计组论文1

嵌入式处理器，嵌入式系统和数字信号处理器DSP

信工0703-邵海明-200740203

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，目前仍在大规模应用的８位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。嵌入式处理器可以分为以下几类：

嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）

嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但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，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。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。

嵌入式微控制器(Microcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从70年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了20多年的历史，但这种８位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。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。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制器。

嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor, EDSP)

DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。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。

DSP的理论算法在70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过MPU等由分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片。其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS 工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机方面。90年代后，DSP发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。

SoC（system on chip）片上系统

SoC追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。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。而且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。

由于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。

-------来自“百度百科”

比较几种流行的SOC技术

1．SOPC（System On a Programmable Chip）

提出SOPC概念的是Altera公司，目前Xilinx也在利用自己FPGA的优势，积极的发展自己的SOPC产品。SOPC结合了SOC和PLD、FPGA各自的优点，一般具备以下基本特征：

至少包含一个嵌入式处理器内核；

具有小容量片内高速RAM资源；

丰富的IP Core资源可供选择；

足够的片上可编程逻辑资源；

处理器调试接口和FPGA编程接口；

可能包含部分可编程模拟电路；

单芯片、低功耗、微封装。

SOPC是PLD和ASIC技术融合的结果，目前0.13微米的ASIC产品制造价格仍然相当昂贵，相反，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑的SOPC芯片在应用的灵活性和价格上有极大的优势。

2．PSOC（Programmable System On Chip）

PSOC是Cypress公司的产品，其特征在于将各种处理模拟信号的接口通过可编程元素连接起来。PSOC器件集成有一个快速微控制器（MCU）和SONOSTM（硅／氧化氮／氧化硅）工艺制造的闪速存储器及SRAM，以及具有模拟和数字系统功能的可编程阵列器件（即PSOC blocks），并实现了低成本和小型封装形式供货。PSOC包括多种用户模块，与CPLD的宏单元非常相似，这些用户模块也可由设计师随意配置。不过，需要牢记的是：与CPLD不同，PSOC还包括能够完全以模拟方式（无需使用数字电路或CPU等等）来处理信号的用户模块。

作为通用的器件，PSOC主要是针对嵌入式系统的应用，包括音频、无线、手持、数字通信、互联网、控制和消费类系统。Cypress 微系统公司将提供PSOC 设计工具PSOCDesignerTM，它是支持PSOC器件的一种完整的开发系统开发系统，包括有一个C编译器和汇编程序、一个连接和调试工具、一个在线仿真器和器件编辑器(Device EditorTM)。

3．CSOC（Configurable System On Chip）

CSOC的设计初衷是为了回避SOPC在低出货量、高灵活性方面的优势，而将工作重点瞄准了高出货量的ASIC IC市场，因此CSOC的特点也是相似于ASIC 的，在设计阶段比SOPC复杂、成本高，而一旦大批量生产，就可以体现出单件产品价格低，资源利用率高的优势。

从另一个角度看，目前的CSOC器件主要提供了51系列或者ARM7系列的硬核处理器，以及其它的逻辑模块，并且可以通过硬件描述语言编程的方式组织管理原有的ASIC资源，也可以实现自己的软核IP，其可编程资源并不比SOPC差。

并且，一旦生产厂商发现市场成熟，可以大量供货后，可以很轻松的将现有的CSOC设计，转换成完全的ASIC设计，以此来最大的降低器件的成本。

目前CSOC的市场还不是很活跃，国内的主要代理商为矽正电子有限公司。

一个值得思考的问题是，CSOC的技术特点并不是很符合牧村定律的观点。依照牧村定律，电子器件以10年为周期在可定制和专用化之间摆动，而从现在到2010年学者认为之可定制的10年，Altera和Xilinx也正在积极地为降低FPGA 的每逻辑单元成本而努力，因此是否需要向CSOC投入较大精力仍是值得商榷的问题，也许作为技术研究还是比较合适的。

--------以上来自“04年全国嵌入式技术研讨会”二·嵌入式系统

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：

1）对实时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，以能最迅速地开发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。

嵌入式系统的几个重要特征：

１．系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。

２．专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。

３．系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。

４．高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。

５．嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（Real－Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。

６．嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。

-------以上来自”百度百科”

三·数字信号处理器DSP

1、什么是DSP芯片

DSP芯片，也称数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP 指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，DSP芯片一般具有如下的一些主要特点：

(1) 在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

(2) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

(3) 片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。

(4) 具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

(5) 快速的中断处理和硬件I/O支持。

(6) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

(7) 可以并行执行多个操作。

(8) 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

与通用微处理器相比，DSP芯片的其他通用功能相对较弱些。

2、DSP芯片的分类

DSP的芯片可以按照以下的三种方式进行分类。

(1). 按基础特性分

这是根据DSP芯片的工作时钟和指令类型来分类的。如果DSP芯片在某时钟频率范围内的任何频率上能正常工作，除计算速度有变化外，没有性能的下降，这类DSP芯片一般称之为静态DSP芯片。

如果有两种或两种以上的DSP芯片,它们的指令集和相应的机器代码及管脚结构相互兼容,则这类DSP芯片称之为一致性的DSP芯片。

(2). 按数据格式分

这是根据DSP芯片工作的数据格式来分类的。数据以定点格式工作的DSP

芯片称之为定点DSP芯片。以浮点格式工作的称为浮点DSP芯片。不同的浮点DSP芯片所采用的浮点格式不完全一样，有的DSP芯片采用自定义的浮点格式，有的DSP芯片则采用IEEE的标准浮点格式。

(3). 按用途分

按照DSP芯片的用途来分，可分为通用型DSP芯片和专用型的DSP芯片。通用型DSP芯片适合普通的DSP应用，如TI公司的一系列DSP芯片。专用型DSP

芯片市为特定的DSP运算而设计，更适合特殊的运算，如数字滤波，卷积和FFT 等。

3、DSP芯片的基本结构

DSP芯片的基本结构包括：

(1)哈佛结构;

(2)流水线操作;

(3)专用的硬件乘法器;

(4)特殊的DSP指令;

(5)快速的指令周期。

哈佛结构

哈佛结构的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和存储器在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠。

流水线与哈佛结构相关，DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处理二到四条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。

专用的硬件乘法器

乘法速度越快，DSP处理器的性能越高。由于具有专用的应用乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。

特殊的DSP指令DSP芯片是采用特殊的指令。

快速的指令周期哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP 指令再加上集成电路的优化设计可使DSP芯片的指令周期在200ns以下。

4、 DSP系统的特点

数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部特点：

(1) 接口方便。DSP系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设备都是相互兼容，这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易的多。

(2) 编程方便。DSP系统种的可编程DSP芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级。

(3) 稳定性好。DSP系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。

(4) 精度高。16位数字系统可以达到的精度。

(5) 可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化比较大，而数字系统基本上不受影响，因此数字系统便于测试，调试和大规模生产。

(6) 集成方便。DSP系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。

5、 DSP芯片的应用

自从DSP芯片诞生以来，DSP芯片得到了飞速的发展。DSP芯片高速发展，一方面得益于集成电路的发展，另一方面也得益于巨大的市场。在短短的十多年时间，DSP芯片已经在信号处理、通信、雷达等许多领域得到广泛的应用。目前，DSP芯片的价格也越来越低，性能价格比日益提高，具有巨大的应用潜力。DSP 芯片的应用主要有：

(1) 信号处理--如，数字滤波、自适应滤波、快速傅里叶变换、相关运算、频谱分析、卷积等。

(2) 通信--如，调制解调器、自适应均衡、数据加密、数据压缩、回坡抵消、多路复用、传真、扩频通信、纠错编码、波形产生等。

(3) 语音--如语音编码、语音合成、语音识别、语音增强、说话人辨认、说话人确认、语音邮件、语音储存等。

(4) 图像/图形--如二维和三维图形处理、图像压缩与传输、图像增强、动画、机器人视觉等。

(5) 军事--如保密通信、雷达处理、声纳处理、导航等。

(6) 仪器仪表--如频谱分析、函数发生、锁相环、地震处理等。

(7) 自动控制--如引擎控制、深空、自动驾驶、机器人控制、磁盘控制。

(8) 医疗--如助听、超声设备、诊断工具、病人监护等。

(9) 家用电器--如高保真音响、音乐合成、音调控制、玩具与游戏、数字电话/电视等

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