1.2 嵌入式系統硬件

嵌入式系統的核心是嵌入式微處理器。嵌入式微處理器一般具備4個特點：

① 對實時和多任務有很強的支持能力，能完成多任務并且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時操作系統的執行時間減少到最低限度；

② 具有功能很強的存儲區保護功能，這是由于嵌入式系統的軟件結構已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現錯誤的交叉作用，需要設計強大的存儲區保護功能，同時也有利于軟件診斷；

③ 可擴展的處理器結構，以便能夠迅速地擴展滿足應用的高性能的嵌入式微處理器；

④ 嵌入式微處理器的功耗要求必須很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設備，對于靠電池供電的嵌入式系統更是如此，功耗往往為mW甚至μW級。

1.2.1 嵌入式微處理器

微處理器是一個集中取址和處理一組通用指令的單元。任何一個CPU必須包括一個控制單元和一個ALU單元。而嵌入式微處理器采用的是“增強型”通用微處理器。由于嵌入式系統通常應用于條件比較惡劣的環境中，因而嵌入式微處理器在工作溫度、電磁兼容性以及可靠性等方面的要求較通用的標準微處理器高。根據實際嵌入式應用要求，將嵌入式微處理器裝配在專門設計的電路板（Printed Circuit Board，PCB）上，只保留和嵌入式應用有關的應用功能，這樣可以大幅度地減小系統的體積和功耗。

和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器組成的系統具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等一系列優點，但在其PCB上必須包括ROM、RAM、總線接口、必要的外設等器件。由嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設等器件安裝在一塊PCB上而構成的系統，就是通常所說的單板機系統。嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM、DSP系列等。

1.2.2 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又稱為單片機，它將整個計算機系統集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某種微處理器內核為核心，根據某些典型的應用，在芯片內部集成了ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調制輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能部件和外設。為適應不同的應用需求，對功能的設置和外設的配置進行必要的修改和裁減定制，使得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相同，主要的不同在于存儲器、外設的配置和功能的設置等方面。這樣可以使單片機最大限度地和應用需求相匹配，從而降低整個系統的功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比，微控制器的單片化使應用系統的體積大大減小，從而使功耗和成本大幅度下降，可靠性得到提高。由于嵌入式微控制器目前在產品的品種和數量上是所有嵌入式處理器中最多的，而且上述諸多優點決定了微控制器是嵌入式系統應用的主流，目前MCU占到嵌入式系統市場絕大多數的份額。微控制器的片上外設資源比較豐富，適合于控制。通常，嵌入式微控制器可分為通用和半通用兩類，比較有代表性的通用系列包括S08/S12、8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68000等，而比較有代表性的半通用系列，通常支持USB接口；支持SPI、I2C、CAN總線；支持LCD模塊等眾多專用的MCU和兼容系列。

1.2.3 嵌入式DSP處理器

在數字信號處理應用中，各種數字信號處理算法往往相當復雜，一般結構的處理器無法實時地完成這些運算功能。由于DSP處理器對系統結構和指令進行了特殊的設計，使其特別適合進行實時數字信號處理。在數字濾波、FFT（快速傅里葉變換）、譜分析等方面，DSP算法正大量進入嵌入式領域，DSP應用正逐步從通用單片機中以普通指令實現DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩類：① DSP處理器經過單片化、EMC（電磁兼容性）改造、增加片上外設成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；② 在通用單片機或SOC中增加DSP協處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon的TriCore系列等。另外，在有關智能方面的應用中，也需要嵌入式DSP處理器，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、非對稱數字用戶線路（Asymmetrical Digital Subscriber Line，ADSL）接入、實時語音壓解系統、虛擬現實顯示等各類應用。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的優勢所在。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產品是TI的TMS320系列和Freescale的DSP56000系列等。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列等。DSP56000目前已經發展成為DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等多種不同系列的DSP處理器。

1.2.4 嵌入式片上系統

隨著電子設計自動化（Electronic Design Automation，EDA）的推廣和大規模集成電路（Large Scale Integrated Circuit，VLSI）設計的普及化，以及半導體工藝的迅速發展，可以在一塊硅片上集成實現更為復雜的系統，這就產生了SOC技術。各種通用處理器內核可以作為SOC設計公司的標準庫，而嵌入式系統外設也成為了VLSI設計中的標準器件，可以通過標準的VHDL、Verilog等硬件語言描述保存在器件庫中，供用戶設計選擇使用。用戶根據需求定義應用系統，通過開發工具仿真、調試、驗證設計出的應用系統后，就可以將設計文檔等資料提交給半導體工廠制作樣品。這樣除某些無法集成的功能器件以外，整個嵌入式系統功能模塊的實現均可集成到一塊或幾塊芯片中，應用系統PCB設計將變得越來越簡潔，這對于減小整個應用系統的體積和功耗、提高可靠性等方面都非常有利。