嵌入式微处理器系列及其比较分析

嵌入式微处理器是嵌入式系统的硬件核心，一般分为嵌入式微处理器（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）、嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）和嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）。

EMPU一般是指通用CPU，在应用中将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与嵌入式应用有关的母板功能，这样可以减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本一致，但嵌入式系统一般工作环境比较特殊，所以在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面都做了各种增强，以满足嵌入式系统的工作环境。

MCU又称单片机，它以微处理器内核为核心，芯片内部集成了存储器、总线、总线控制器、定时器、计数器、WatchDog、IPO、串行口、脉宽调制输出等各种必要功能和外设。单片机有各种系列，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样做可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和EMPU相比，MCU的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。

目前主流的嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列、Super H系列和X86系列等，属于这些系列的嵌入式微处理器产品有上千种以上。嵌入式微控制器将CPU、存储器（少量的RAM、ROM）和其他外设封装在同一片集成电路里，常见的有8051。微处理器的制造工艺、主频等方面的整体发展见表11.3。

表11.3　微处理器的发展

随着半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是嵌入式片上系统（SoC）。各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标准库。和许多其他嵌入式系统外设一样，SoC已成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中，用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品。这样，除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁。这对于减小应用系统体积、降低功耗、提高系统可靠性非常有利。(www.xing528.com)

嵌入式片上系统设计技术始于20世纪90年代中期，它是一种系统级的设计技术。如今，电子系统的设计已不再是利用各种通用集成电路IC（Integrated Circuit）进行印刷电路板PCB（Printed Circuit Board）板级的设计和调试，而是转向以大规模现场可编程逻辑阵列FPGA（Field-Programmable Gate Array）或专用集成电路ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）为物理载体的系统级的芯片设计。使用ASIC为物理载体进行芯片设计的技术称为片上系统技术，即SoC；使用FPGA作为物理载体进行芯片设计的技术称为可编程片上系统技术，即SoPC（System on Programmable Chip）。SoC技术和SoPC技术都是系统级芯片设计技术（统称为广义SoC）。

到目前为止，SoC还没有一个公认的准确定义，但一般认为它有3大技术特征：采用深亚微米（DSM）工艺技术、IP核（Intellectual Property Core）复用以及软硬件协同设计。SoC的开发是从整个系统的功能和性能出发，利用IP复用和深亚微米技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法，综合考虑软硬件资源的使用成本，设计出满足性能要求的高效率、低成本的软硬件体系结构，从而在一个芯片上实现复杂的功能，并考虑其可编程特性和缩短上市时间。使用SoC技术设计的芯片，一般有一个或多个微处理器芯片和数个功能模块。各个功能模块在微处理器的协调下，共同完成芯片的系统功能，为高性能、低成本、短开发周期的嵌入式系统设计提供了广阔前景。

SoPC技术最早是由美国Altera公司于2000年提出的，是现代计算机辅助设计技术、电子设计自动化EDA（Electronics Design Automation）技术和大规模集成电路技术高度发展的产物。SoPC技术的目标是将尽可能大而完整的电子系统在一块FPGA中实现，使所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及硬件升级等多方面实现最优化。SoPC的设计以IP为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的EDA工具，自动化、智能化地自顶向下地进行。系统级芯片设计是一种高层次的电子设计方法，设计人员针对设计目标进行系统功能描述，定义系统的行为特性，生成系统级的规格描述。这一过程中可以不涉及实现工艺。一旦目标系统以高层次描述的形式输入计算机后，EDA系统就能以规则驱动的方式自动完成整个设计。为了满足上市时间和性能要求，系统级芯片设计广泛采用软硬件协同设计的方法进行。表11.4给出了嵌入式微处理器的对比分析。

表11.4　嵌入式微处理器的对比分析

续表