嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)知識

如今嵌入式系統(tǒng)在很多產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用并逐步改變著這些產(chǎn)業(yè)，包括工業(yè)自動(dòng)化、國防、運(yùn)輸和航天領(lǐng)域。在日常生活中，人們使用各種嵌入式系統(tǒng)，但未必知道它們。比如移動(dòng)電話、數(shù)碼照相機(jī)、MP4、數(shù)字電視的機(jī)頂盒、微波爐、汽車內(nèi)部的噴油控制系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)等裝置或設(shè)備都使用了嵌入式系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)廣泛的適應(yīng)能力和多樣性，使得視聽、工作場所甚至健身設(shè)備中到處都有嵌入式系統(tǒng)。1.1嵌入式系統(tǒng)的定義和組成

嵌入式應(yīng)用信息家電智能玩具軍事電子通信設(shè)備移動(dòng)存貯工控設(shè)備智能儀表汽車電子網(wǎng)絡(luò)設(shè)備消費(fèi)電子軍事國防電子商務(wù)網(wǎng)絡(luò)工業(yè)控制嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域家用方面：數(shù)字電視、信息家電、智能玩具、手持通訊、存儲(chǔ)設(shè)備的核心。社區(qū)建筑的水、電、煤氣表的遠(yuǎn)程自動(dòng)抄表，安全防火、防盜系統(tǒng)，遠(yuǎn)程點(diǎn)菜器等。航天領(lǐng)域1.1.1嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義，嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”（原文為devicesusedtocontrol，monitor，orassisttheoperationofequipment，machineryorplants）。目前國內(nèi)一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)?？梢赃@樣認(rèn)為，嵌入式系統(tǒng)是一種專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，作為裝置或設(shè)備的一部分。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶應(yīng)用程序4個(gè)部分組成?！扒度胄浴?、“專用性”與“計(jì)算機(jī)系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個(gè)基本要素，對象系統(tǒng)則是指嵌入式系統(tǒng)所嵌入的宿主系統(tǒng)。1.1.2嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢1．嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了以下4個(gè)階段。（1）無操作系統(tǒng)階段—單片機(jī)（2）簡單操作系統(tǒng)階段—嵌入式CPU、簡單操作系統(tǒng)（3）實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)階段—實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（4）面向Internet階段2．IP核（IntellectualPropertyCore，知識產(chǎn)權(quán)核）

SOC（SystemOnChip，片上系統(tǒng)）是90年代中期出現(xiàn)的一個(gè)概念，并成為現(xiàn)代集成電路設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。SOC是指在單芯片上集成數(shù)字信號處理器、微控制器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、接口電路等電路模塊，可以直接實(shí)現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理等功能。IP核是指具有知識產(chǎn)權(quán)的、功能具體、接口規(guī)范、可在多個(gè)集成電路設(shè)計(jì)中重復(fù)使用的功能模塊，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)芯片（SOC）的基本構(gòu)件。

IP核用硬件描述語言（hardwareDescriptionLanguage，HDL）文本形式提交給用戶，經(jīng)過RTL級設(shè)計(jì)優(yōu)化和功能驗(yàn)證，但其中不含有任何具體的物理信息的軟核（SoftIPCore）；完成軟核所有的設(shè)計(jì)外，還完成了門級電路綜合和時(shí)序仿真等設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一般以門級電路網(wǎng)表的形式提供給用戶的固核（FirmIPCore）；基于物理描述，并經(jīng)過工藝驗(yàn)證，具有可保證的性能，提供給用戶的形式是電路物理結(jié)構(gòu)掩模版圖和全套工藝文件的硬核（HardIPCore）。

IP軟核以源代碼的形式提供的，IP知識產(chǎn)權(quán)不易保護(hù)。IP硬核易于實(shí)現(xiàn)IP保護(hù)，缺點(diǎn)是靈活性和可移植性差。1.1.3嵌入式系統(tǒng)的組成嵌入式系統(tǒng)通常由包含有嵌入式微處理器、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和外圍設(shè)備接口的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置（被控對象）組成。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，可以分為硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層。執(zhí)行裝置接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)的軟/硬件框架1．嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。硬件層通常是一個(gè)以嵌入式處理器為中心的，包含有電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路的電路模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都固化在模塊的ROM中。（1）嵌入式微處理器嵌入式微處理器的體系結(jié)構(gòu)可以采用馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)或哈佛體系結(jié)構(gòu)，指令系統(tǒng)可以選用精簡指令系統(tǒng)（RISC）和復(fù)雜指令集系統(tǒng)（CISC）。嵌入式微處理器有各種不同的體系，目前全世界嵌入式微處理器已經(jīng)超過1000多種，體系結(jié)構(gòu)有30多個(gè)系列，其中主流的體系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。即使在同一體系中，也可以具有不同的時(shí)鐘頻率、數(shù)據(jù)總線寬度、接口和外設(shè)。目前沒有一種嵌入式微處理器可以主導(dǎo)市場，嵌入式微處理器的選擇是根據(jù)具體的應(yīng)用而決定的。（2）存儲(chǔ)器嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器包含Cache、主存儲(chǔ)器和輔助存儲(chǔ)器，用來存放和執(zhí)行代碼。

①Cache是一種位于主存儲(chǔ)器和嵌入式微處理器內(nèi)核之間的快速存儲(chǔ)器陣列，存放的是最近一段時(shí)間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。提高微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率，使處理速度更快，實(shí)時(shí)性更強(qiáng)。

Cache一般集成在嵌入式微處理器內(nèi)，可分為數(shù)據(jù)Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的存儲(chǔ)容量大小依不同處理器而定。

②主存儲(chǔ)器用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)，是嵌入式微處理器能直接訪問的存儲(chǔ)器。常用的ROM類存儲(chǔ)器有NORFlash、EPROM和PROM等，RAM類存儲(chǔ)器有SRAM、DRAM和SDRAM等，容量為256KB～1GB。

③輔助存儲(chǔ)器通常指硬盤、NANDFlash、CF卡、MMC和SD卡等，用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，一般容量較大，但讀取速度與主存相比要慢一些。（3）通用設(shè)備接口和I/O接口嵌入式系統(tǒng)通常具有與外界交互所需要的通用設(shè)備接口，如GPIO、A/D、D/A、RS-232接口、Ethernet、USB、音頻接口、VGA視頻輸出接口、IIC、SPI和IrDA（紅外線接口）等。

2．中間層中間層也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer，HAL）或板級支持包（BoardSupportPackage，BSP），位于硬件層和軟件層之間，將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來。

BSP作為上層軟件與硬件平臺(tái)之間的接口，需要為操作系統(tǒng)提供操作和控制具體硬件的方法。不同的操作系統(tǒng)具有各自的軟件層次結(jié)構(gòu)，BSP需要為不同的操作系統(tǒng)提供特定的硬件接口形式。

BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。BSP一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入／輸出操作和硬件設(shè)備的配置等功能。（1）嵌入式系統(tǒng)硬件初始化系統(tǒng)初始化過程按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次可以分為片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化3個(gè)主要環(huán)節(jié)。①片級初始化是一個(gè)純硬件的初始化過程，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時(shí)的默認(rèn)狀態(tài)設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。②板級初始化是一個(gè)同時(shí)包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程，完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化，設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。

③系統(tǒng)級初始化主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。BSP將對嵌入式微處理器的控制權(quán)轉(zhuǎn)交給嵌入式操作系統(tǒng)，由操作系統(tǒng)完成余下的初始化操作，包含加載和初始化與硬件無關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，建立系統(tǒng)內(nèi)存區(qū)，加載并初始化其他系統(tǒng)軟件模塊，如網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)等。最后，操作系統(tǒng)創(chuàng)建應(yīng)用程序環(huán)境，并將控制權(quán)交給應(yīng)用程序的入口。（2）硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將他們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。3．系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層通常包含有實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口（GraphicUserInterface）、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。（1）嵌入式操作系統(tǒng)（EmbeddedOperatingSystem，EOS）

EOS負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的軟件、硬件的資源分配、任務(wù)調(diào)度，控制協(xié)調(diào)。EOS除具備了一般操作系統(tǒng)最基本的任務(wù)調(diào)度、同步機(jī)制、中斷處理、文件處理等功能外，還具有如下特點(diǎn)：強(qiáng)實(shí)時(shí)性；支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)，具有可裁減性；提供統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口；提供操作方便、簡單、友好的圖形GUI和圖形界面；支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP/UDP/IP/PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；嵌入式操作系統(tǒng)的用戶接口通過系統(tǒng)的調(diào)用命令向用戶程序提供服務(wù)；嵌入式系統(tǒng)一旦開始運(yùn)行就不需要用戶過多的干預(yù)；嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的ROM中；具有良好的硬件適應(yīng)性（可移植性）。（2）文件系統(tǒng)嵌入式文件系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不完全相同，主要提供文件存儲(chǔ)、檢索和更新等功能，一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。嵌入式文件系統(tǒng)通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等幾種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，一些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實(shí)時(shí)文件系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲(chǔ)介質(zhì)，配置可同時(shí)打開的最大文件數(shù)等。同時(shí)，嵌入式文件系統(tǒng)可以方便的掛接不同存儲(chǔ)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，支持多種存儲(chǔ)設(shè)備。嵌入式文件系統(tǒng)以系統(tǒng)調(diào)用和命令方式提供文件的各種操作，如設(shè)置、修改對文件和目錄的存取權(quán)限，提供建立、修改、改變和刪除目錄等服務(wù)，提供創(chuàng)建、打開、讀寫、關(guān)閉和撤銷文件等服務(wù)。（3）圖形用戶接口（GUI）

GUI使用戶可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地操作計(jì)算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)。嵌入式GUI與PC機(jī)上的GUI有著明顯的不同，嵌入式系統(tǒng)的GUI要求具有輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面一般采用下面的幾種方法：針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相應(yīng)的功能函數(shù)；購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包；采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)；使用獨(dú)立軟件開發(fā)商提供的嵌入式GUI產(chǎn)品。1.1.4實(shí)時(shí)系統(tǒng)

RTOS（Real-timeoperatingsystem，實(shí)時(shí)系統(tǒng)）在航空、航天、工業(yè)過程控制、武器防御系統(tǒng)、自動(dòng)化導(dǎo)航／控制系統(tǒng)、醫(yī)療、信息檢索、銀行、多媒體系統(tǒng)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

RTOS與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不同，要求系統(tǒng)中的任務(wù)不但執(zhí)行結(jié)果要正確，而且必須在一定的時(shí)間約束（Deadline）內(nèi)完成。在RTOS中，一個(gè)邏輯上正確的計(jì)算結(jié)果，若其產(chǎn)生的時(shí)間晚于某個(gè)規(guī)定的時(shí)間，那么也認(rèn)為系統(tǒng)的行為是不正確的。1．RTOS定義

RTOS是指能夠在指定或者確定的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步時(shí)間做出響應(yīng)的系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠處理和存儲(chǔ)控制系統(tǒng)所需要的大量數(shù)據(jù)。RTOS的正確性不僅依賴于系統(tǒng)計(jì)算的邏輯結(jié)果，還依賴于產(chǎn)生這個(gè)結(jié)果的時(shí)間。2．RTOS特點(diǎn)（1）約束性

RTOS任務(wù)的約束包括時(shí)間約束、資源約束、執(zhí)行順序約束和性能約束。（2）可預(yù)測性可預(yù)測性是指RTOS完成實(shí)時(shí)任務(wù)所需要的執(zhí)行時(shí)間應(yīng)是可知的。。（3）可靠性大多數(shù)RTOS要求有較高的可靠性，要求系統(tǒng)在最壞情況下都能正常工作或避免損失?？煽啃允荝TOS的重要性能指標(biāo)。（4）交互性外部環(huán)境是RTOS不可缺少的一個(gè)組成部分，外部環(huán)境往往是被控子系統(tǒng)，兩者相互作用構(gòu)成完整的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般作為控制系統(tǒng)，必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)對被控子系統(tǒng)請求做出反應(yīng)。被控子系統(tǒng)也必須能夠正常工作或準(zhǔn)備對任何異常行為采取動(dòng)作。3．RTOS調(diào)度給定一組實(shí)時(shí)任務(wù)和系統(tǒng)資源，確定每個(gè)任務(wù)何時(shí)何地執(zhí)行的整個(gè)過程就是調(diào)度。而RTOS中調(diào)度的目的則是要盡可能地保證每個(gè)任務(wù)滿足它們的時(shí)間約束，及時(shí)對外部請求做出響應(yīng)。實(shí)時(shí)調(diào)度技術(shù)常用的有以下兩種。（1）搶占式調(diào)度和非搶占式調(diào)度（2）靜態(tài)表驅(qū)動(dòng)策略和優(yōu)先級驅(qū)動(dòng)策略4．RTOS分類

RTOS主要分為強(qiáng)實(shí)時(shí)（HardReal-Time）系統(tǒng)和弱實(shí)時(shí)（SoftReal-Time）系統(tǒng)兩類。強(qiáng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)應(yīng)用在航空航天、軍事、核工業(yè)等領(lǐng)域中，弱實(shí)時(shí)系統(tǒng)如視頻點(diǎn)播系統(tǒng)、信息采集與檢索系統(tǒng)等。

5．實(shí)時(shí)任務(wù)分類實(shí)時(shí)任務(wù)的分類方法有多種，根據(jù)任務(wù)的周期劃分，可以分為周期任務(wù)、偶發(fā)任務(wù)和非周期任務(wù)3類。根據(jù)是否允許任務(wù)超時(shí)，以及超時(shí)后對系統(tǒng)造成的影響，任務(wù)又分為強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)任務(wù)、弱實(shí)時(shí)任務(wù)和弱一強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)4類。1.2.1馮·諾依曼結(jié)構(gòu)與哈佛結(jié)構(gòu)1.2嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)

馮.諾依曼結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器合并在一起的處理器結(jié)構(gòu)；因此程序指令和數(shù)據(jù)的寬度相同如：Intel8086、ARM7、MIPS處理器等2．哈佛（Harvard）結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)是一種將程序指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開的處理器結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)可以有不同的數(shù)據(jù)寬度；具有較高的效率；如摩托羅拉公司的MC68系列、Zilog公司的Z8系列、ARM10系列等。

1.2.2流水線技術(shù)1．流水線的基本概念

流水線技術(shù)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各個(gè)方面，流水線技術(shù)的基本思想是將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序分解成若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。是一種將每條指令分解為多步，并讓各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理的技術(shù)。指令流水線處理的時(shí)空圖如下圖所示，其中的1、2、3、4、5表示要處理的5條指令。從圖可見采用流水方式可同時(shí)執(zhí)行多條指令。圖1.2.1指令流水線處理的時(shí)空圖1.2.3信息存儲(chǔ)的字節(jié)順序1．大端和小端存儲(chǔ)法對于一個(gè)多字節(jié)類型的數(shù)據(jù)，在存儲(chǔ)器中有兩種存放方法。一種是低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存低地址處，高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存高地址處，稱為小端字節(jié)順序存儲(chǔ)法；另一種是高字節(jié)數(shù)據(jù)存放在低地址處，低字節(jié)數(shù)據(jù)存放在高地址處，稱為大端字節(jié)順序存儲(chǔ)法。例如，假設(shè)一個(gè)32位字長的微處理器上定義一個(gè)int類型的常量a，其內(nèi)存地址位于0x6000處，其值用十六進(jìn)制表示為0x23456789。如圖1.2.2（a）所示，如果按小端法存儲(chǔ)，則其最低字節(jié)數(shù)據(jù)0x89存放在內(nèi)存低地址0x6000處，最高字節(jié)數(shù)據(jù)0x23存放在內(nèi)存高地址0x6003處。如圖1.2.2（b）所示，如果按大端法存儲(chǔ)，則其最高字節(jié)數(shù)據(jù)0x23存放在內(nèi)存的低地址0x6000處，而最低字節(jié)數(shù)據(jù)0x89存放在內(nèi)存的高地址0x6003處。地址0x60000x60010x60020x6003數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）0x890x670x450x23數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）01100111010001010010001100000001（a）小端存儲(chǔ)法地址0x60000x60010x60020x6003數(shù)據(jù)（十六進(jìn)制）0x230x450x670x89數(shù)據(jù)（二進(jìn)制）01100111010001010010001100000001（b）大端存儲(chǔ)法圖1.2.2大端和小端存儲(chǔ)法示例

采用大端存儲(chǔ)法還是小端存儲(chǔ)法，各處理器廠商的立場和習(xí)慣不同，并不存在技術(shù)原因。

Intel公司X86系列的微處理器都采用小端存儲(chǔ)法，而IBM、Motorola和SunMicrosystems公司的大多數(shù)微處理器采用大端存儲(chǔ)法。此外，還有一些微處理器，如ARM、MIPS和Motorola的PowerPC等，可以通過芯片上電啟動(dòng)時(shí)確定的字節(jié)存儲(chǔ)順序規(guī)則，來選擇存儲(chǔ)模式。1.3嵌入式微處理器的結(jié)構(gòu)和類型

應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的微處理器稱為嵌入式微處理器。從1971年Intel公司推出第一塊微處理器芯片4004到今天，嵌入式微處理器已有30多年的發(fā)展歷史。嵌入式計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器和輸入／輸出部分組成，其中嵌入式微處理器是嵌入式硬件系統(tǒng)的核心。嵌入式微處理器的字長寬度可分為4位、8位、16位、32位和64位。一般把16位及以下的稱為嵌入式微控制器（EmbeddedMicroController），32位及以上的稱為嵌入式微處理器。微處理器內(nèi)部僅包含單純的中央處理器單元稱為一般用途型微處理器。將CPU、ROM、RAM及I/O等部件集成到同一個(gè)芯片上，稱為單芯片微控制器（SingleChipMicrocontroller）。根據(jù)用途，可以分為嵌入式微控制器、嵌入式微處理器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)、雙核或多核處理器等類型。1.3.1嵌入式微控制器

嵌入式微控制器（MCU）又稱為單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成ROM、EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出（PWM）、A/D、D/A、Flash、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。嵌入式微控制器具有單片化、體積小、功耗和成本低，可靠性高等特點(diǎn)，約占嵌入式系統(tǒng)市場份額的70％。嵌入式微控制器品種和數(shù)量很多，典型產(chǎn)品有8051、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68K系列，TI公司的MSP430系列和Motorola公司的68H12系列，以及MCU8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-BUS、LCD及眾多專用嵌入式微控制器和兼容系列。

1.3.2嵌入式微處理器嵌入式微處理器（EMPU）由通用計(jì)算機(jī)中的CPU發(fā)展而來，嵌入式微處理器只保留和嵌入式應(yīng)用緊密相關(guān)的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和資源實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的特殊要求。通常嵌入式微處理器把CPU、ROM、RAM及I/O等做到同一個(gè)芯片上。32位微處理器采用32位的地址和數(shù)據(jù)總線，其地址空間達(dá)到了4GB。目前主流的32位嵌入式微處理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列等。屬于這些系列的嵌入式微處理器產(chǎn)品很多，有千種以上。1．ARM系列

ARM（AdvancedRISCMachine）公司的ARM微處理器體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器結(jié)構(gòu)。ARM體系結(jié)構(gòu)目前發(fā)展并定義了7種不同的版本。從版本1到版本7，ARM體系的指令集功能不斷擴(kuò)大。ARM處理器系列中的各種處理器，雖然在實(shí)現(xiàn)技術(shù)、應(yīng)用場合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM體系版本，基于它們的應(yīng)用軟件是兼容的。目前，70%的移動(dòng)電話、大量的游戲機(jī)、手持PC和機(jī)頂盒等都已采用了ARM處理器，許多一流的芯片廠商都是ARM的授權(quán)用戶，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。2．MIPS系列美國斯坦福大學(xué)的Hennessy教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制的MIPS（MicroprocessorwithoutInterlockedPipedStages，無互鎖流水級的微處理器）是世界上很流行的一種RISC處理器。從20世紀(jì)80年代初期MIPS處理器發(fā)明到現(xiàn)在的這20多年里，MIPS處理器以其高性能的處理能力被廣泛應(yīng)用于寬帶接入、路由器、調(diào)制解調(diào)設(shè)備、電視、游戲、打印機(jī)、辦公用品、DVD播放等廣泛的領(lǐng)域。和ARM公司一樣，MIPS公司本身并不從事芯片的生產(chǎn)活動(dòng)（只進(jìn)行設(shè)計(jì)），不過其他公司如果要生產(chǎn)該芯片，則必須得到MIPS公司的許可。

3．PowerPCPowerPC是Freescale（原Motorola）公司的產(chǎn)品。PowerPCRISC處理器采用了超標(biāo)量處理器設(shè)計(jì)和調(diào)整內(nèi)存緩沖器，修改了指令處理設(shè)計(jì)，它完成一個(gè)操作所需的指令數(shù)比CISC處理器要多，但完成操作的總時(shí)間卻減少了。

PowerPC內(nèi)核采用獨(dú)特分支處理單元可以讓指令預(yù)取效率大大提高，即使指令流水線上出現(xiàn)跳轉(zhuǎn)指令，也不會(huì)影響到其運(yùn)算單元的運(yùn)算效率。PowerPCRISC處理器設(shè)計(jì)了多級內(nèi)存高速緩沖區(qū)，以便讓那些正在訪問（或可能會(huì)被訪問）的數(shù)據(jù)和指令總是存儲(chǔ)在調(diào)整內(nèi)存中。1.3.3嵌入式DSP處理器嵌入式DSP處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）是專門用于數(shù)字信號處理方面的處理器，芯片內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開存儲(chǔ)和傳輸?shù)墓鸾Y(jié)構(gòu)，具有專門硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的DSP指令，可用來快速地實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，使其處理速度比最快的CPU還快10~50倍。在DSP處理器上是乘法與加法運(yùn)算最基本的運(yùn)算功能，除此之外，DSP處理器還用于如有限脈沖響應(yīng)濾波器（FIR）、無限脈沖響應(yīng)濾波器（IIR）、離散傅利葉（DFT）及離散余弦轉(zhuǎn)換（DCT）等一些常見算法的實(shí)現(xiàn)。

DSP處理器已發(fā)展到第5代產(chǎn)品，多數(shù)基于精簡指令集計(jì)算（RISC）結(jié)構(gòu)，并將幾個(gè)DSP芯核、MPU芯核、專用處理單元、外圍電路單元和存儲(chǔ)單元集成在一個(gè)芯片上，成為DSP系統(tǒng)級集成電路。其系統(tǒng)集成度極高，并將DSP芯核及外圍元件綜合集成在單一芯片上。

DSP運(yùn)算速度的提高主要依靠新工藝改進(jìn)芯片結(jié)構(gòu)。目前一般的DSP運(yùn)算速度為100MIPS（即每秒鐘可運(yùn)算1億條指令）。TI的TM320C6X芯片由于采用超長指令字（全稱為VeryLongInstructionWord，VLIW）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其處理速度已高達(dá)2000MIPS。按照發(fā)展趨勢，DSP的運(yùn)算速度完全可能再提高100倍（達(dá)到1600GIPS）。

1.3.4嵌入式片上系統(tǒng)嵌入式片上系統(tǒng)（SystemOnChip，SOC）最大的特點(diǎn)是成功實(shí)現(xiàn)了軟硬件無縫結(jié)合，直接在處理器片內(nèi)嵌入操作系統(tǒng)的代碼模塊，而且具有極高的綜合性，在一個(gè)芯片內(nèi)部運(yùn)用VHDL等硬件描述語言，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同，用戶不需要繪制龐大復(fù)雜的電路板，一點(diǎn)點(diǎn)地連接焊制，只需要使用精確的語言，綜合時(shí)序設(shè)計(jì)直接在器件庫中調(diào)用各種通用處理器的標(biāo)準(zhǔn)，然后通過仿真之后就可以直接交付芯片廠商進(jìn)行生產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率高。在SOC中，絕大部分系統(tǒng)構(gòu)件都是在系統(tǒng)內(nèi)部，系統(tǒng)簡潔，系統(tǒng)的體積和功耗小，可靠性高。SOC多是專用的，所以大部分產(chǎn)品都不為用戶所知，比較典型的SOC產(chǎn)品如Philips公司的SmartXA，少數(shù)通用系列如Siemens公司的TriCore、Motorola公司的M-Core、某些ARM系列器件、Echelon和Motorola聯(lián)合