處理器類型

嵌入式處理器分類現狀


濮陽網絡工程師 什麼是嵌入式處理器

嵌入式處理器是各種類型面向用戶、面向產品、面向應用的嵌入式系統的核心部件，其功耗、體積、成本、可靠性、速度、處理能力、電磁兼容性等方面均受到應用要求的制約。不同的嵌入式處理器面向不同的用戶，可能是一般用戶，行業用戶或單一用戶。
嵌入式處理可以分成下面幾類：嵌入式微處理器(Embedded Micro- processor Unit, EMPU)，嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)，嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)，嵌入式片上系統(System On Chip, SOC)。
目前，嵌入式處理器主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、Motorola 68000、MIPS、ARM系列等。在32位嵌入式處理器市場主要有Motorola，ARM，MIPS，TI，Hitachi等公司, 有些生產通用微處理器的公司，象Intel、Sun和IBM等，也生產嵌入式的微處理器。
嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及衆多專用MCU和兼容系列。目前MCU佔嵌入式系統約70％的市場份額。特別值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱爲微控制器，MOTOROLA公司把以Power PC爲基礎的PPC505和PPC555列入單片機行列，TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做爲MCU進行推廣。
比較有代表性的嵌入式DSP處理器是Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用於控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發展成爲DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司也推出了基於可重構嵌入式DSP結構，用低成本、低功耗技術製造的R.E.A.L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產品。
SOC可以分爲通用和專用兩類。通用系列包括Infineon(Siemens)的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研製的Neuron芯片等。專用SOC一般專用於某個或某類系統中，不爲一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048位複雜RSA算法的CCU單元製作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用於公衆互聯網如Internet安全方面。
目前，據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，流行的體系結構有三十幾個系列，其中8051體系的佔有多半。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品，僅Philips就有近100種。現在幾乎每個半導體製造商都生產嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB到16MB，處理速度從0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳。
人們一般都覺得嵌入式處理器結構比較簡單，性能也比較低，但也有例外。最典型的代表就是Sony的Playstation系列遊戲機所採用的嵌入式處理器。Playstation-2採用MIPS處理器內核，字長擴展爲128位，增加了很強的圖形處理能力。正在開發中，目前還處於保密狀態的Playstation-3的處理器將採用多個稱爲cell的處理單元並行工作的方式。有人估計是4個cell並行工作，每個cell中有一個PowerPC內核和8個帶128KB內存的向量處理器。預計Playstation-3的工作頻率爲4GHz，峯值速度達256Gflops。
嵌入式應用需求的廣泛性，以及大部分應用功能單一、性質確定的特點，決定了嵌入式處理器實現高性能的途徑與通用微處理器有所不同，目前大多是針對專門的應用領域進行專門設計來滿足高性能、低成本和低功耗的要求。例如，視頻遊戲控制需要有很高的圖形處理能力；手持、掌上、移動和網絡PC，要求具備虛存管理和標準的外圍設備；手機和個人移動通信設備，要求在具有高性能和數字信號處理能力的同時具有超低功耗；調制解調器、傳真機和打印機，要求低成本的處理器；機頂盒和DVD則要求高度的集成性；數字相機要求既要有通用性又要有圖像處理能力。

嵌入式處理器分類現狀
(2000.10)

嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，目前據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000多種，流行體系結構有30幾個系列，其中8051體系的佔有多半。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品，僅Philips就有近100種。現在幾乎每個半導體製造商都生產嵌入式處理器，越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64kB到16MB，處理速度從0.1 MIPS到2000 MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳。根據其現狀，嵌入式計算機可以分成下面幾類。

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門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。爲了滿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、可靠性高的優點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設等器件，從而降低了系統的可靠性，技術保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等安裝在一塊電路板上，稱爲單板計算機。如STD-BUS、PC104等。近年來，德國、日本的一些公司又開發出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產品。

嵌入式處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內核爲核心，芯片內部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調製輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。爲適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，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工業的主流。微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合於控制，因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及衆多專用MCU和兼容系列。目前MCU佔嵌入式系統約70％的市場份額。

特別值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之爲Microcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC爲基礎的PPC505和PPC555亦列入單片機行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做爲MCU進行推廣。

嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合於執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域，DSP應用正從在通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到採用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個發展來源，一是DSP處理器經過單片化、EMC改造、增加片上外設成爲嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000 /C5000等屬於此範疇；二是在通用單片機或SOC中增加DSP協處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。

推動嵌入式DSP處理器發展的另一個因素是嵌入式系統的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤， ADSL 接入、實時語音壓解系統，虛擬現實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP 處理器的長處所在。

嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是Texas Instruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000 系列。 TMS320系列處理器包括用於控制的 C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經發展成爲DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基於可重置嵌入式DSP結構低成本、低功耗技術上製造的R. E. A. L DSP處理器，特點是具備雙Harvard結構和雙乘/累加單元，應用目標是大批量消費類產品。

嵌入式片上系統(System On Chip)

隨着EDI的推廣和VLSI設計的普及化，及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現一個更爲複雜的系統的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內核將作爲SOC設計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統外設一樣，成爲 VLSI設計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應用系統，仿真通過後就可以將設計圖交給半導體工廠製作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應用系統電路板將變得很簡潔，對於減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分爲通用和專用兩類。通用系列包括Infineon的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研製的Neuron芯片等。專用SOC一般專用於某個或某類系統中，不爲一般用戶所知。一個有代表性的產品是Philips的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048 位複雜RSA算法的CCU單元製作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用於公衆互聯網如Internet安全方面。