1.2 嵌入式處理器

嵌入式系統的核心部件是嵌入式處理器，據不完全統計，到2000年全世界嵌入式處理器的品種總量已經超過1000種，流行體系結構有30多個系列，其中8051體系的占了多半。生產8051單片機的半導體廠家有20多個，共350多種衍生產品，僅NXP就有近百種。現在幾乎每個半導體制造商都生產嵌入式處理器，而且越來越多的公司有自己的處理器設計部門。嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到4GB，處理速度從0.1MIPS到2000MIPS，常用封裝從8個引腳到208個引腳。

1.2.1 嵌入式處理器的分類

從應用的角度來劃分，嵌入式處理器包含下面幾種類型。

1．嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）

MCU又稱單片機，就是將整個計算機系統集成到一塊芯片中。MCU一般以某一種微處理器（MPU）內核為核心，芯片內部集成ROM、RAM、總線邏輯、定時器等各種必要的功能模塊。與MPU相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從而使功耗和成本下降，可靠性提高。

MCU是目前嵌入式系統應用的主流。由于MCU的片上資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱為微控制器。為適應不同的應用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產品，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。這樣可以最大限度地與應用需求相匹配，從而減小功耗和成本。

MCU目前的品種和數量最多，比較有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外，還有許多半通用系列，如支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540、C541。

2．嵌入式微處理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）

MPU的基礎是通用計算機中的CPU。為了滿足嵌入式應用的特殊要求，MPU雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。

MPU目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM系列等。

MPU又可分為復雜指令集計算機（CISC）和精簡指令集計算機（RISC）兩類。大家熟悉的大多數臺式PC都使用CISC微處理器，如Intel的x86。RISC結構體系有兩大主流：Silicon Graphics公司（硅谷圖形公司）的MIPS技術；ARM公司的Advanced RISC Machines技術。

RISC和CISC是目前設計制造微處理器的兩種典型技術，為達到高效的目的，采用的方法不同。它們的差異主要有以下幾點。

① 指令系統：RISC設計者把主要精力放在那些經常使用的指令上，對不常用的功能，常通過組合指令來實現；而CISC計算機的指令系統比較豐富，有專用指令來完成特定的功能。

② 存儲器操作：RISC對存儲器操作有限制，使控制簡單化；而CISC機器的存儲器操作指令多，操作直接。

③ 程序：RISC匯編語言程序一般需要較大的內存空間，實現特殊功能時程序復雜，不易設計；而CISC匯編語言程序編程相對簡單，科學計算及復雜操作的程序設計相對容易，效率較高。

④ 中斷：RISC機器在一條指令執行的適當地方可以響應中斷；而CISC機器是在一條指令執行結束后響應中斷的。

⑤ CPU：RISC CPU包含較少的單元電路，面積小、功耗低；而CISC CPU包含豐富的電路單元，功能強、面積大、功耗大。

⑥ 設計周期：RISC微處理器結構簡單，布局緊湊，設計周期短，且易于采用最新技術；CISC微處理器結構復雜，設計周期長。

⑦ 易用性：RISC微處理器結構簡單，指令規整，性能容易把握，易學易用；CISC微處理器結構復雜，功能強大，實現特殊功能容易。

⑧ 應用范圍：RISC機器更適合于嵌入式應用；而CISC機器則更適合于通用計算機。

3．嵌入式DSP（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）

DSP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。

推動嵌入式DSP發展的一個重要因素是嵌入式系統的智能化。例如，各種帶有智能邏輯的消費類產品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實時語音壓縮解壓系統、虛擬現實顯示，等等。這類智能化算法一般運算量都比較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP的長處所在。

嵌入式DSP有兩個發展來源：一是DSP經過單片化、EMC改造、增加片上外設成為嵌入式DSP，TI公司的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機或片上系統（SoC）中增加DSP協處理器，例如Intel的MCS-296。

嵌入式DSP比較有代表性的產品是TI的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、用于移動通信的C5000系列及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000系列目前已經發展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。DSP的設計者們把重點放在了處理連續的數據流上。如果嵌入式應用中強調對連續的數據流的處理及高精度復雜運算，則應該選用DSP器件。

4．嵌入式片上系統SoC（Embedded System on Chip）

隨著VLSI設計的普及和半導體工藝的迅速發展，可以在一塊硅片上實現一個更為復雜的系統，這就是SoC（System on Chip）。各種通用處理器內核和其他外圍設備都將成為SoC設計公司的標準庫中的器件，用標準的VHDL等硬件描述語言描述。用戶只需定義出整個應用系統，仿真通過后就可以將設計圖交給半導體工廠制作芯片樣品。這樣，整個嵌入式系統大部分都可以集成到一塊芯片中，應用系統的電路板將變得很簡潔，這將有利于減小體積和功耗，提高系統的可靠性。

SoC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Motorola的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某類系統中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產品是NXP的Smart XA，它將XA單片機內核和支持超過2048位復雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載Java或C語言的專用SoC，可用于Internet安全方面。

1.2.2 ARM處理器

ARM（Advanced RISC Machines），既可以認為是一個公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術知識產權（IP）核的微處理器，即通常所說的ARM微處理器，已廣泛應用于工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各個領域。

1．ARM微處理器的應用領域

① 工業控制領域：作為32位的RISC架構，基于ARM核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展。ARM微控制器的低功耗、高性價比，向傳統的8位/16位微控制器提出了挑戰。

② 無線通信領域：目前已有超過85%的無線通信設備采用了ARM技術，ARM以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。

③ 網絡應用：隨著寬帶技術的推廣，采用ARM技術的ADSL芯片正逐步獲得競爭優勢。此外，ARM在語音及視頻處理上進行了優化，并獲得廣泛支持，也對DSP的應用領域提出了挑戰。

④ 消費類電子產品：ARM技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。

⑤ 成像和安全產品：現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用ARM技術。手機中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術。

2．ARM微處理器的特點

① 體積小、低功耗、低成本、高性能；

② 支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，兼容8位/16位器件；

③ 大量使用寄存器，指令執行速度更快；

④ 大多數數據操作都在寄存器中完成；

⑤ 尋址方式靈活簡單，執行效率高；

⑥ 指令長度固定。

3．ARM微處理器系列

目前常用的ARM處理器有ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、Intel的StrongARM、Intel的Xscale等。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E為4個通用處理器系列，每個系列提供一套相對獨特的性能來滿足不同應用領域的需求。如ARM7系列適用于工業控制、網絡設備、移動電話等應用；ARM9、ARM9E和ARM10E系列則更適合無線設備、消費類電子產品的設計；SecurCore系列專門為安全要求較高的應用而設計。

4．常用的ARM芯片生產廠家

（1）NXP Semiconductors

NXP Semiconductors（恩智浦半導體）是2006年從皇家飛利浦體系中獨立出的半導體公司，共有超過6700位研發工程師，總部仍設在荷蘭的Eindhoven，為歐洲第二大半導體公司，且名列全球前十強的行列。NXP公司的ARM處理器主要為LPC系列芯片，主要包括以下幾大系列。

● LPC1000系列

NXP LPC1000先進的高度集成的微控制器基于ARM Cortex-M3內核，專為那些需要在經濟型32位微控制器上開展高性能低功耗的嵌入式應用而設計，該系列微控制器在閃存或內存的運行頻率最高可達到80MHz。

NXP LPC1000系列ARM具有豐富的外設資源，最高配置包括512KB片內Flash程序存儲器、64KB片內SRAM、8通道GPDMA控制器、4個32位通用定時器、1個8通道12位ADC、1個10位DAC、1路電機控制PWM輸出、1個正交編碼器接口、6路通用PWM輸出、1個看門狗定時器及1個獨立供電的超低功耗RTC。

NXP LPC1000系列ARM還集成了大量的通信接口：1個以太網MAC、1個USB 2.0全速接口、4個UART接口、2路CAN、2個SSP接口、1個SPI接口、3個I2C接口、2路I2S輸入和2路I2S輸出。

按照推出的時間次序進行排列，NXP的Cortex產品線主要有LPC1700、LPC1300及LPC1100等幾個系列器件。

● LPC2000系列

NXP LPC2000系列基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-S CPU，并帶有大容量嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。

NXP LPC2000系列采用非常小的64腳封裝、極低的功耗、多個32位定時器、4路10位ADC、PWM輸出及多達9個外部中斷，這使它們特別適用于工業控制、醫療系統、訪問控制和電子收款機（POS）等應用領域。由于內置了寬范圍的串行通信接口、以太網、802.11及USB功能，也非常適合于通信網關、協議轉換器、嵌入式軟件調制解調器及其他各種類型的應用。

NXP LPC2000微控制器系列產品線十分豐富，包括LPC2100、LPC2200、LPC2300、LPC2400、LPC2800和LPC2900等幾個系列器件。

● LPC3000系列

NXP LPC3000系列是基于ARM926EJ內核的32位微控制器，提供矢量浮點協處理器和集成移動USB，可以在最低達0.9V的超低電壓下運行。主要針對消費電子、工業、醫療和汽車電子應用，為設計師提供一種高性能、高功耗效率的微控制器。

NXP LPC3200系列采用90nm工藝設計，結合了1個ARM926EJ核、1個矢量浮點協處理器（VFP）、1個LCD控制器、1個以太網MAC、On-The-Go USB、1個高效的總線陣列及大量的標準外設，使得嵌入式系統設計師能夠在不損失任何性能的前提下減少片上器件數量，并且最大程度地節省功耗。

NXP LPC3200結合了高性能、低功耗和眾多的外設，被設計用來為那些要求高速并同時進行通信的應用提供靈活性。其特性包括：I2C、I2S、SPI、SSP、UART、USB、OTG、SD、PWM、具有觸摸屏接口的A/D、10/100以太網MAC和一個支持STN和TFT面板的24位LCD控制器。該系列支持DDR、SDR、SRAM和閃存，并且提供從Nand閃存、SPI存儲器、UART或SRAM啟動的可選項。

NXP LPC3000微控制器系列包括LPC31x0和LPC32x0等幾個系列器件。

● LH7系列

NXP還推出高度集成的基于ARM7和ARM9的多用途微控制器系列產品。這些器件非常適合多種應用領域，包括工業控制、智能家電和PDA等。

LH75xxx系列采用ARM7TDMI內核、32位處理器、32KB片上SRAM、LCD色彩和灰度控制器、外加3個UART、1個SPI接口、CAN總線2.0B、3個16位計數/定時器、1個A/D轉換器、看門狗定時器和低電壓檢測器。該系列產品是那些需要集成LCD控制的低成本設計絕佳的解決方法。應用范圍包括全球定位系統、PDA、打印機/復印機、安全控制面板和智能家電等。

LH79xxx系列采用32位ARM720T內核與8KB緩存、存儲器管理單元、LCD色彩控制器和32KB SRAM。同時還包括一些增強型外圍設備，如DMA控制器、串行和并行接口、紅外支持、計數/定時器、實時時鐘、看門狗定時器、脈寬調制器和片上鎖相環。

LH7Axxx系列采用32位的ARM922T內核，帶有8KB的指令緩存、8KB的數據緩存和80KB的幀緩沖存儲器。它們包含相同的LCD控制器，支持1024×768、64k色的STN、CSTN、TFT和AD-TFT顯示屏。為包括消費、娛樂、工業/商業、醫藥和汽車等各種應用提供了強大、靈活的特性。

（2）Samsung

Samsung公司的ARM處理器是目前使用最廣的ARM處理器之一。Samsung公司針對ARM處理器的應用范圍將其處理器分成3類。

① 手持設備。適合各類低功耗產品，常用的芯片有：S3C44B0（ARM7TDMI核心，主頻66MHz，集成STN LCD控制器，無網絡接口）和S3C2410（ARM920T核心，主頻200MHz，支持TFT，USB Host，Device，SD Host及MMC接口，觸摸屏接口，Nand Flash直接引導，無網絡接口）。適用產品：POS、PDA、E-Book、GPS、智能電話、電子書包、機頂盒、手持游戲機、電子相冊、視頻監控、智能控制儀表等。

② 網絡設備。常用的芯片有：S3C4510B（ARM7TDMI核心，主頻50MHz，MAC接口，無LCD控制器）和S3C2510（ARM940T核心，主頻166MHz，2ch MAC接口，DES/3DES加密，PCI總線，USB Host和Device）。適用產品：以太網HUB、交換機、路由器、VOIP、XDSL Modem、WLAN產品、家庭網關等。

③ ADSL。常用的芯片有S5N8947（ARM7，66MHz，2ch MAC，USB，ATM SAR）。適用產品：ADSL橋接Modem、ADSL路由器、ADSL網關、VOIP、VODSL、DSLAM等。

（3）TI

TI公司的OMAP處理器內含一個增強型處理器（ARM925）和TI公司最新研制出的低功耗定點DSP（TMS320C55x）。該雙核心組件設計的目的就是為了有效處理多媒體應用和MMI應用，其中，ARM925用于執行操作系統，而DSP用于處理所有多媒體應用。

OMAP平臺由一個微處理器子系統（ARM）、一個DSP子系統、一個內存接口流量控制器、一些專用的多媒體應用外圍設備（MWA）和一個多任務接口構成。在OMAP中，每個核心的最高執行速度都可達到150MHz，并且都可以隨作業頻率的降低而作出相應改動以節約功耗。C55x DSP內有5組數據總線，在一個周期內允許3次讀取作業和2次寫入作業。C55x最獨特的地方就是具備雙MAC結構，并且其內部具有一個硬件圖形加速器。

OMAP嵌入式處理器系列是專門為支持第三代（3G）無線終端應用而設計的應用處理器體系結構。OMAP嵌入式處理器系列包括應用處理器及集成的基帶應用處理器，目前已廣泛應用于PDA、無線遠程通信、醫療器械等領域。

（4）Motorola

Motorola公司的32位處理器有68k系列、DragonBall、PowerPC等系列。其中68k系列和PowerPC系列都是獨立的處理器體系結構。DragonBall系列有繼承68k系列的MC68xx328 CPU，還包括集成ARM內核的MC9328系列，如MC9328MX1，MC9328MXL等系列產品。

MC9328MX1處理器是DrangonBall家族中的第五代工業標準的產品，其特點是低功耗、高集成度，用于個人手持產品等。采用ARM920T微處理核，擁有藍牙無線接口，提供智能外圍組合接口、高檔處理核、電源管理系統，主頻可達200MHz。組合模塊包含：LCD控制器、靜態RAM，USB接口支持，A/D轉換（包括觸摸屏），以及一個MMC/SD主控器，提供藍牙技術應用、SIM卡接口、MemoryStick接口、I2C和SSI總線等。

另外，從Motorola半導體獨立出來的Freescale（飛思卡爾）公司推出的ColdFire（冷火）系列微控制器，在低端工業控制領域的應用中也有不俗的表現。

（5）Intel

Intel公司在原StrongARM的基礎上發展了第二代嵌入式微處理器體系結構——Xscale。Xscale微處理器除了具有比上一代StrongARM微處理器更好的數據處理速度外，還具有更低功耗及強大的外圍設備集成能力。

Intel公司的80200是以Xscale體系結構所設計的一個嵌入式微處理器。80200使用Intel公司的超流水線RISC技術，具有32KB的指令Cache和32KB的數據Cache，還具有32位的指令和數據MMU。

PXA255和PXA270是Xscale系列的典型代表，它們是基于PDA應用的微處理器，內部集成了很多手持設備需要的外圍設備，包括RTC、看門狗、USB、串行口、藍牙控制器，可外擴PS/2、以太網、紅外線、LCD觸摸屏控制器等。