嵌入式處理器

自微處理器的問世以來，嵌入式系統得到了飛速的發展，嵌入式處理器毫無疑問是嵌入式系統的核心部分，嵌入式處理器直接關係到整個嵌入式系統的性能。通常情況下嵌入式處理器被認為是對嵌入式系統中運算和控制核心器件總的稱謂。

世界上具有嵌入式功能特點的處理器已經超過1000種，流行體系結構包括MCU，MPU等30多個系列。鑒於嵌入式系統廣闊的發展前景，很多半導體製造商都大規模生產嵌入式處理器，並且公司自主設計處理器也已經成為了未來嵌入式領域的一大趨勢，其中從單片機、DSP到FPGA有著各式各樣的品種，速度越來越快，性能越來越強，價格也越來越低。嵌入式處理器的定址空間可以從64kB到16MB，處理速度最快可以達到2000MIPS，封裝從8個引腳到144個引腳不等。

嵌入式微處理器誕生於20世紀70年代末，其間經歷了SCM、MCU、網路化、軟體硬化四大發展階段。

1.SCM階段：即單片微型計算機(Single Chip Microcomputer)階段，主要是單片微型計算機的體系結構探索階段。Zilog公司Z80等系列單片機的“單片機模式”獲得成功，走出了SCM與通用計算機完全不同的發展道路。

2.MCU階段：即嵌入式微控制器(Micro-Controller Unit，單片機)大發展階段，主要的技術方向是：為滿足嵌入式系統應用不斷擴展的需要，在晶元上集成了更多種類的外圍電路與介面電路，突顯其微型化和智能化的實時控制功能。80C51微控制器是這類產品的典型代表型號。

3.網路化階段：隨著網際網路的高速發展，各個系統，不論是手持型還是固定式的嵌入式電子產品都希望能聯接網際網路。因此，網路模塊集成於晶元上就成為了一個重要模塊。

4.軟體硬化階段：隨著市場對CPU晶元產品的使用面越來越廣，對速度、性能等方面的要求越來越高，同時要求的產品開發的時間越來越短，而軟體功能和系統卻越來越複雜，要求實時處理的多媒體等大型文件的處理要求越來越多(如MP3、MP4播放器、GPS導航儀等)，以及手持型數字電視飛速發展的需要，有的還需要實時在線快速改變邏輯功能，尤其是對低功耗的需要越來越嚴，僅僅採用軟體的方式已遠遠不能滿足這些市場發展的實際需要。同時，隨著半導體設計和加工技術的飛速發展以及設計水平的自動化程度的提高，極大地降低了嵌入式微處理器晶元的設計難度。為軟體硬化的普及發展帶來了極大的促進作用。

嵌入式微處理器與普通台式計算機的微處理器設計在基本原理上是相似的，但是工作穩定性更高，功耗較小，對環境(如溫度、濕度、電磁場、振動等)的適應能力強，體積更小，且集成的功能較多。在桌面計算機領域，對處理器進行比較時的主要指標就是計算速度，從33MHz主頻的386計算機到3GHz主頻的Pentium 4處理器，速度的提升是用戶最主要關心的變化，但在嵌入式領域，情況則完全不同。嵌入式處理器的選擇必須根據設計的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封裝形式、SoC程度、成本、商業考慮等等諸多因素之中進行折中，擇優選擇。

嵌入式處理器做為嵌入式系統的核心，嵌入式處理器擔負著控制、系統工作的重要任務，使宿主設備功能智能化、靈活設計和操作簡便。為合理高效的完成這些任務，一般說，嵌入式處理器具有以下特點：很強的實時多任務支持能力，存儲區保護功能，可擴展的微處理器結構，較強的中斷處理能力，低功耗。

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就具備以下4個特點：

1）對實時多任務有很強的支持能力，能完成多任務並且有較短的中斷響應時間，從而使內部的代碼和實時內核心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。這是由於嵌入式系統的軟體結構已模塊化，而為了避免在軟體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，同時也有利於軟體診斷。

3）可擴展的處理器結構，以能最迅速地開展出滿足應用的最高性能的嵌入式微處理器。

4）嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用於攜帶型的無線及移動的計算和通信設備中靠電池供電的嵌入式系統更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

微處理器

嵌入式微處理器（Micro Processor Unit，MPU）是由通用計算機中的CPU演變而來的。它的特徵是具有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體，去除其他的冗餘功能部分，這樣就以最低的功耗和資源實現嵌入式應用的特殊要求。和工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優點。主要的嵌入式處理器類型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/ StrongARM系列等。

其中Arm/StrongArm是專為手持設備開發的嵌入式微處理器，屬於中檔的價位。

微控制器

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)的典型代表是單片機，從70年代末單片機出現到今天，雖然已經經過了20多年的歷史，但這種8位的電子器件在嵌入式設備中仍然有著極其廣泛的應用。單片機晶元內部集成ROM/EPROM、RAM、匯流排、匯流排邏輯、定時/計數器、看門狗、I/O、串列口、脈寬調製輸出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各種必要功能和外設。和嵌入式微處理器相比，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。微控制器是目嵌入式系統工業的主流。微控制器的片上外設資源一般較豐富，適合於控制，因此稱微控制器。

由於MCU低廉的價格，優良的功能，所以擁有的品種和數量最多，比較有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及MCU 8XC930/931、C540、C541，並且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。MCU占嵌入式系統約70%的市場份額。Atmel出產的Avr單片機由於其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性價比，勢必將推動單片機獲得更高的發展。

DSP處理器

嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)，是專門用於信號處理方面的處理器，其在系統結構和指令演演算法方面進行了特殊設計，具有很高的編譯效率和指令的執行速度。在數字濾波、FFT、譜分析等各種儀器上DSP獲得了大規模的應用。

DSP的理論演演算法在70年代就已經出現，但是由於專門的DSP處理器還未出現，所以這種理論演演算法只能通過MPU等由分立元件實現。MPU較低的處理速度無法滿足DSP的演演算法要求，其應用領域僅僅局限於一些尖端的高科技領域。隨著大規模集成電路技術發展，1982年世界上誕生了首枚DSP晶元。其運算速度比MPU快了幾十倍，在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。至80年代中期，隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基於CMOS工藝的DSP晶元應運而生，其存儲容量和運算速度都得到成倍提高，成為語音處理、圖像硬體處理技術的基礎。到80年代後期，DSP的運算速度進一步提高，應用領域也從上述範圍擴大到了通信和計算機方面。90年代后，DSP發展到了第五代產品，集成度更高，使用範圍也更加廣闊。

最為廣泛應用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的應用範圍。

片上系統

嵌入式片上系統(System On Chip)：SoC追求產品系統最大包容的集成器件，是嵌入式應用領域的熱門話題之一。SOC最大的特點是成功實現了軟硬體無縫結合，直接在處理器片內嵌入操作系統的代碼模塊。而且SOC具有極高的綜合性，在一個矽片內部運用VHDL等硬體描述語言，實現一個複雜的系統。用戶不需要再像傳統的系統設計一樣，繪製龐大複雜的電路板，一點點的連接焊制，只需要使用精確的語言，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，然後通過模擬之後就可以直接交付晶元廠商進行生產。由於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。

由於SOC往往是專用的，所以大部分都不為用戶所知，比較典型的SOC產品是Philips的Smart XA。少數通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola聯合研製的Neuron晶元等。

預計不久的將來，一些大的晶元公司將通過推出成熟的、能佔領多數市場的SOC晶元，一舉擊退競爭者。SOC晶元也將在聲音、圖像、影視、網路及系統邏輯等應用領域中發揮重要作用。

嵌入式處理器大量應用於PC機。嵌入式微控制器是嵌入式系統晶元的主流產品，其品種多、數量大。嵌入式微處理器的發展速度很快，嵌入式系統已經廣泛地應用我們的生活的各個領域，例如：計算機、汽車、太空梭等等。對於下一代微處理器，任何人都可以這樣預測：集成度越來越高、主頻越來越高、機器字長越來越大、匯流排越來越寬、同時處理的指令條數越來越多.事實證明，二十多年來嵌入式微處理器正是按照這樣的規律向前發展的。

嵌入式處理器（Embedded Processor）從屬於晶元行業，經過多年發展，晶元產業鏈已非常成熟，共分為4個環節：設計（Fabless）、晶圓製造（Wafer Foundry）、封裝和測試（Packaging & Testing）。其中，設計環節類似軟體，屬於純知識勞動，在國內發展最為成功，產生了一批有競爭力的公司；晶圓製造屬於超強技術密集和資金密集型行業，全球寡頭壟斷，台積電壟斷全球一半的市場、我國中芯國際排名全球第五；封裝測試環節也強調技術和資金，國內最有實力企業是長電科技，全球排名第七。