原创 嵌入式微处理器的结构和类型

嵌入式微处理器的结构和类型

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嵌入式计算机硬件系统一般由嵌入式微处理器、存储器和输入／输出部分组成，其中嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心。

嵌入式微处理器的字长宽度可分为4位、8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的称为嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller ）， 32位及以上的称为嵌入式微处理器。

微处理器内部仅包含单纯的中央处理器单元称为一般用途型微处理器。将CPU、 ROM、 RAM及I/O等部件集成到同一个芯片上，称为单芯片微控制器（Single Chip Microcontroller）。

根据用途，可以分为嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统、双核或多核处理器等类型。

嵌入式微控制器

嵌入式微控制器（Micro Controller Unit，MCU）又称为单片机，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（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低，可靠性高等特点，约占嵌入式系统市场份额的70％。嵌入式微控制器品种和数量很多，典型产品有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、 C166/167、68K系列，TI公司的MSP430系列和Motorola公司的68H12系列，以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />2C、CAN-BUS、 LCD及众多专用嵌入式微控制器和兼容系列。

嵌入式微处理器

嵌入式微处理器（Embedded Micro Processing Unit，EMPU）由通用计算机中的CPU发展而来，嵌入式微处理器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，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一个芯片上。32位微处理器采用32位的地址和数据总线，其地址空间达到了232＝4GB。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，无互锁流水级的微处理器）系列、PowerPC系列等。属于这些系列的嵌入式微处理器产品很多，有千种以上。

嵌入式DSP处理器

嵌入式DSP处理器（Digital Signal Processor，DSP）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储和传输的哈佛结构，具有专门硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比最快的CPU还快10~50倍。

在DSP处理器上是乘法与加法运算最基本的运算功能，除此之外，DSP处理器还用于如有限脉冲响应滤波器（Finite Impulse Responsefilter，FIR）、无限脉冲响应滤波器（Infinite Impulse Responsefilter，IIR）、离散傅利叶（Discrete Fourier Transforms）及离散余弦转换（Discrete Cosine Transforms）等一些常见算法的实现。

DSP运算速度的提高主要依靠新工艺改进芯片结构。目前一般的DSP运算速度为100MIPS（即每秒钟可运算1亿条指令）。TI的TM320C6X芯片由于采用超长指令字（全称为Very Long Instruction Word，VLIW）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS。按照发展趋势，DSP的运算速度完全可能再提高100倍（达到1600GIPS）。

嵌入式片上系统

嵌入式片上系统（System On Chip，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，而且具有极高的综合性，在一个芯片内部运用VHDL等硬件描述语言，即可实现一个复杂的系统。与传统的系统设计不同，用户不需要绘制庞大复杂的电路板，一点点地连接焊制，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，设计生产效率高。

多核处理器

将两个或多个CPU核封装在一个芯片内部，可节省大量的晶体管和封装成本，同时还能显著提高处理器的性能。另外，由于多核处理器对外的“界面”是统一的，用户不会在主板、硬件体系方面做大的改变，从兼容性和系统升级成本方面来考虑有诸多的优势。

实现两个或多个内核协调工作通常采用对称（Symmetric）多处理技术和非对称多处理（Asymmetric）两种方式。例如IBM Power 4处理器采用对称多处理技术，将两颗完全一样的处理器封装在一个芯片内，达到双倍或接近双倍的处理性能，由于共享了缓存和系统总线，因此这种做法的优点是能节省运算资源。例如TI公司的OMAP5910双核处理器采用一种非对称多处理的工作方式，即两个处理内核彼此不同，各自处理和执行特定的功能，在软件的协调下分担不同的计算任务，比如一个执行加密，而另一个执行TCP/IP协议处理。