常见的嵌入式处理器对比分析!

EDN电子技术设计 2020-08-06
嵌入式 处理器简介

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机,到最新的受到广泛青睐的32位,64位嵌入式CPU。

自微处理器的问世以来,嵌入式系统得到了飞速的发展,嵌入式处理器毫无疑问是嵌入式系统的核心部分,嵌入式处理器直接关系到整个嵌入式系统的性能。通常情况下嵌入式处理器被认为是对嵌入式系统中运算和控制核心器件总的称谓。

世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种,流行体系结构包括MCU,MPU等30多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景,很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器,并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势,其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种,速度越来越快,性能越来越强,价格也越来越低。嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB,处理速度最快可以达到2000 MIPS,封装从8个引脚到144个引脚不等。


特点

嵌入式微处理器与普通台式计算机的微处理器设计在基本原理上是相似的,但是工作稳定性更高,功耗较小,对环境(如温度、湿度、电磁场、振动等)的适应能力强,体积更小,且集成的功能较多。在桌面计算机领域,对处理器进行比较时的主要指标就是计算速度,从33MHz主频的386计算机到3GHz主频的PenTIum 4处理器,速度的提升是用户最主要关心的变化,但在嵌入式领域,情况则完全不同。嵌入式处理器的选择必须根据设计的需求,在性能、功耗、功能、尺寸和封装形式、SoC程度、成本、商业考虑等等诸多因素之中进行折中,择优选择。

嵌入式处理器做为嵌入式系统的核心,嵌入式处理器担负着控制、系统工作的重要任务,使宿主设备功能智能化、灵活设计和操作简便。为合理高效的完成这些任务,一般说,嵌入式处理器具有以下特点:很强的实时多任务支持能力,存储区保护功能,可扩展的微处理器结构,较强的中断处理能力,低功耗。

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下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。


分类

1、微处理器

嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能,当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是,在实际嵌入式应用中,只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件,去除其他的冗余功能部分,这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。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。主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

其中Arm/StrongArm是专为手持设备开发的嵌入式微处理器,属于中档的价位。

2、微控制器

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)的典型代表是单片机,从70年代末单片机出现到今天,虽然已经经过了20多年的历史,但这种8位的电子器件在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是单片化,体积大大减小,从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般较丰富,适合于控制,因此称微控制器。

由于MCU低廉的价格,优良的功能,所以拥有的品种和数量最多,比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541,并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件,所以具有很高的性价比,势必将推动单片机获得更高的发展。

3、DSP处理器

嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP),是专门用于信号处理方面的处理器,其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计,具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

DSP的理论算法在70年代就已经出现,但是由于专门的DSP处理器还未出现,所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求,其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展,1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍,在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期,随着CMOS技术的进步与发展,第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生,其存储容量和运算速度都得到成倍提高,成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期,DSP的运算速度进一步提高,应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后,DSP发展到了第五代产品,集成度更高,使用范围也更加广阔。

最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列,另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

4、片上系统

嵌入式片上系统(System On Chip) :SoC追求产品系统最大包容的集成器件,是嵌入式应用领域的热门话题之一。SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合,直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且SOC具有极高的综合性,在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言,实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样,绘制庞大复杂的电路板,一点点的连接焊制,只需要使用精确的语言,综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准,然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部,整个系统就特别简洁,不仅减小了系统的体积和功耗,而且提高了系统的可靠性,提高了设计生产效率。

由于SOC往往是专用的,所以大部分都不为用户所知,比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore,Motorola的M-Core,某些ARM系列器件,Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。

预计不久的将来,一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的SOC芯片,一举击退竞争者。SOC芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。


嵌入式处理器汇总(常见)

(1)嵌入式ARM微处理器(嵌入式微处理器结构)

ARM微处理器的由来与发展

ARM(Advanced RISC Machines),既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。目前,采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器,即我们通常所说的ARM微处理器。它是一种高性能、低功耗的32位微处器,它被广泛应用于嵌入式系统中。基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额,ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM9代表了ARM公司主流的处理器,已经在手持电话、机顶盒、数码像机、GPS、个人数字助理以及因特网设备等方面有了广泛的应用。

ARM微处理器的应用领域

  • ARM微处理器是目前应用领域非常广的处理器,到目前为止,ARM微处理器及技术的应用几乎已经遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场,深入到各个领域。

  • 1、工业控制领域:作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额,同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展,ARM微控制器的低功耗、高性价比,向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。

  • 2、无线通讯领域:目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术,ARM以其高性能和低成本,在该领域的地位日益巩固。

  • 3、网络应用:随着宽带技术的推广,采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外,ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持,也对DSP的应用领域提出了挑战。

  • 4、消费类电子产品:ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。

  • 5、成像和安全产品:现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术。


基于RISC架构的ARM微处理器的特点

  • 1、体积小、低功耗、低成本、高性能;

  • 2、支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件;

  • 3、大量使用寄存器,指令执行速度更快;

  • 4、大多数数据操作都在寄存器中完成;

  • 5、寻址方式灵活简单,执行效率高;

  • 6、指令长度固定;


  
(2)嵌入式MIPS处理器

MIPS处理器的发展概述

MIPS是世界上很流行的一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”(MicroprocessorwithouTInterlockedpipedstages) ,其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。MIPS技术公司是是美国著名的芯片设计公司,采用精简指令系统计算结构(RISC)来设计芯片,它设计制造高性能、高档次及嵌入式32位和64位处理器的厂商,在RISC处理器方面占有重要地位。

MIPS的系统结构及设计理念比较先进,其指令系统经过通用处理器指令体系MIPSI、MIPSII、MIPSIII、MIPSIV到MIPSV,嵌入式指令体系MIPS16、MIPS32到MIPS64的发展已经十分成熟。

在设计理念上MIPS强调软硬件协同提高性能,同时简化硬件设计。和英特尔采用的复杂指令系统计算结构(CISC)相比,RISC具有设计更简单、设计周期更短等优点,并可以应用更多先进的技术,开发更快的下一代处理器。

MIPS是出现最早的商业RISC架构芯片之一,新的架构集成了所有原来MIPS指令集,并增加了许多更强大的功能。

MIPS处理器的应用

MIPS在通用方面,MIPSR系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面,MIPSK系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一(1999年以前MIPS是世界上用得最多的处理器),其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。

(3)PowerPC

PowerPC体系结构规范(PowerPCArchitectureSpecificaTIon)是在二十世纪九十年代,由IBM(国际商用机器公司)、Apple(苹果公司)和Motorola(摩托罗拉)公司开发的芯片,并制造出基于PowerPC的多处理器计算机。

PowerPC架构的特点是可伸缩性好、方便灵活。它是一个64位规范(也包含32位子集)。几乎所有常规可用的PowerPC(除了新型号IBMRS/6000和所有IBMpSeries高端服务器)都是32位的。

PowerPC市场占有率不是很高,但在通信系统的控制和管理中用得很多。

(4)嵌入式X86处理器

x86是一个Intel通用计算机系列的标准编号缩写,也标识一套通用的计算机指令集合,X与处理器没有任何关系,它是一个对所有*86系统的简单的通配符定义,例如:i386,586,奔腾(Pentium)。由于早期Intel的CPU编号都是如8086,80286来编号,由于这整个系列的CPU都是指令兼容的,所以都用X86来标识所使用的指令集合如今的奔腾,P2,P4,赛扬系列都是支持X86指令系统的,所以都属于X86家族。

x86以无可比拟的性能价格比优势成为计算平台的标准。但是x86仍然基于32位技术——对于高端的企业级服务器与工作站应用无能为力。与ARM架构的产品相比,嵌入式X86处理器普遍拥有高得多的性能,但功耗也高了许多,尽管依然可以维持无风扇运行状态,但根本无法用于PDA、智能手机等完全依*电池运作的掌上计算产品。真正对嵌入式X86处理器产生需求的是网络终端、瘦客户机、廉价/低能耗型PC、家庭消费电子产品、POS终端机等要求PC软件延续性的领域,对应设备体积相对较大,不依*电池运行,但要求具有较高的性能、低能耗、低噪音和高可靠性等优点。2006年X86推出了首款双核处理器。

X86和ARM、MIPS相比,X86架构的嵌入式处理器应用范围要狭窄一些。它主要应用于桌面端和低端服务器处理器。


(5)嵌入式DSP处理器

DSP是在模拟信号变换成数字信号以后进行高速实时处理的专用处理器,其处理速度比最快的CPU还快10~50倍。在当今的数字化时代背景下,DSP己成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。业内人士预言,DSP将是未来集成电路中发展最快的电子产品,并成为电子产品更新换代的决定因素。

DSP是属于ModifiedHarvard架构,即它具有两条内部总线:数据总线、程序总线。程序与数据存储空间分开,各有独立的地址总线和数据总线,取址和读数可以同时进行,目前已达到90亿次浮点运算/秒(9000MFLOPS)。它采用流水作业,每条指令的执行划分为取指令、译码、取数、执行等若干步骤,由片内多个功能单元分别完成。相当于多条指令并行执行,从而大大提高了运算速度。乘法指令在单周期内完成,优化卷积、数字滤波、FFT、相关、矩阵运算等算法中的大量重复乘法。采用循环寻址(Circularaddressing)位倒序,(bit-reversed)等特殊指令使FFT、卷积等运算中的寻址、排序及计算速度大大提高。1024点FFT的时间已小于1μs。具有独立的DMA总线和控制器,有一组或多组独立的DMA总线,与CPU的程序、数据总线并行工作,在不影响CPU工作的条件下,DMA速度已达800Mbyte/s以上。多处理器接口。使多个处理器可以很方便的并行或串行工作以提高处理速度。

DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设,或在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器,从而发展成为嵌入式DSP处理器(EmbeddedDigitalSignalProcessor,EDSP),推动嵌入式DSP处理器发展的因素主要是嵌入式系统的智能化。目前TI、ADI、Freescale、CEVA等半导体厂商在这一领域拥有很强的实力。

DSP通用DSP的主要市场在于通信应用,而嵌入式DSP则主要应用于消费电子产品,比如DVD播放器和刻录机、机顶盒、音视频接收设备、MP3播放器和数码相机等。但是,WLAN、DSL和线缆宽带网络等通信芯片也带有嵌入式DSP。


-END-


电磁兼容基础理论与实践中的设计整改对策,是电子产品研发工程师必备的技术能力。



《电磁兼容设计与整改对策及案例分析


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