| 嵌入于宿主設(shè)備,智能地完成宿主設(shè)備功能的計(jì)算機(jī)就是嵌入式計(jì)算機(jī),或簡稱為嵌入式。嵌入式計(jì)算機(jī)的構(gòu)成：可以是單片的微控制器(MC-micro-controller),在我國習(xí)慣于稱做單片機(jī);也可以是由微處理器（MP-microprocessor)另加存儲(chǔ)器及外部設(shè)備構(gòu)成;還可以在MC/MP的基礎(chǔ)上附加數(shù)字信號處理器(DSP)核心部件,構(gòu)成多核MP/MC。 盡管嵌入式一詞,80年代中期由Intel公司率先使用,但如今,嵌入式一詞叫得更加響亮。然而,盡管嵌入式與宿主的服務(wù)關(guān)系依然未變,但嵌入式的構(gòu)成卻發(fā)生了巨大的變化。當(dāng)年嵌入式的構(gòu)成確實(shí)主要指的是4/8/16位的微控制器(MC),而今所言嵌入式,就其構(gòu)成來說,主要討論的是嶄新一代由RISC與DSP雙核復(fù)合而成的32位微處理器形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 新一代嵌入式計(jì)算機(jī)的主要特征：是繼承了整個(gè)PC機(jī)時(shí)期的技術(shù)成就,特別是進(jìn)入90年代后的全球萬維網(wǎng)(Web)技術(shù)(產(chǎn)品有可接入萬維網(wǎng)的手持式PDA設(shè)備等)和多媒體技術(shù)(產(chǎn)品有高質(zhì)量數(shù)字音響、數(shù)字視盤播放器,數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、數(shù)碼視頻攝像機(jī)等等）。這類嵌入式的目標(biāo)是想把桌面PC機(jī)上成熟的技術(shù)拆解下來,放入手持設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備,供用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行消費(fèi)。全球網(wǎng)中行之有效的眾多通信協(xié)議,多媒體的MP3、JPEG、MPEG等所采用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及各種庫函數(shù)都使用32位格式和32位的編程軟件,所以嵌入式也注定要使用32位的微處理器。 為順應(yīng)形勢發(fā)展的需要,32位手持設(shè)備用的嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,著名的有Windows CE、Epoch、 Palm OS等等,可見今日嵌入式的立點(diǎn)水平是很高的。 新一代嵌入式主要面向手持或移動(dòng)消費(fèi)類設(shè)備,電池供電和低價(jià)位是重要考慮因素,這就從根本上決定了它不可能照搬PC機(jī)上原來使用的微處理器。下面先介紹嵌入式32位微處理器的技術(shù)進(jìn)步,然后再舉一些新型嵌入式微處理器的實(shí)例,使讀者對新一代嵌入式有一個(gè)較清晰的認(rèn)識。 MP是計(jì)算機(jī)的核心部分,任務(wù)是去存儲(chǔ)器中取指令數(shù)據(jù),然后分解指令并對指定的操作數(shù)進(jìn)行處理。為此,需要有獲取和分解指令的邏輯控制部分,執(zhí)行指令的算術(shù)邏輯單元(ALU),以及暫時(shí)為ALU運(yùn)算方便存放中間結(jié)果的通用寄存器。 總的說來,MP的能力取決于：指令集的操作能力;指令的位寬（每條指令涵蓋信息量的位數(shù),4/8/16/32/64位等）;每秒執(zhí)行指令CISC結(jié)構(gòu)的MP,不同的指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)是不同的,RISC結(jié)構(gòu)的MP所有指令都只用一個(gè)時(shí)鐘周期,而且每秒鐘都能執(zhí)行百萬條指令以上,故而常以MIPS(每秒百萬條指令)為單位來體現(xiàn)時(shí)鐘的速度。 MC實(shí)際上是對通用MP功能加以某些限制,使其具有某些專門用途的配套計(jì)算機(jī)。MC有以下特點(diǎn)： ·I/O接口寄存器化,常叫做特殊功能寄存器(SFR),通過對SFR的編程可以提高使用外部設(shè)備的靈活性和簡化對外部設(shè)備的操作; ·通用寄存器累加器化,緩解累加器的瓶頸問題,簡化編程,提高處理速度; ·片內(nèi)RAM與通用寄存器及SFR統(tǒng)一編程,統(tǒng)一訪問指令的結(jié)構(gòu),簡化編程; ·通用寄存器多組化,優(yōu)化中斷對現(xiàn)場的保護(hù),縮短中斷響應(yīng)時(shí)間。 總之,MP面向通用,對研發(fā)和拓展功能有利;MC則面向?qū)Ｓ?對批量的生產(chǎn)有利�，F(xiàn)階段新一代嵌入式處于研發(fā)創(chuàng)新階段,所以,主要使用32位的MP,而不是MC。 MP有兩種結(jié)構(gòu),RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī)）是相對于早已存在的CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）而言。手持設(shè)備的算術(shù)邏輯運(yùn)算比桌面PC要求低,復(fù)雜程度也較小,一般多采用RISC結(jié)構(gòu)的MP。 RISC的特點(diǎn)是： ·采用Load/store指令模式,凡數(shù)據(jù)由外存到內(nèi)存、內(nèi)存到寄存器方向的流動(dòng)統(tǒng)一用Load指令,而對于反方向的操作,都用store; ·用小指令集、多寄存器;指令執(zhí)行簡單快速; ·統(tǒng)一用單周期指令。從根本上克服了CISC指令周期數(shù)有長有短,造成運(yùn)行中偶發(fā)性不確定,致使運(yùn)行失常的問題。 為加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號,處理中頻繁遇到的循環(huán)乘加的算法,在RISC的基礎(chǔ)上增加了硬件的乘法累加器（MAC）等原屬DSP核中的關(guān)鍵部件。雙核協(xié)同工作。各用所長,有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力和傳輸速度,成為今日32位手持嵌入式設(shè)備所用微處理器的主要結(jié)構(gòu)。 RISC+DSP分立的雙核結(jié)構(gòu)存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩。為此發(fā)展了兩核融合在一起的單核結(jié)構(gòu)。同時(shí)將指令集也合二為一,簡化編程提高效率。硬件簡化和軟件合一為處理器的可編程化提供了方便,為新產(chǎn)品的研制和爭取上市時(shí)間做出有力的貢獻(xiàn)。 目前,FPGA在移動(dòng)設(shè)備的市場上占有一席之地,因它可以將整個(gè)MP、各種外設(shè)、連同代碼一起做到FPGA中,起到小型化和低功耗化的效果。移動(dòng)設(shè)備總是需要非常高級的硬件MP,用FPGA通過軟件編程的方法來實(shí)現(xiàn)也可以完善地解決。 有的公司已經(jīng)開始用基于32位RISC/DSP單核結(jié)構(gòu)的MP平臺來設(shè)計(jì)多媒體的單片式系統(tǒng)芯片（SoC）。 Palmchip公司用以生產(chǎn)RISC MP著名的ARC公司的32位 RISC/DSP單核構(gòu)成SoC設(shè)計(jì)平臺,研制了MP3的SoC。該公司同時(shí)還生產(chǎn)PALM-FC-6710的SoC平臺。該平臺支持MMCL多媒體卡,提供音頻I/O源,提供UART/USB串行接口等。 電池供電的MP/MC/DSP芯核及其它部件都需要具有良好的低功耗特質(zhì)。除此之外,對于構(gòu)成的系統(tǒng),還得采取種種措施延長電池壽命。它們甚至對于產(chǎn)品能否打開銷路起舉足輕重的作用。僅僅一般性來用CMOS技術(shù)并不能保證器件可以工作于1W功率以下,按功耗優(yōu)化來設(shè)計(jì)系統(tǒng)就是在功耗與運(yùn)行速度之間進(jìn)行均衡。在CPU時(shí)鐘停止工作的狀態(tài)下,系統(tǒng)還會(huì)耗費(fèi)多少電能也是要研究的課題,功耗與電壓的平方成反比,降低工作電壓可以十分有效地減少功耗。不同部件的工藝過程不同,存在各自可以工作的低端電壓。所以嵌入式設(shè)備會(huì)同時(shí)用不同電壓供電。例如,設(shè)備的MP工作于1.5～2.5V,而I/O接口則工作于2.5～3V,而且不用時(shí)的接口還經(jīng)常被關(guān)掉。雖然是高檔的消費(fèi)類產(chǎn)品,價(jià)位仍然不能太高。然而,32位的MP畢竟屬于高級技術(shù),單純靠批量生產(chǎn)求得低價(jià),空間有限,故需從科技進(jìn)步、合理規(guī)劃電路配置、加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行管理等多方面求得解決。 RISC簡化原本復(fù)雜的控制電路,減少使用的晶體管數(shù)目,硅片加工工藝的進(jìn)步,縮減了晶體管的尺寸、引線的長度,在提高性能、改善運(yùn)行速度的同時(shí)也降低了造價(jià)。如果使用半定制的FPGA,乃至SoC技術(shù)以軟件代替硬件,也能別開生面地降低造價(jià)。 由上述可見,當(dāng)前嵌入式所用MP多是32位RISC+DSP雙核或RISC/DSP單核結(jié)構(gòu)。過去比較著名的RISC生產(chǎn)廠家起著基石作用。許多新興的嵌入式廠家購買他們的RISC專利嫁接到自己的DSP核上。一些著名的生產(chǎn)CISC微處理器的廠家不甘心丟失嵌入式市場,也紛紛向RISC及DSP靠攏。 ARM公司是著名RISC生產(chǎn)廠家,在自己生產(chǎn)的32位RISC MP的基礎(chǔ)上加上DSP的單周期MAC,將CPU提升到可快速運(yùn)算多媒體的算法,在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)MP3的解碼,并正努力在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻功能。 Motorola使用ARM的200MHz 920T RISC核,生產(chǎn)了自己的屬于龍珠系列的32位MX-1高檔的無線接入的移動(dòng)式新產(chǎn)品,其中包括MP3和JPEG的解碼播放器,以及靜態(tài)的和具有視頻功解的數(shù)碼相機(jī),它還同時(shí)具有集成的外設(shè)部件,該部件包括SONY存儲(chǔ)棒、電源管理器以及LCD控制器,外設(shè)不用時(shí)即被關(guān)斷,整個(gè)設(shè)備在1.8V電池下工作。龍珠系列的Super vz 更支持彩色TFT顯示,A/D轉(zhuǎn)換,USB以及SRAM的工作,時(shí)鐘頻率達(dá)66MHz。 著名的MIPS Technologies在基于load/store 的MIPS結(jié)構(gòu)之上,應(yīng)用MIPS I/MIPSⅡ指令集的超集,并加進(jìn)嵌入式需要的一些新指令,引用了64位MIPS R4000和R5000所特有的存儲(chǔ)器管理和特權(quán)管理機(jī)制,以及DSP的MUL乘法、MADD（乘-加）和0→1前沿計(jì)數(shù)指令,形成稱為MIPS32的新結(jié)構(gòu),它具有32個(gè)32位寄存器并向上與MIPS64結(jié)構(gòu)相兼容。 Toshiba公司購買了MIPS32 4KC核,開發(fā)了自己的TX19系列的嵌入式產(chǎn)品,旨在將Toshiba原有的16位CISC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型為32位RISC結(jié)構(gòu),開發(fā)靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)/視頻數(shù)碼攝像機(jī)和CD-ROM播放器等產(chǎn)品。 Palmchip公司也購買了MIPS32 4KC核,開發(fā)可編程的SoC平臺,瞄準(zhǔn)移動(dòng)通信/計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備的嵌入式市場。 ARC Cores的32位 ARC Tangent A4是低功耗、可編程的RISC/DSP單核結(jié)構(gòu),可根據(jù)用戶的要求靈活地增減功能,DSP的新增功能有語音壓縮與解壓,另有改進(jìn)的高速緩存以及高效電源等。有的IP廠商,以ARC的Tangent A4 為中心部件,研制了可編程的低功耗RISC/DSP平臺。Tangent A4的核小到低于10000個(gè)門以下,其中斷系統(tǒng)是可編程的,其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存在4級流水線,非常適合集成片上外設(shè)。 Hitachi宣布將于2001年底推出一款新型SH7727處理器。它的RISC核含有16個(gè)32位通用寄存器,5個(gè)32位控制寄存器和4個(gè)32位系統(tǒng)寄存器,在此核的基礎(chǔ)上增加SuperH-3的 DSP核所形成,片上還集成了可尋址4 Gbyte尋址的MMU(存儲(chǔ)管理單元)和LCD控制器,時(shí)鐘頻率在16MHz以上。CPU部分工作電壓為1.35～2.05V,I/O工作電壓為3～3.6V。 Intel公司為插足移動(dòng)設(shè)備市場,也生產(chǎn)了RISC/DSP結(jié)構(gòu)的名為Strong ARM的SA-1110微處理器,Intel公司的奮斗目標(biāo)是生產(chǎn)低功耗、高性能的ASSP（標(biāo)準(zhǔn)專用產(chǎn)品）。專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品具有袖珍、無線接入、多媒體的特色,具有8Kbyte數(shù)據(jù)高速緩存、MMU、讀/寫緩沖器和512字節(jié)增強(qiáng)高速緩存,供頻繁使用的結(jié)構(gòu)變量所用。其軟件與ARM V4相兼容,電池供電的優(yōu)化是靠專利的低電壓工藝技術(shù)和電源管理器來保證的,凡當(dāng)前用不到的部分就停止供電。Intel的SA-1110支持MP3音頻解碼、MPEG-4視頻解碼、語音和手寫輸入的識別、軟件Modem和Java解釋程序的運(yùn)行。 新一代嵌入式市場的春光已經(jīng)顯現(xiàn),新產(chǎn)品還會(huì)像雨后春筍般突現(xiàn)。在這一輪新的市場角逐中,我們應(yīng)提供商品還是僅僅提供市場;時(shí)勢呼喚著英雄！■ |
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