嵌入式系统中的处理器技术综述

摘　要：目的:阐述并总结嵌入式系统微处理器的特点、分类、开发技术. 方法:给出相关定义,并和通用处理器进行比较. 结果:归纳出了嵌入式微处理器的基本情况及发展趋势. 结论:嵌入式微处理器技术是一项很难被垄断的技术,也是一项在未来信息技术应用中非常有潜力的技术,在此领域中应尽早形成自己的技术及产业标准.

　　引言

　　嵌入式系统是将应用程序和操作系统与计算机硬件集成在一起的系统，它以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。这种系统具有软件代码小，高度自动化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。嵌入式设备是指应用了嵌入式系统的计算机设备。从某种意义上来讲确实是大型计算设备的一个微缩，这一微缩肯定多少会带来相对性能上的减弱。但正是这一体积的微缩带给人们的方便却是无法比拟的。拥有嵌入式设备，人们可以随时随地的阅览电子书籍，预定机票，在任何一个陌生的城市都不会丢失，甚至可以在最短的时间内看到任何一部想看到的电影。

　　关于嵌入式设备的软件开发2001年IT产业生产20亿台微型计算机。其中，95％将用于嵌入设备用途。因此，与其以每年上市的1亿5000万台网络化计算机为研究对象，倒不如加大力度推进80亿台嵌入设备的网络化、将注意力放在制造与之相适应的软件上来。美国英特尔公司研究部门的领导人DavidTennenhouse在旧金山召开的ComputingContinuumConference会议上这样说道有关计算机的研究，比起1亿5000万台计算机，更应该加大8亿台嵌入微处理器设备的网络化。构筑无论何时何地都可与网络连接的环境以及开发适应型软件已成为当务之急。在仔细考察了国外嵌入式设备软件现状和国内的市场潜力后，嵌入式设备软件将在国内掀起一场软件革命！

　　1 嵌入式处理器技术

　　嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器是用于在计算机之外的设备中提供添加的功能性的计算机芯片，它经常用于控制和监控领域。

　　椐世界半导体贸易统计数据蓝皮书中的审计报告显示， 从单位销售额角度看，象Intel公司的Pentium系统、Advanced Micro Devices公司的Athlon以及IBM和Motorola公司的PowerPC等处理器的市场份额只占世界市场的6％，余下的94％，即50亿片芯片为嵌入式微处理器。据估计，平均每个美国家庭拥有大约60片内嵌式处理器。 一些嵌入式处理器是由桌面市场中传下来的东西，即使对于今天的PC已经过时，但对于处理功能要求较低的任务却绰绰有余的芯片。过去驱动象TRS-80 、Apple II和Commodore 64这类早期PC的Z80和6502处理器现在仍是非常畅销的产品。 甚至最低级的4位处理器的销售量也远远超过象Pentium这类32位处理器。老式的处理器也没有淡出江湖：它们只是变为嵌入式了。 因此，嵌入式微处理器市场异乎寻常的广阔。在PC市场的任何时刻，微处理器之间性能差距只有约3比1,目前速度最快的芯片以1GHz速度运行，而最慢的最常用的芯片的速度为333MHz。与此相比，仅就32位嵌入式微处理器来说，其性能范围为500比1。如果你在4位和8位嵌入式处理器中进行比较的话，性能范围为几千比一。

　　随着这类处理器体积越变越小，价格越来越便宜，功能越来越强大，它们将进入到更多的设备和产品中。现在，它们已经存在于会唱歌的贺卡和测量行程的运动鞋中。最终，由于毫微米技术的出现，它们将变得象原子那样普通，并且几乎象原子那样小。

　　嵌入式系统的广泛应用正是嵌入式微处理器具备以下4个特点：

　　①对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。②具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。③可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。④嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

　　1.1 嵌入式处理器的种类

　　目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16-32MB，处理速度从0.1MIPS到 2000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。根据其现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：

　　① 嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit, EMPU)

　　嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

　　和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上，称为单板计算机。如STD-BUS、PC104 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。