1.4 嵌入式系統

1.4.1 嵌入式系統及其結構

嵌入式系統有不同的表述，國內一般定義為“以應用為中心，計算機技術為基礎，軟件硬件可裁減，適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積及功耗有嚴格要求的專用計算機系統。”嵌入式系統具有三個基本要素，即嵌入性、專用性與計算機系統。

嵌入式系統分為四個部分：嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統和嵌入式應用軟件。其結構如圖1-2所示。

嵌入式處理器是嵌入式系統硬件的核心，一般根據嵌入對象的要求不同，可以有以下選擇：嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU，又稱單片機）、嵌入式數字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP）、嵌入式微處理器（Embedded MicroProcessor Unit，EMPU）、嵌入式片上系統（System on Chip，SoC）。

（1）嵌入式數字信號處理器（DSP）

DSP適用于高速實現各種數字信號處理運算（如數字濾波、FFT及頻譜分析等）的嵌入式處理器。由于對DSP硬件采用多總線的哈佛（Harvard）結構，程序存儲器和數據存儲器分開使用，獨立編址，獨立訪問，支持流水線操作，使取指、譯碼和執行等操作可以重疊執行，具有硬件乘法器，并對指令進行了特殊設計，從而使其能高速地完成各種數字信號處理算法，使數據的處理能力大大提高。

1982年，美國TI（Texas Instruments）公司成功推出了其第一代DSP芯片TMS32010及其系列產品TMS32011、TMS320C10/C14/C15/C16/C17等，之后相繼推出了第二代DSP芯片TMS32020、MS320C25/C26/C28，第三代DSP芯片TMS320C30/C31/C32，第四代DSP芯片TMS320C40/C44，第五代DSP芯片TMS320C5X/C54X，第二代DSP芯片的改進型TMS320C2XX，集多片DSP芯片于一體的高性能DSP芯片TMS320C8X以及目前速度較快的第六代DSP芯片TMS320C62X/C67X等。

20世紀90年代，無線通信、各種網絡通信及多媒體技術的普及和應用，以及高清晰度數字電視研究，都極大程度推動了DSP的推廣應用。DSP主要廠商有美國TI、ADI、Motorola及Zilog等公司。TI公司產品占約60%的全球DSP市場份額，代表性產品是TMS320系列，包括用于控制領域的TMSC2000系列，移動通信的TMSC5000系列，以及用在通信和數字圖像處理的TMSC6000系列等。

根據DSP芯片工作的數據格式，一般把DSP芯片分為定點DSP芯片（數據以定點格式運算）和浮點DSP芯片（數據以浮點格式運算）。如TI公司的TMS320C1X/C2X、TMS320C2XX/C5X及TMS320C54X/C62XX系列，AD公司的ADSP21XX系列，AT&T公司的DSP16/16A，Motolora公司的MC56000等為定點DSP；TI公司的TMS320C3X/C4X/C8X，AD公司的ADSP21XXX系列，AT&T公司的DSP32/32C，Motolora公司的MC96002等為浮點DSP。

與單片機相比，DSP高速運算的硬件結構與指令系統，以及多總線結構，尤其是處理數字信號算法的復雜度以及數據處理的大流量，DSP的優勢明顯，而DSP芯片的其他通用功能相對較弱。通常，如以數字信號處理及數字運算為主，則選用DSP；以事務處理及I/O控制為主，則選用MCU。

（2）嵌入式微處理器

EMPU由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特征是具有32位以上的處理器，具有較高的性能，當然其價格也相應較高。但與計算機處理器不同的是，在實際嵌入式應用中，只保留和嵌入式應用緊密相關的功能硬件，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求，具有體積小、重量輕、成本低及可靠性高的優點。全世界嵌入式微處理器已經超過1000多種，有30多個系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。

嵌入式微處理器的代表性產品為ARM系列，主要包括5個產品系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。

以ARM7為例，其地址線32條，能擴展的存儲器空間要比單片機存儲器空間大得多，可配置實時多任務操作系統（RTOS），而RTOS則是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺。常用的RTOS為Linux（數百KB）和VxWorks（數MB）以及μC-OSⅡ。

嵌入式實時多任務操作系統具有高度靈活性，較容易對它進行定制或開發，即“裁剪”“移植”“編寫”，從而設計出用戶所需的應用程序。

（3）嵌入式片上系統（SoC）

SoC稱為系統級芯片，也有稱片上系統，是一個超大規模集成電路（VLSI），采用超深亞微米工藝制作，它既像MCU那樣有內置RAM、ROM，同時又像EMPU那樣強大，不僅存放簡單的代碼，還可以存放系統級的代碼，其中包含完整系統并有嵌入軟件的全部內容。同時它又是一種技術，用以實現從確定系統功能開始，到軟/硬件功能劃分，并完成設計的整個過程。SoC最大的特點是成功實現了軟硬件無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊，可以在一個硅片內部運用VHDL等硬件描述語言，實現一個可編程的硬件系統設計。用戶通過硬件描述語言，綜合時序設計直接在器件庫中調用各種通用處理器的標準，通過仿真之后交付定制或下載固件完成設計。由于絕大部分系統構件都是在系統內部，整個系統就特別簡潔，不僅減小了系統的體積和功耗，而且提高了系統的可靠性，提高了設計生產效率。