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嵌入式处理器(CPU)有哪些?

嵌入式系统的核心就是各种类型的嵌入式处理器。目前几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司拥有自己的处理器设计部门。

嵌入式微处理器的体系结构经历了从 CISC 到 RISC 和 Compact RISC 的转变;位数由 4 位、8 位、16 位、32 位到 64 位;寻址空间一般为 64KB~16MB,处理速度为 0.1MIPS~2000MIPS;常用的封装为 8~144 个引脚。

根据现状,嵌入式处理器可以分为以下四类:

  1. 嵌入式微控制器(Embedded Microcontroller Unit,EMCU)
  2. 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit,EMPU)
  3. 嵌入式数字信号处理器(Embedded Digital Signal Processor,EDSP)
  4. 嵌入式片上系统(Embedded System on Chip,ESOC)

1. 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器以各种单片机为代表,也就是在一块芯片中集成了整个计算机系统。

嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核作为核心,芯片内部集成 ROM/EPROM、E2PROM、Flash、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O 口、脉宽调制输出、A/D 和 D/A 等各种必要功能和外设。

微控制器比微处理器体积小,功耗和成本低,可靠性高,因而是目前嵌入式工业的主流,品种和数量都很多。

2. 嵌入式微处理器

嵌入式微处理器相对嵌入式微控制器而言,因为其内置的外围接口较少所以控制能力稍弱,但是计算能力得到了极大提高,并且相当多型号还内置了内存管理单元(MMU)以方便运行操作系统。它一般装配在专门设计的电路板上,只保留与嵌入式应用有关的母板功能,但是电路板上必须包括 ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件。

目前常见的嵌入式处理器有 ARM、MIPS、Power PC、Intel ATOM 等:

1) ARM(Advanced RISC Machines)

ARM 公司是全球领先的 16/32 位 RISC(精简指令集计算机)微处理器知识产权设计供应商。ARM 公司通过转让高性能、低成本、低功耗的 RISC 微处理器、外围和系统芯片设计技术给合作伙伴,使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。

ARM 已成为移动通信、手持设备和多媒体数字设备嵌入式解决方案的 RISC 标准。

ARM 处理器有三大特点:体积小、低功耗、低成本和高性能,16/32 位双指令集,全球的合作伙伴众多。

2) MIPS(Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)

MIPS 是一种处理器内核标准,它是由 MIPS 技术公司开发的。MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次的嵌入式 32 位和 64 位处理器的厂商,在 RISC 处理器方面占有重要地位。

2000 年,MIPS 公司发布了针对MIPS 32 4Kc处理器的新版本及未来 64 位MIPS 64 20Kc处理器内核。MIPS 技术公司既开发 MIPS 处理器结构,又自己生产基于 MIPS 的 32 位 / 64 位芯片。

为了使用户更加方便地应用 MIPS 处理器,MIPS 公司推出了一套集成的开发工具,称为MIPS IDF(Integrated Development Framework),特别适用于嵌入式系统的开发。

3) Power PC

Power PC 架构的特点是可伸缩性好,方便灵活。Power PC 处理器品种很多,既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用范围从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统,从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面,非常广泛。

目前 Power PC 独立微处理器与嵌入式微处理器的主频从 25MHz~700MHz 不等,它们的能量消耗、大小、整合程度和价格差异悬殊,主要产品模块有主频 350~700MHz 的Power PC 750CX和750CXe及主频 400MHz 的Power PC 440GP等。

嵌入式的Power PC 405(主频最高为 266MHz)和Power PC 440(主频最高为 550MHz)处理器内核可以用在各种集成的系统芯片(SoC)设备上,在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。

4) Intel ATOM

ATOP 是 Intel 公司出品的凌动处理器,是英特尔历史上体积最小和功耗最小的处理器,其基于新的微处理架构,专门为小型和嵌入式系统所设计,和其他嵌入式处理器相比其最大的优势是采用了 X86 体系结构,可以运行 Windows 操作系统(也可以运行 Android 操作系统),能提供更好的通用性,所以在平板电脑等消费电子产品中得到了广泛的应用。

3. 嵌入式数字信号处理器

数字信号处理器对系统结构和指令进行了特殊设计,使其适合于执行 DSP 算法,编译效率较高,指令执行速度也快。DSP 应用正从在通用单片机中以普通指令实现 DSP 功能,发展到采用嵌入式数字信号处理器。

嵌入式数字信号处理器的长处在于能够进行向量运算、指针线性寻址等运算量较大的数据处理。比较有代表性的产品是 Motorola 的 DSP56000 系列、Texas Instruments 的 TMS320 系列,以及 Philips 公司基于可重置嵌入式 DSP 结构制造的低成本、低功耗的 REAL DSP 处理器。

4. 嵌入式片上系统

片上系统 SOC 则是在一个硅片上实现一个更为复杂的系统。各种处理器内核将作为 SOC 设计公司的标准库,成为 VLSI 设计中的一种标准器件,用标准的 VHDL 语言描述,存储在器件库中。

SOC 可以分为通用 SOC 和专用 SOC 两类:

  • 通用系列包括 Infineon(Siemens)的 TriCore、Motorola 的 M-Core、某些 ARM 系列器件等。
  • 而专用的 SOC 专用于某个或某类系统中,不为一般用户所知。例如 Philips 的 Smart XA,它将 XA 单片机内核和支持超过 2048 位复杂 RSA 算法的 CCU 单元制作在一块硅片上,形成一个可以加载 Java 或 C语言的专用的片上系统。

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