 I／ O的擴展電路和一些專用的接口電路等 ， 這樣就可以最低功耗和資源滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求 。 ?嵌入式微處理器雖然在功能上與標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本相同 ，但一般在工作溫度 、 抗電磁干擾 、 可靠性等方面都做了各種增強 。 與工業(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 、 可靠性高等優(yōu)點 。 ?目前主要的嵌入式處理器類型有 ARM、 MIPS、 Aml86／ 8386EX、 PowerPC、 68000系列等 。 42 ? 嵌入式微處理器一般具有以下特點： ? 嵌入式微處理器在設(shè)計中需要考慮低功耗 ， 以滿足靠電池工作的便攜式和無線應(yīng)用中的低功耗要求 。 ? 采用可擴展的處理器結(jié)構(gòu) ， 以方便對應(yīng)用的擴展 。 ? 具有功能很強的存儲區(qū)保護功能 。 ? 提供豐富的調(diào)試功能 。 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)很多都是在交叉調(diào)試中進行 ， 豐富的調(diào)試接口會更便于對嵌入式系統(tǒng)的開發(fā) 。 ? 對實時多任務(wù)具有很強的支持能力 。 ? 處理器內(nèi)部具有精確的振蕩電路 、 豐富的定時器資源 ，從而有較強的實時處理能力 。 43 1． 2． 3 微控制器 ? 微控制器 (Micro Controller Unit， MCU)俗稱單片機 ，它將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中 。 ? 微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心 ， 芯片內(nèi)部集成 Flash、 RAM、 總線邏輯 、 定時器／計數(shù)器 、WatchDog、 I／ O、 串行口 、 脈寬調(diào)制輸出 、 A／ D、 D／ A等各種必要功能模塊和外圍部件 。 ? 8051系列單片機是單片機教學(xué)的首選機型 。 44 ?為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品。每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是相同的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使不同的單片機適合不同的應(yīng)用。 ?與微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積小，從而使功耗和成本下降，可靠性提高。 ?微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)中的主流產(chǎn)品。微控制器的片內(nèi)資源一般比較豐富，適合于控制。 45 ?采用微控制器可以在相當(dāng)程度上縮短產(chǎn)品的設(shè)計 、 開發(fā) 、調(diào)試的時間 ， 從而節(jié)約用于這些方面的開支 。 ?系統(tǒng)中芯片數(shù)量的減少，使整個系統(tǒng)的故障率就會降低。而且系統(tǒng)的體積也可以縮小。 ?由于一些接口電路和功能模塊與 CPU集成在同一塊芯片上，這些電路之間的連線長度就降到很小。對于一些高速系統(tǒng)，這是個很重要的優(yōu)點。 ?微控制器在品種數(shù)量上遠遠超過微處理器 46 1． 2． 4 DSP處理器 ? DSP(Digital Signal Processor)是數(shù)字信號處理器的縮寫 。 ? DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計 ， 使其適合執(zhí)行 DSP算法 ，編譯效率和指令執(zhí)行速度都較高 。 ? 在數(shù)字濾波 、 FFT、 譜分析等方面 ， DSP算法正在大量引入嵌入式領(lǐng)域 。DSP應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn) DSP功能 ， 過渡到采用DSP處理器 。 ? DSP處理器有兩個發(fā)展來源： ? DSP處理系統(tǒng)經(jīng)過單片化 、 電磁兼容 (EMC)改造以及增加片上外設(shè) ，成為 DSP處理器 ， 如 TI公司的 TMS320C2022／ C5000等屬于此范疇； ? 在通用單片機或 SoC中增加 DSP協(xié)處理器 ， 例如 Intel公司的 MCS—296和 Infineon(Siemens)的 TriCore。 ? DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是 TI公司的 TMS320系列 、 ADI公司的ADSPglXX系列和 Motorola公司的 DSP56000系列 。 47 片上系統(tǒng) ? 基本概念 ? 結(jié)合許多功能模塊，將整個系統(tǒng)做在一個芯片上，這就是片上系統(tǒng) SoC(System on Chip)。 ? 片上系統(tǒng)是基于 EDA（電子設(shè)計自動化）技術(shù)和 VLSI（超大規(guī)模集成電路）技術(shù)，以及半導(dǎo)體工藝技術(shù)的迅速發(fā)展。 ? 將整個嵌入式系統(tǒng)集成到一塊芯片中，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗，提高可靠性非常有利。 ? 嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的最高形式是 SoC，而 SoC的核心技術(shù)是 IP核 (Intellectual Property Core，知識產(chǎn)權(quán)核 )構(gòu)件。 48 ?SoC設(shè)計要點 ? SoC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫：各種通用處理器內(nèi)核與許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，構(gòu)成 VLSI設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)器件庫。 ? 標(biāo)準(zhǔn)器件庫中的庫元件用 VHDL等語言描述。 ? 用戶在 EDA設(shè)計平臺下，只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以用 FPGA制作樣品。 ? 一種全新的硬件設(shè)計模式： EDA軟件加硬件調(diào)試平臺。 49 ? 在 EDA技術(shù)中把不同功能的電路模塊稱為 IP，這些 IP都是經(jīng)過實際制作并證明是正確的。在 EDA設(shè)計工具中把這些 IP組織在一個 IP元件庫中，供用戶使用。 ? IP核分為硬核、軟核和固核， IP核是嵌入式技術(shù)的重要支持技術(shù)。 ? 嵌入式片上系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是 IP核資源的利用。 ? 在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時，可以通過使用 IP核技術(shù)完成系統(tǒng)硬件的設(shè)計。用戶需要知道 IP模塊的功能和技術(shù)性能。通過把不同的 IP模塊嵌在一個硅片上，就形成完整的應(yīng)用系統(tǒng)。 ? IP技術(shù)極大地簡化了 SoC的設(shè)計過程，縮短了設(shè)計時間，因此，已經(jīng)成為目前電子系統(tǒng)設(shè)計重要的基本技術(shù)。 50 ? SoC的優(yōu)點： ? 通過改變內(nèi)部工作電壓，降低芯片功耗。 ? 減少芯片對外的引腳數(shù)，簡化制造過程。 ? 減少外圍驅(qū)動接口單元及電路板之間的信號傳遞，加快微處理器數(shù)據(jù)處理的速度。 ? 內(nèi)嵌的線路可以避免外部電路板在信號傳遞時所造成的系統(tǒng)雜訊 51 1． 2． 6 典型的嵌入式處理器 1． ARM處理器 2． MIPS處理器 3． PowerPC處理器 4． MC68K／ C01dfire處理器 5． x86處理器 52 ?ARM處理器有 3大特點： ?小體積、低功耗、低成本而高性能； ?16／ 32位雙指令集； ?全球眾多的合作伙伴。 53 嵌入式操作系統(tǒng) 1． 3． 1 操作系統(tǒng)的概念和分類 ? 操作系統(tǒng) OS(OperationSystem)是一組計算機程序的集合； ? OS用來有效地控制和管理計算機的硬件和軟件資源，并為用戶提供方便的應(yīng)用接口。 ? 為應(yīng)用軟件提供運行環(huán)境，為程序開發(fā)者提供功能強、使用方便的開發(fā)環(huán)境。 54 從資源管理的角度，操作系統(tǒng)主要包含如下功能： ①處理器管理 ?對處理器進