詳解嵌入式處理器的四大分類
根據(jù)通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的分類,可以把微處理器分為通用處理器與嵌入式處理器兩類。通用處理器以x86體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品為代表,目前,基本為Intel和AMD兩家公司所壟斷。通用處理器針對(duì)通用計(jì)算機(jī)的需要進(jìn)行設(shè)計(jì),追求更快的計(jì)算速度、更大的數(shù)據(jù)吞吐率,從8位、16位、32位、到64位一代代發(fā)展過(guò)來(lái)。有時(shí)通用處理器也會(huì)應(yīng)用在一些需要很高計(jì)算性能的嵌入式系統(tǒng)中,比如在一些PC104、CompactPCI的主控板上可見(jiàn)到Celoron、Pentium處理器,這是通用計(jì)算機(jī)技術(shù)在嵌入式領(lǐng)域的一種應(yīng)用。
如今,在整個(gè)嵌入式領(lǐng)域里,通用處理器的應(yīng)用只是鳳毛麟角,真正的主角當(dāng)然是各色嵌入式處理器。因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)有應(yīng)用針對(duì)性的特點(diǎn),不同的系統(tǒng)對(duì)處理器要求千差萬(wàn)別,因此嵌入式處理器種類繁多,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),全世界嵌入式處理器的種類已經(jīng)超過(guò)1000種,流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)。所有嵌入式處理器中,8051體系的占有多半,生產(chǎn)8051單片機(jī)的半導(dǎo)體廠家有20多個(gè),共350多種衍生產(chǎn)品?,F(xiàn)在幾乎每個(gè)半導(dǎo)體制造商都生產(chǎn)嵌入式處理器,越來(lái)越多的公司有自己的處理器設(shè)計(jì)部門。
嵌入式系統(tǒng)中的處理器可以分成下面四大類類:
1、嵌入式微處理器
嵌入式微處理器字長(zhǎng)一般為16位或32位,Intel、AMD、Motorola、ARM等公司提供很多這樣的處理器產(chǎn)品。嵌入式微處理器通用性比較好、處理能力較強(qiáng)、可擴(kuò)展性好、尋址范圍大、支持各種靈活的設(shè)計(jì),且不限于某個(gè)具體的應(yīng)用領(lǐng)域。
在實(shí)踐應(yīng)用中,嵌入式微處理器需要在芯片外配置RAM和ROM,根據(jù)應(yīng)用要求往往要擴(kuò)展一些外部接口設(shè)備,如網(wǎng)絡(luò)接口、GPS、A/D接口等。嵌入式微處理器及其存儲(chǔ)器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上,稱之為單板計(jì)算機(jī)。
嵌入式微處理器在通用性上有點(diǎn)類似通用處理器,但前者在功能、價(jià)格、功耗、芯片封裝、溫度適應(yīng)性、電磁兼容方面更適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用要求。嵌入式處理器有很多種類型,如xScale、Geode、PowerPC、MIPS、ARM等處理器系列。
2、嵌入式微控制器
嵌入式微控制器又稱單片機(jī),已經(jīng)經(jīng)歷了近30年的發(fā)展歷史,目前在嵌入式系統(tǒng)中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。這種處理器內(nèi)部集成RAM、各種非易失性存儲(chǔ)器、總線控制器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A等各種必要功能和外設(shè)。
其跟嵌入式微處理器相比,微控制器的最大特點(diǎn)是將計(jì)算機(jī)最小系統(tǒng)所需要的部件及一些應(yīng)用需要的控制器/外部設(shè)備集成在一個(gè)芯片上,實(shí)現(xiàn)單片化,使得芯片尺寸大大減小,從而使系統(tǒng)總功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富,適合于控制,因此稱微控制器。MCU品種豐富、價(jià)格低廉,目前占嵌入式系統(tǒng)約70%以上的市場(chǎng)份額。
3、嵌入式DSP
在數(shù)字化時(shí)代數(shù)字信號(hào)處理是一門應(yīng)用廣泛的技術(shù),如數(shù)字濾波、FFT、譜分析、語(yǔ)音編碼、視頻編碼等、數(shù)據(jù)編碼、雷達(dá)目標(biāo)提取等等,傳統(tǒng)微處理器在進(jìn)行這類計(jì)算操作時(shí)的性能較低,專門的數(shù)字信號(hào)處理芯片——DSP也就應(yīng)運(yùn)而生,DSP的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)針對(duì)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),因而在執(zhí)行相關(guān)操作時(shí)具有很高的效率。在應(yīng)用中,DSP總是完成某些特定的任務(wù),硬件和軟件需要為應(yīng)用進(jìn)行專門定制,因此DSP是一種嵌入式處理器。
4、嵌入式片上系統(tǒng)
在某一類特定的應(yīng)用對(duì)嵌入式系統(tǒng)的性能、功能、接口有相似的要求,針對(duì)嵌入式系統(tǒng)的這個(gè)特點(diǎn),利用大規(guī)模集成電路技術(shù)將某一類應(yīng)用需要的大多數(shù)模塊集成在一個(gè)芯片上,從而在芯片上實(shí)現(xiàn)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)大部分核心功能,這種處理器就是SOC。
SOC把微處理器和特定應(yīng)用中常用的模塊集成在一個(gè)芯片上,應(yīng)用時(shí)往往只需要在SOC外部擴(kuò)充內(nèi)存、接口驅(qū)動(dòng)、一些分立元件及供電電路就可以構(gòu)成一套實(shí)用的系統(tǒng),極大地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度,同時(shí)還有利于減小電路板面積、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)可靠性。SOC是嵌入式處理器的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。
嵌入式微控制器和SOC都具有高集成度的特點(diǎn),將計(jì)算機(jī)小系統(tǒng)的全部或大部分集成在單個(gè)芯片中,有些文獻(xiàn)將嵌入式微控制器歸為SOC。后續(xù)為了更清晰地描述,將內(nèi)部集成了RAM和ROM存儲(chǔ)器、主要用于控制的單片機(jī)稱為微控制器,而所說(shuō)的SOC則沒(méi)有內(nèi)置的存儲(chǔ)器,以嵌入式微處理器為核心、集成各種應(yīng)用需要的外部設(shè)備控制器,具有較強(qiáng)的計(jì)算性能。