嵌入式硬件设计-常见处理器介绍

一、嵌入式处理器

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的4位处理器，仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。

世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1000种，流行体系结构包括MCU，MPU等30多个系列。

鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP到FPGA有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。

嵌入式处理器的寻址空间可以从64kB到16MB，处理速度最快可以达到2000 MIPS，封装从8个引脚到144个引脚不等。

二、嵌入式处理器的优点

嵌入式微处理器与普通台式计算机的微处理器设计在基本原理上是相似的，但是工作稳定性更高，功耗较小，对环境(如温度、湿度、电磁场、振动等)的适应能力强，体积更小，且集成的功能较多。

1）对实时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，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。

2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。

3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。

4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW级。

三、选择需求

嵌入式处理器的选择必须根据设计的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封装形式、SOC程度、成本、商业考虑等等诸多因素之中进行折中，择优选择。
四、嵌入式处理器分类

按照不同的应用领域，处理能力及架构大体可以分为嵌入式微处理器，数字信号处理器（DSP），FPGA，和SOC

1、根据CPU架构分类

根据CPU架构的不同,可以分为ARM架构，PowerPC架构，MIPS架构和X86架构。

2、微控制器

微控制器又称为单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。

单片机芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能和外设。

和嵌入式微处理器相比，微控制器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。微控制器是目嵌入式系统工业的主流。

微控制器的片上外设资源一般较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

常用的有STC51（STC52），STM32，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。

由于MCU低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多。比较有代表性的包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列以及 MCU 8XC930/931、C540、C541，并且有支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。

MCU占嵌入式系统约70%的市场份额。Atmel出产的Avr单片机由于其集成了FPGA等器件，所以具有很高的性价比。

3、数字信号处理器
数字信号处理器对嵌入式系统结构和指令做了特殊的设计，使他更适合于执行DSP算法，编译效率更高，指令执行速度也更快，在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上DSP获得了大规模的应用。

最为广泛应用的是TI的TMS320C2000/C5000系列，另外如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore也有各自的应用范围。

4、FPGA

FPGA是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，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。

从芯片器件的角度讲，FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路，其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上，关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计，通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能，据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。

FPGA由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成，通过将这些硬件资源合理组织，可实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路。

可通过使用框图或者Verilog HDL来设计，从简单的门电路到FIR或者FFT电路。

可无限地重新编程，加载一个新的设计方案只需几百毫秒，利用重配置可以减少硬件的开销。

工作频率由FPGA芯片以及设计决定，可以通过修改设计或者更换更快的芯片来达到某些苛刻的要求（当然，工作频率也不是无限制的可以提高，而是受当前的IC工艺等因素制约）。

5、SOC

一般说来， SoC称为系统级芯片，也有称片上系统，意指它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。

SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。

SOC具有极高的综合性，在一个硅片内部运用VHDL等硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。

由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。

SOC往往是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的SOC产品是Philips的Smart XA。少数通用系列如Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。