物联网实验教程-硬件环境简介

与个人计算机系统不同，嵌入式系统具有面向用户、面向产品和面向应用，具有定制性和非通用性的特点。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心。与PC中的通用处理器不同，嵌入式处理器的选择必须要根据应用的需要，综合考虑其功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能力、电磁兼容性等多方面的综合因素。对于开发者来说，根据应用的需求，合理地选择适合的嵌入式处理器，是项目能够成功的先决条件。

按照嵌入式处理器的用途，嵌入式处理器可以分成下面几类：嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，MCU）、嵌入式微处理器（Embedded Micro-processorUnit，EMPU）、嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）、嵌入式片上系统（System on Chip，SoC）及其他专用处理器。

嵌入式微控制器也是单片机，实际应用中的界限并不十分明确。微控制器强调控制功能而弱化计算功能，因此其控制类指令要比计算类指令的功能要强得多。由于计算功能有限，它只能适合于较为简单的控制场合。由于控制算法、控制对象和用户接口的日益复杂，嵌入式微控制器已经不能满足应用的需求，而通用CPU又不能满足嵌入式系统对处理器的功耗、封装以及资源的要求，因此嵌入式微处理器应运而生。

嵌入式微处理器一般指的是具有32位以上的处理器。与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，从而以最低的功耗和最少的资源实现嵌入式应用的特殊要求，这样可以进一步降低成本和功耗，并提高系统性能。嵌入式微处理器一般具备如下4个特点：

1）对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间。

2）具有功能很强的存储区保护功能。

3）具有可扩展的处理器结构，可以迅速地扩展出满足应用需求的高性能嵌入式微处理器。

4）在保证性能的前提下，具有极低的功耗。

目前，主要的嵌入式处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM/StrongARM系列等，下面进行简单介绍。

1.ARM系列

ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991年ARM公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。ARM处理器的主要特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。目前，采用ARM技术IP核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，在工业控制、无线通信、网络、消费类电子、安全产品中都得到了广泛的应用。

作为采用RISC架构的处理器，ARM微处理器具有一般RISC处理器的特点，如Load/Store结构、寻址方式灵活简单、执行效率高、大量使用寄存器、指令执行速度快等。此外，它还具有体积小、低功耗、低成本、支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，兼容8位/16位器件，指令长度固定等优点。

ARM微处理器目前包括下面几个系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、SecurCore、Cortex。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每个系列提供一套特定的性能，以满足设计者对功耗、性能和体积的需求；SecurCore系列专门为安全应用而设计，主要在安全算法上做了较多考虑。此外，Intel公司通过购买ARM的IP核先后生产出Xscale和StrongARM系列，除了维持ARM的指令集不变外，在功能和性能上对这两款处理器进行了改进和提高。

2.PowerPC

PowerPC也是一种RISC架构的CPU，其基本的设计源自IBM公司的Power架构。Power是由Apple公司、IBM公司、Motorola公司组成的AIM联盟在1991年所发展出的微处理器架构，以对抗在市场上具有压倒性优势的x86处理器。在2006年前，基于Power PC架构的CPU一直只能由IBM公司和Motorola公司生产。2006年后，它们开放了Power PC的授权。虽然授权开放得晚，但由于其出色的性能和高度整合性的优势，Power PC正在侵占原先ARM和MIPS占据主导地位的市场，尤其在高端嵌入式设备场合，Power PC更是具有很大优势。(www.xing528.com)

目前，主流的Power PC处理器制造商有IBM公司、Freescale公司、AMCC公司、LSI公司等。其中以IBM公司和Freescale公司的Power PC处理器最为流行。IBM公司目前共有3个主要的PowerPC处理器系列：Power、Power PC和CELL，另外还有一个Star系列。Freescale公司提供了数量众多的含集成化外设的Power PC处理器，在网络设备市场取得了成功。目前Freescale公司已经调整了其Power PC产品策略，将其划分成3个主要市场：网络设备、汽车电子（MPC5xx系列）和工业控制，Power PC由于其性能优良、安全可靠，其应用也十分广泛。

3.MIPS

MIPS也是一种RISC处理器。MIPS的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”（Microprocessor without Interlocked Piped Stages），其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。它最早是在20世纪80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制的。MIPS公司的R系列就是在此基础上开发的RISC工业产品的微处理器。MIPS公司在1986年推出R2000处理器，1988年推出R3000处理器，1991年推出第一款64位商用微处理器R4000。之后又陆续推出R8000（于1994年）、R10000（于1996年）和R12000（于1997年）等型号。随后，MIPS公司的战略发生变化，把重点放在嵌入式系统。1999年，MIPS公司发布MIPS32和MIPS64架构标准，新的架构集成了所有原来MIPS指令集，并且增加了许多更强大的功能。

在通用计算方面，MIPSR系列微处理器用于构建SGI的高性能工作站、服务器和超级计算机系统。在嵌入式方面，MIPS K系列微处理器是目前仅次于ARM的用得最多的处理器之一，其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。MIPS公司的商业赢利模式和ARM公司类似，也是研发处理器内核，并将知识产权授权给其他芯片厂商。国产处理器龙芯就是获得了MIPS32和MIPS64架构的授权，借此开发通用CPU的。

4.嵌入式DSP

数字信号处理器（Digital Singnal Processor，DSP）是一种独特的微处理器，有自己的完整指令系统，运算功能异常强大。一个数字信号处理器在一块不大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通信，功能全面。

DSP采用的是哈佛结构，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠，这大大提高了微处理器的速度。它最值得称道的两大特色是其强大的数据处理能力和高运行速度。由于它运算能力强，速度快，体积小，以及采用软件编程而带来的高度灵活性，使得DSP成为解决各种复杂应用的一条有效途径。

在数字滤波、FFT、谱分析等方面，DSP算法目前正在大量进入嵌入式领域，也是传统嵌入式处理器难以满足的功能。从而，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能的方式过渡到采用嵌入式DSP处理器进行开发的方式。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一个是DSP处理器经过单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，如TI的TMS320C2000/C5000等；另一个是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon（Siemens）的TriCore。

比较有代表性的嵌入式DSP产品是Texas Instruments公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000系列和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。

5.嵌入式片上系统

作为嵌入式片上系统（System on Chip，SOC）的主要承载体，FPGA（Field Programmable GateArray）的性能直接决定了SOC系统的可用性。FPGA是在PAL、GAL、PLD等可编程器件中集成度最高的一种。基于其静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。作为专用集成电路领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。在硬件设计阶段，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统；通过软件仿真，可以事先充分验证设计的正确性；在印制电路板（PCB）完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和增强可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有Xilinx公司的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

随着EDA技术的推广和VLSI设计的普及，以及半导体工艺的迅速发展，出现了在一个硅片上实现一个复杂系统的趋势，这就是SOC。在SOC中，作为嵌入式系统核心的嵌入式微处理器内核不再作为一个单独的芯片存在，而是作为普通的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为超大规模集成电路（Very Large Scale Integrated Circuits，VLSI）设计中一种标准的器件。用户在开发时，只需定义出整个应用系统，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（尤其是模拟电路）外，整个嵌入式系统被集成到一块或几块芯片中去，应用系统的电路板将变得很简洁，这对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。

SOC可以分为通用和专用两类。通用系列包括Infineon公司的TriCore，Motorola公司的MCore，还有某些ARM系列器件，如Echelon公司和Motorola公司联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。例如Philips公司的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的计算单元制作在一块硅片上，形成一个可加载Java或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网（如Internet）的安全方面。