1.2.1　嵌入式系統(tǒng)硬件發(fā)展階段

嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的核心部件是各種類型的嵌入式微處理器。在嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展過程中，每個(gè)發(fā)展階段均有一些微處理器作為主流芯片被大量使用。但是，沒有哪一種微處理器處于絕對(duì)的壟斷地位，這一點(diǎn)與通用個(gè)人計(jì)算機(jī)是不同的，這是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的應(yīng)用需求多種多樣，硬件平臺(tái)很難統(tǒng)一。在國內(nèi)，以下幾種出現(xiàn)過的主流嵌入式微處理器，被大量用在相應(yīng)各階段的嵌入式系統(tǒng)上。

1. Intel 8080、MC6800、Z80等

Intel 8080是Intel（英特爾）公司于1974年推出的微處理器，MC6800是Motorola（摩托羅拉）公司于1974年推出的微處理器，Z80是美國Zilog公司于1976年推出的微處理器。這些微處理器的數(shù)據(jù)位均是8位（bit），可直接尋址的存儲(chǔ)器容量通常為64KB。

上述3種微處理器，在微處理器誕生的早期階段（20世紀(jì)70年代中期~20世紀(jì)90年代初期），被廣泛地用在了企業(yè)生產(chǎn)過程及其設(shè)備的控制中，那時(shí)嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品形式主要是控制器，是嵌入其他設(shè)備中起控制作用的專用計(jì)算機(jī)，如數(shù)控機(jī)床的控制器、數(shù)字式溫控器等。

由于這個(gè)階段的微處理器內(nèi)部一般沒有集成特定功能的部件，如定時(shí)器部件、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步接收發(fā)送設(shè)備）部件、A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換部件等，因此嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)需要外加具有專用功能的芯片來完成這些功能，并且外圍的其他組合邏輯電路及時(shí)序邏輯電路通常采用74系列的芯片來完成設(shè)計(jì)。

2. MCS-51系列單片機(jī)

MCS-51系列單片機(jī)是Intel公司生產(chǎn)的一系列8位數(shù)據(jù)寬度的微處理器的統(tǒng)稱，由于這些微處理器中集成了存儲(chǔ)器以及許多專用功能部件，如定時(shí)器部件、UART部件、A/D轉(zhuǎn)換部件等，因此把它們稱為單片機(jī)。與上面的Z80、Intel 8080等微處理器不同的是，它們有時(shí)被稱為嵌入式微控制單元。這一系列微處理器包括許多品種，如8031、8051、8052、8055等。

自20世紀(jì)80年代Intel公司推出MCS-51系列單片機(jī)以來，該系列的微處理器迅速在嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，并逐步取代了Z80等微處理器，在工業(yè)控制器及智能儀器儀表等產(chǎn)品的硬件平臺(tái)中成為主流。在我們的日常生活中，也涌現(xiàn)了許多以MCS-51系列單片機(jī)為核心的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品，如用于公交車、食堂等場(chǎng)合的IC（Integrated Circuit，集成電路）讀卡器，用于小區(qū)、辦公區(qū)等場(chǎng)合的門禁系統(tǒng)，等等。目前，MCS-51系列的微處理器仍然在許多嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

為了滿足更高的計(jì)算要求，Intel公司還推出了MCS-96系列單片機(jī)。這一系列的微處理器的數(shù)據(jù)寬度是16位，具有16位數(shù)據(jù)乘以16位數(shù)據(jù)的乘法指令，以及32位數(shù)據(jù)除以16位數(shù)據(jù)的除法指令。

3. DSP微處理器

DSP（Digital Signal Processor，數(shù)字信號(hào)處理器）微處理器是一系列適合完成數(shù)字信號(hào)處理工作的微處理器的統(tǒng)稱。所謂數(shù)字信號(hào)處理，指的是信號(hào)（如音頻信號(hào)、視頻信號(hào)）經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的后續(xù)處理，主要有數(shù)字濾波、編碼/解碼等。這些信號(hào)處理工作涉及大量的乘法、加法運(yùn)算。例如：進(jìn)行數(shù)字濾波處理時(shí)，需要涉及卷積運(yùn)算；進(jìn)行編碼/解碼處理時(shí)，需要涉及傅里葉變換和傅里葉逆變換等；而卷積運(yùn)算、快速傅里葉變換等算法均是采用多次相乘并累加來完成的。若采用普通的微處理器處理這些運(yùn)算，需要執(zhí)行的指令非常多（即通常需要采用多重循環(huán)結(jié)構(gòu)來編程實(shí)現(xiàn)），效率很低。DSP微處理器具有專門的指令處理這些運(yùn)算，效率要高得多。因此，DSP微處理器在需要進(jìn)行信號(hào)處理的場(chǎng)合得到了廣泛使用，如數(shù)碼相機(jī)、VoIP（Voice over IP，互聯(lián)網(wǎng)電話）機(jī)、機(jī)器人控制等領(lǐng)域。

目前，在國內(nèi)，使用得最多的DSP微處理器是TI公司推出的TMS320系列的DSP微處理器。TI公司在1982年推出了首款DSP微處理器TMS32010，之后又推出了多種型號(hào)的DSP微處理器，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。目前，TI公司的DSP微處理器主要有三大系列，具體如下。

● TMS320C2000系列的DSP微處理器。該系列的DSP微處理器適合應(yīng)用在數(shù)字控制、運(yùn)動(dòng)控制的場(chǎng)合，主要的型號(hào)有TMS320C24×/F24×、TMS320LC240×/LF240×、TMS320C24×A/LF240×A、TMS320C28××等。

● TMS320C5000系列的DSP微處理器。該系列的DSP微處理器適合應(yīng)用在手持設(shè)備、無線終端設(shè)備等功耗低的設(shè)備中，主要的型號(hào)有TMS320C54×、TMS320C54××、TMS320C55×等。

● TMS320C6000系列的DSP微處理器。該系列的DSP微處理器適合應(yīng)用在高性能、多功能、復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域，主要的型號(hào)有TMS320C62××、TMS320C64××、TMS320C67××等。

除了TI公司的DSP微處理器外，目前國內(nèi)使用的DSP微處理器還有ADI公司、Motorola公司、Agere System公司等生產(chǎn)的DSP微處理器。

4. ARM系列微處理器

ARM系列微處理器也是一類微處理器的統(tǒng)稱，它是指以ARM公司微處理器核為中心、集成了許多外圍專用功能部件的芯片，如三星公司的S3C2440、Atmel公司的AT91SAM9260、Intel公司的PXA270等。目前，主流的ARM系列微處理器的數(shù)據(jù)寬度為32位，主頻為幾百兆赫茲。它們?cè)谠S多嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，如智能手機(jī)、PDA（Personal Digital Assistant，個(gè)人數(shù)字助理）、GPS導(dǎo)航儀等。

由于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用目標(biāo)是多種多樣的，ARM公司為滿足這些多樣性的要求，開發(fā)出了多種不同架構(gòu)的微處理器核。因此，ARM系列微處理器根據(jù)其微處理器核的架構(gòu)，又分成許多子系列。目前的子系列主要有ARM9系列、ARM9E系列、ARM10系列、ARM11系列、Cortex系列、XScale系列等。并且，ARM公司通過ARM架構(gòu)授權(quán)、IP核授權(quán)或應(yīng)用級(jí)授權(quán)，使ARM微處理器核被集成到許多智能移動(dòng)芯片中，如高通公司的驍龍835芯片，其內(nèi)部就集成了Cortex-A架構(gòu)的微處理器核。

5. SOPC

SOPC（System on a Programmable Chip，可編程片上系統(tǒng)）是一種新的計(jì)算機(jī)體現(xiàn)形式。它可以在一塊FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）芯片中，通過軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的主要功能。它是嵌入式系統(tǒng)的一種特殊形式，也是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。

SOPC的實(shí)現(xiàn)需要基于超大集成規(guī)模的FPGA芯片。通常，這個(gè)FPGA芯片上需要集成至少一個(gè)微處理器核（硬核或者軟核）、片上總線、片內(nèi)存儲(chǔ)器以及大量的可編程邏輯陣列等。

SOPC上的微處理器核有硬核和軟核兩種。所謂硬核是指微處理器核由一個(gè)專門的硅片實(shí)現(xiàn)，也就是說，由FPGA芯片中的一組專用的硬件電路實(shí)現(xiàn)。例如：Xilinx公司推出的Zynq-7000系列芯片，內(nèi)部集成了兩個(gè)ARM的Cortex-A9微處理器硬核；Altera公司推出的Excalibur系列芯片，內(nèi)部集成了一個(gè)ARM920T微處理器硬核。而所謂軟核是指SOPC通過硬件描述語言（如Verilog）或者網(wǎng)表描述，利用FPGA芯片中的可編程邏輯部件實(shí)現(xiàn)的微處理器核。Nios Ⅱ就是一個(gè)典型的微處理器軟核。

Nios Ⅱ是Altera公司于2004年推出的32位微處理器軟核，具體包括3種軟核：Nios Ⅱ/f（一種當(dāng)時(shí)實(shí)現(xiàn)了最佳性能優(yōu)化的軟核，需要中等的FPGA邏輯資源使用量）、Nios Ⅱ/s（一種標(biāo)準(zhǔn)需求的軟核，需要較少的FPGA邏輯資源使用量）、Nios Ⅱ/e（一種經(jīng)濟(jì)的軟核，需要最少的FPGA邏輯資源使用量）。采用Quartus Ⅱ集成開發(fā)環(huán)境就可以方便地在FPGA芯片中構(gòu)建Nios Ⅱ系統(tǒng)，以便支持SOPC的設(shè)計(jì)。

目前，國內(nèi)使用的FPGA芯片主要是由Xilinx公司和Altera公司提供的。另外，Actel公司、Lattice公司、Atmel公司等提供的FPGA芯片在我國也有一些特定的行業(yè)選擇使用。

開發(fā)基于SOPC的嵌入式系統(tǒng)，需要軟硬件協(xié)同的綜合設(shè)計(jì)。若嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用功能需要用軟件實(shí)現(xiàn)，則需要采用能支持C語言、C++語言開發(fā)的軟件工具，利用C語言或C++語言等進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)完成該功能的軟件代碼。而若應(yīng)用功能需要用硬件實(shí)現(xiàn)，則需要采用Verilog語言或VHDL（VHSIC Hardware Description Language，VHSIC硬件描述語言）來完成硬件邏輯電路的設(shè)計(jì)。并且軟硬件的功能可以融合在一起，在一塊FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)。

前文大概介紹了嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)發(fā)展過程。在不同的硬件發(fā)展階段，我國的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品廣泛地使用了若干種嵌入式微處理器。如今這些微處理器有些已經(jīng)被淘汰了，不再使用，如Z80、Intel 8080、MC6800等，有些還在繼續(xù)使用。目前，基于ARM+FPGA的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中得到了廣泛的使用，但也不具備壟斷地位，其他嵌入式微處理器也在一些領(lǐng)域得到應(yīng)用，如MCS-51系列、DSP系列以及MIPS系列、PowerPC系列等。

目前，國產(chǎn)的龍芯微處理器在國內(nèi)的許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。龍芯微處理器至今主要有三大系列產(chǎn)品——龍芯1號(hào)、龍芯2號(hào)、龍芯3號(hào)。其中龍芯1號(hào)又有龍芯1A、龍芯1B、龍芯1C、龍芯1E等子系列，它們面向嵌入式系統(tǒng)，主要被應(yīng)用在智能儀器儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域。