常见嵌入式处理器种类

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心,共分为四类:

①嵌入式微控制器(EMCU);

②嵌入式微处理器(EMPU);

③嵌入式数字信号处理器(EDSP);

④嵌入式片上系统(SoC)。

(1)嵌入式微控制器(EMCU)

嵌入式微控制器又称单片机,已经历了40 多年的发展历程,目前在嵌入式系统中仍然有着极其广泛的应用。 这种处理器内部集成RAM、各种非易失性存储器、总线控制器、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A 等各种必要功能和外设。

其与嵌入式微处理器相比,微控制器的最大特点是将计算机最小系统所需要的部件及一些应用需要的控制器/外部设备集成在一个芯片上,实现单片化,使得芯片尺寸大大减小,从而使系统总功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富,适合于控制,因而称微控制器。 MCU 品种丰富、价格低廉,目前占嵌入式系统约70%以上的市场份额。

(2)嵌入式微处理器(EMPU)

嵌入式微处理器字长一般为16 位或32 位,Intel、AMD、Motorola、ARM 等公司提供很多这样的处理器产品。 嵌入式微处理器通用性比较好、处理能力较强、可扩展性好、寻址范围大、支持各种灵活的设计,且不限于某个具体的应用领域。

在实践应用中,嵌入式微处理器需要在芯片外配置RAM 和ROM,根据应用要求往往要扩展一些外部接口设备,如网络接口、GPS、A/D 接口等。 嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等安装在一块电路板上,称为单板计算机。(www.xing528.com)

嵌入式微处理器在通用性上有点类似通用处理器,但前者在功能、价格、功耗、芯片封装、温度适应性、电磁兼容方面更适合嵌入式系统应用要求。 嵌入式处理器有很多种类型,如xScale、Geode、PowerPC、MIPS、ARM 等处理器系列。

(3)嵌入式数字信号处理器(EDSP)

在数字化时代数字信号处理是一门应用广泛的技术,如数字滤波、FFT、谱分析、语音编码、视频编码、数据编码、雷达目标提取等,传统微处理器在进行这类计算操作时的性能较低,专门的数字信号处理芯片——DSP 也就应运而生,DSP 的系统结构和指令系统针对数字信号处理进行了特殊设计,因而在执行相关操作时具有很高的效率。 在应用中,DSP 总是完成某些特定的任务,硬件和软件需要为应用进行专门定制,因此,DSP 是一种嵌入式处理器。

(4)嵌入式片上系统(SoC)

在某一类特定的应用对嵌入式系统的性能、功能、接口有相似的要求,针对嵌入式系统的这个特点,利用大规模集成电路技术将某一类应用需要的大多数模块集成在一个芯片上,从而在芯片上实现一个嵌入式系统大部分核心功能,这种处理器就是SoC。

SoC 将微处理器和特定应用中常用的模块集成在一个芯片上,应用时往往只需要在SoC外部扩充内存、接口驱动、一些分立元件及供电电路就可以构成一套实用的系统,极大地简化了系统设计的难度,同时还有利于缩小电路板面积、降低系统成本、提高系统可靠性。 SoC 是嵌入式处理器的一个重要发展趋势。

嵌入式微控制器和SoC 都具有高集成度的特点,将计算机小系统的全部或大部分集成在单个芯片中,有些文献将嵌入式微控制器归为SoC。 后续为了更清晰地描述,将内部集成了RAM 和ROM 存储器、主要用于控制的单片机称为微控制器。 而所说的SoC,则没有内置的存储器,以嵌入式微处理器为核心、集成各种应用需要的外部设备控制器,具有较强的计算性能。

另外,还有一种特殊的嵌入式系统SOPC。 SOPC 技术最早是由Altera 公司提出来的,它是基于FPGA 解决方案的SoC 片上系统设计技术。 它将处理器、l/O 口、存储器以及需要的功能模块集成到一片FPGA 内,构成一个可编程的片上系统。 SOPC 是现代计算机应用技术发展的一个重要成果,也是现代处理器应用的一个重要的发展方向。 SOPC 设计,包括以32 位Nios Ⅱ软核处理器为核心的嵌入式系统的硬件配置、硬件设计、硬件仿真、软件设计、软件调试等。 SOPC 系统设计的基本工具包括Quartus Ⅱ(用于完成Nios Ⅱ系统的综合、硬件优化、适配、编程下载和硬件系统测试)、SOPC Builder (Nios Ⅱ嵌入式处理器开发软件包,用于实现NiesIL 系统的配置、生成、Nios Ⅱ系统相关的监控和软件调试平台的生成入)、ModelSim (用于对生成的HDL 描述进行系统功能仿真)、Nios II IDE (软件编译和调试工具)。 此外,还可借助MATLAB/DSPBuilder 生成NiosIL 系统的硬件加速器,进而为其定制新的指令。

SOPC 是基于FPGA 解决方案的SoC,与ASIC 的SoC 解决方案相比,SOPC 系统及其开发技术具有更多的特色,构成SOPC 的方案也有多种途径。 SOPC 技术是一门全新的综合性电子设计技术,其目标就是尽可能大而完整的电子系统,包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件处理器或加速器系统、存储电路以及其他数字系统等。 SOPC 被业界称为“半导体产业的未来”。