1.2 嵌入式微處理器

嵌入式計算機技術的應用已影響到我們生活的方方面面，幾乎無處不在，在移動電話、家用電器、汽車等無不有它的蹤影。嵌入式技術將使日常使用的設備具有智能，變得聰明。在一些發達國家，人均占有32位嵌入式微控制器的數量已超過15個。

1.2.1 嵌入式微處理器組成

微處理器是整個系統的核心，通常由3大部分組成：控制單元、算術邏輯單元和寄存器，如圖1.1所示。

1．控制單元

主要負責取指、譯碼和取操作數等基本動作，并發送主要的控制指令。控制單元中包括兩個重要的寄存器：程序計數器（PC）和指令寄存器（IR）。程序計數器用于記錄下一條程序指令在內存中的位置，以便控制單元能到正確的內存位置取指；指令寄存器負責存放被控制單元所取的指令，通過譯碼，產生必要的控制信號送到算術邏輯單元進行相關的數據處理工作。

2．算術邏輯單元

算術邏輯單元分為兩部分，一部分是算術運算單元，主要處理數值型的數據，進行數學運算，如加、減、乘、除或數值的比較；另一部分是邏輯運算單元，主要處理邏輯運算工作，如AND、OR、XOR或NOT等運算。

3．寄存器

用于存儲暫時性的數據。主要是將從存儲器中所得到的數據送到算術邏輯單元中進行處理，然后將算術邏輯單元中處理好的數據再進行算術邏輯運行或存入到存儲器中。

1.2.2 嵌入式微處理器分類

嵌入式系統的核心部件是各種類型的嵌入式處理器，據不完全統計，全世界嵌入式處理器的品種已達到至少100個系列1200多種機型，流行體系結構有30多個系列，其中8051體系的占有一半。根據其現狀，嵌入式計算機技術的應用按照所使用處理器的不同可分為：

1．嵌入式微處理器系統EMPU

在應用中，將微處理器裝配在專門設計的電路板上，只保留和嵌入式應用有關的母板功能，這樣可以大幅度減小系統體積和功耗。為了滿足嵌入式應用的要求，嵌入式微處理器和標準微處理器雖然在功能上基本一致，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面有所增強。

2．嵌入式微控制器系統MCU

嵌入式微控制器又稱單片機。一個系列的嵌入式微控制器具有多種衍生產品，每種衍生產品的處理器內核都是一樣的，不同的是存儲器和外設的配置及封裝。這樣可以使嵌入式微控制器最大限度地和應用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，從而使體積減小，功耗和成本下降，可靠性提高，片內資源一般比較豐富，只要外部配上適當的外圍器件就可以構成各種控制系統及設備，是目前嵌入式系統工業的主流。

3．嵌入式處理器系統DSP

嵌入式DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊設計，使其適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。在數字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領域。

4．嵌入式片上系統SoC

隨著EDI的推廣和VLSI設計的普及化及半導體工藝的迅速發展，在一個硅片上實現一個更為復雜的系統的時代已來臨，這就是SoC。

微處理器和嵌入式微控制器已成為現代電子系統的必備部件。高技術電子產品的競爭往往就集中在對微處理器和嵌入式控制器的應用上，而產品性能在很大程度上就取決于微處理器和嵌入式控制器的設計應用水平上。

通常談到嵌入式系統所執行的硬件平臺，都會以CPU種類來論，提到CPU就會聯想到PC，但事實上CPU的應用領域、范圍及采用的數量都遠遠超過PC的范疇。以數量上來看x86的CPU，包含Intel及AMD公司所生產的PC機的CPU，加起來也抵不過其他種類CPU總消耗量的0.1%，其中應用數量最大的是在嵌入式系統。數量之大說明了嵌入式系統應用的范圍之廣，這也意味著沒有什么所謂典型的嵌入式系統應用。

1.2.3 嵌入式微處理器系統架構

一般用于嵌入式微處理器系統的CPU有以下幾種架構。

1. x86架構

這里指的x86系列CPU是針對嵌入式系統，所以并不是每天都接觸到的Intel Pentium系列或AMD公司的Athlon CPU，而是如美國國家半導體公司的Geode系列CPU。

相對于一般PC而言，嵌入式的x86架構CPU并不需要那么強大的運算功能，因為嵌入式系統的硬件需求較低，且目前這類的CPU主要用于機頂盒上。

2. ARM架構

ARM是Advanced RISC Machines Limited的英文縮寫，目前世界上前五大半導體公司全部使用了ARM的技術授權，而前十大半導體公司有9家使用。ARM系列CPU中最常見的是Intel公司的StrongArm系列和Samsung公司的ARM系列。ARM架構現階段被廣泛應用在掌上電腦中，如惠普iPAQ系列掌上電腦。

3. MIPS架構

MIPS系列CPU中以NEC公司生產的NEC VR系列最出名，采用NEC VR系列CPU的有CASIO的CASIO Cassiopeia E-115等。

4. PowerPC架構

PowerPC系列CPU中當推Palm所采用的Motorola公司的Dragon Ball系列CPU, Palm的兼容機種應該是大家最耳熟能詳的，如Palm V系列、m系列，Handspring的Visor系列，還有令人驚艷的Sony CLIE PEG系列等。

5．其他

其他還有一些功能比較簡單的芯片，如m68k、8051等。這類芯片比較常用在工業工程中，如機械手臂控制。

ARM主要用在手機等便攜式設備領域，MIPS主要用在住宅網關、線纜調制解調器、線纜機頂盒等領域。ARM采用硬核授權；MIPS采用軟核授權，用戶可以自己配置，做自己的產品。未來發展中，ARM的下一代走向多內核結構，而MIPS公司的下一代核心則轉向硬件多線程功能。