嵌入式微处理器特点

嵌入式微处理器特点：

嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点：

（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，从而使部的代码和实时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。

嵌入式系统概念：

一般来说，嵌入式系统是“执行专用功能并被部计算机控制的设备或者系统。嵌入式系统不能使用通用型计算机，而且运行的是固化的软件，用术语表示就是固件（firmware），终端用户很难或者不可能改变固件。”

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统一般指非PC系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器／微处理器、存储器及外设器件和I／O端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件（OS）（要时和多任务操作）和应用程序编程。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。

嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：

1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。

2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。

3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力

4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。

6.嵌入式系统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。

摘要

目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000多种，流行体系结构有30几个系列，其中8051体系的占有多半。生产8051单片机的半导体厂家有20多个，共350多种衍生产品，仅Philips就有近100种。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器,越来越多的公司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器的寻址空间一般从64KB到16-32MB，处理速度从0.1MIPS到2000MIPS，常用封装从8个引脚到144个引脚。

浅析嵌入式处理器的种类

一、嵌入式微处理器(Embedded MICROprocessor Unit, EMPU)

嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。

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，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术性也较差。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。如STD-BUS、PC104 等。近年来，德国、日本的一些公司又开发出了类似“火柴盒”式名片大小的嵌入式计算机系列OEM产品。

嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。

二、嵌入式微控制器(MICROcontroller Unit, MCU)

嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器核为核心，芯片部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。为适应不同的应用需求，一般一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。

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。

嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的通用系列包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70％的市场份额。特别值得注意的是近年来提供X86微处理器的著名厂商AMD公司，将Am186CC/CH/CU等嵌入式处理器称之为MICROcontroller, MOTOROLA公司把以Power PC为基础的PPC505和PPC555亦列入单片机行列。TI公司亦将其TMS320C2XXX系列DSP做为MCU进行推广。

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

DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算在大量进入嵌入式领域，DSP应用正在从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是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，TI的TMS320C2000/C5000等属于此畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如INTEL的MCS-296和Siemens的TriCore。推动嵌入式DSP处理器发展的另一个因素是嵌入式系统的智能化，例如各种带有智能逻辑的消费类产品，生物信息识别终端，带有加解密算法的键盘，ADSL接入、实时语音压解系统，虚拟现实显示等。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的长处所在。

嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和MOTOROLA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。另外PHILIPS 公司今年也推出了基于可重置度胧? SP结构低成本、低功耗技术上制造的R. E. A. L DSP 处理器，特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元，应用目标是大批量消费类产品。

四、嵌入式片上系统(System On Chip)

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化，及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip(SOC)。各种通用处理器核将作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需定义出其整个应用系统，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以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，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。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。一个有代表性的产品是Philips 的SmartXA，它将XA单片机核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU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安全方面。

嵌入式系统的发展：

嵌入式Linux风头劲Linux，一种可以运行于个人电脑上的类UNIX的操作系统，问世于1991年。它在出现之初，就立刻以其自身独特的自由、奔放、免费的形式吸引了世界围的大量优秀计算机技术人员，无怨无悔地投入到对它的开发和不断的完善工作之中去，这个人类历史上最大的软件工程就这样被在全世界的围启动了。正所谓十年磨一剑，在经过十年的发展后，今天的Linux操作系统已经在全球围掀起了一股愈演愈烈的Linux 风暴，并逐渐渗透到了几乎所有与IT产业相关的领域，直接威胁到了Windows等商业操作系统的市场地位。同时，Linux所具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛等特点，结合上其所独具的免费、开放源代码等特征，使得Linux在近两年迅速崛起成为嵌入式领域的一批黑马。国几大主要的Linux厂商也将主要的注意力放在了其上。国的嵌入式Linux厂商队伍正在逐渐壮大，开始形成一个百家争鸣的局面。市场上的嵌入式Linux厂商主要有中软、红旗、博利思、蓝点、网虎科技和共创软件联盟等等，它们各自均有自己的发展特点和技术特色。如：中软股份公司开发的中软嵌入式Linux操

作系统，具有微秒级的强实时功能，已经在数控领域得到很好的应用，并在最近举办的Linux World China 2001的展示会上，受到国外厂家和用户的广泛关注和好评。而且中软股份公司还具备了开发网络终端、信息家电、手持设备等嵌入式产品的技术储备和项目承接能力；中科红旗的嵌入式Linux在机顶盒、彩票机等也做了不少工作。但国厂商们正在设计的嵌入式产品形态，实际上还都普遍处于概念产品的阶段，除了实时数控领域已经涌现大量明确需求以外，其它嵌入式领域仍需要一段市场的培育期，以及一个根据市场反馈不断修正产品形态的过程。目前，国际上许多大型跨国企业，已经瞄准了后PC时代的下一代计算设备——嵌入式计算设备，其中一些著名的公司更选中了Linux 操作系统作为开发嵌入式产品的工具。现在国外基于嵌入式Linux系统的产品已问世的有：国三星公司的Linux PDA、可联网的Linux照相机，美国Transmeta公司的Linux 手机、NetGem的机顶盒、Qubit Technology公司推出的基于Linux的书写板Qubit(Tablet)、Screen Media公司开发的基于Linux的手持设备FreePad等。Linux在嵌入式领域异军突起不过是近两年的事情，但是对有嵌入式系统需求的技术人员的调查却显示：过去的一年中有13%的用户已经开始使用嵌入式Linux系统进行开发工作；有52%的用户决定在未来24个月开始使用Linux作为嵌入式系统的开发原型。由此不难看出，Linux作为开发嵌入式产品的操作系统所具备的巨大潜力。

嵌入式系统具有如下一些显著的特点：

（1）系统的复杂性据目前的估计，大约有100-250亿个嵌入式系统正在使用，分布在十分广泛的围之，几乎所有的现代电子设备中都有嵌入式系统。嵌入式系统本身的复杂程度也因功能而不同，平均的嵌入式系统工程大约包含14个芯片，多的可达45个芯收到，加上不同系统在开发制造过程中的技术差异以及不同系统之间的协同工作，整个嵌入式系统的复杂性就可想而知了。而一般的商用系统无论是从应用围还是系统的复杂度都要简单得多。

（2）系统处理的实时性嵌入式系统多数与生产过程的实时控制相关，将更多地涉及到对时间段的处理，而不是对日期或年份的处理，因此人们会忽视嵌入式系统中的2000年问题。同时生产过程本身的特性决定了这类系统不可能随意中断正常的生产过程进行各种测试或维修，而且对于多数造价高昂的嵌入式系统没有备份系统，因此问题诊断的难度相应增加。而一般的商用系统则更加侧重非实时的控制和管理，更多地涉及到日期的处理，而且一般可在特定的测试环境中进行系统测试而不影响系统的正常工作。（3）与关键系统的控制相关嵌入式系统在一些关键系统（如与国民经济密切相关的钢铁、石油等大型生产企业的过程）的控制过程得到了广泛的应用，但这些系统的生产过程是代价高昂的，系统的任何微小的错误都可能导致整个生产过程的中断和巨额的经济损失。由于这些经济部门的重要地位，这些损失又可能对整个国家乃至全球的经济发展造成一定的影响。一般的商用系统更多地与决策过程而不是实时控制过程相关，因此对这些关键部门的生产过程的影响不是那样明显，而且影响的时间围大于嵌入

式控制系统。

（4）购买产品与技术开发相结合的实现方式一般商用系统多数是通过软件工程的方法，根据用户的需求进行开发的，用户拥有完整的技术资料，可根据应用的需要进行相应的维护与升级。而嵌入式系统则基本上都是同时采用购买现成的产品和自行独立开发相结合的方式来构建的。这种系统构建方式使得系统的运行和维护过程复杂化，自行开发的部分基本上能够保留较完备的开发文档和维护记录信息，而购买产品的部分则缺少基本的技术资料和相关的技术人员。对于购买产品的部分，一般只能采取整个部件进行替换的方式维护，或者需要得到原厂商的技术支持。嵌入式系统2000年问题特征正如前面所述，嵌入式系统的广泛存在和本身的复杂性预示着这类系统的2000年问题将比通常任何系统的2000年问题都复杂。

下面将对嵌入式系统的2000年问题的主要特点进行归纳小结：

（1）影响的深度和广度根据目前所做的估计，在实际使用的嵌入式系统工程约只有0.2-1%（即0.2-2.5亿个系统）的系统可能存在2000年问题。这个比例虽然不高，但由于嵌入式系统的涉及面太广，几乎涵盖了所有的国民经济部门，因此要从这么多的系统中发现和确定出存在2000年问题的系统本身就是一件十分复杂而费时费力的事。同时，这些嵌入式系统相互之间也或多或少地进行着各种形式的联系，以及其与工作环境之间的联系，这又使得问题复杂化，同时也将使得受2000年问题影响的嵌入式系统总数上升到约2-5%，而且问题将在全球围扩散，只要系统之间存在着某种形式的交互就有可能受到影响。对于一些关切部门的系统，可能产生的影响就更大了。正是因为嵌入式系统2000年问题的影响的深度和广度是如此之大，国外一些机构的一些调查结果认为，利用现有的人力资源和剩余的时间，即使对所有的嵌入式系统进行一次彻底的检测都是难以完成的。但遗憾的是，目前对这一问题的认识还很不够，所做的努力更是远远不够。

（2）问题的隐蔽性与一般的商用系统的2000年问题相反，嵌入式系统的2000年问题基本上很少受到重视。主要的原因是嵌入式系统的涉及面太广，而且系统过于复杂，因此很多用户，特别是企业的主要管理人员，对嵌入式系统缺乏起码的了解，尚未意识到这一问题的严重性。同时，嵌入式系统的实时处理特性也使行系统的影响时间围缩小，2000年问题不易及时发现，一般要到2000年1月1日才会暴露出来，而不象一般的商用系统，可以在数月前甚至一年前就发现2000年问题的迹象。另外，由于制造厂商本身采用的技术原因以及用户使用过程中的原因，往往相同的嵌入式系统的产品在不同的应用中有不同的表现，使得问题进一步复杂化。很多系统本身并不涉及到任何时间或日期的处理，但由于采用了系统的时钟作为缺少的控制参数，也会出人意料地受到2000年问题的影响。

（3）技术构成复杂嵌入式系统的2000年问题是一个十分复杂的系统工程问题，任何一个部件的微小的差错都可能造成一连串的问题，引起极其严重的后果。嵌入式系统本身的技术构成十分复杂，包括各种购买的技术和自行开发的技术，要对这些系统的2000年问题有一个完整的认识起码需要掌握嵌入式系统的各种技术细节、整个生产控制流程以及其中任何错误可能导致的商业影响等方面的全面知识。就用户方面而言，一般很难得到嵌入式系统开发的详细技术资料，而原厂商则不了解具体用户的生产过程的流程及其影响，因此单纯依靠用户或者原开发厂商都无法具备这些基本的信息，这也就在客观上要求用户和原厂商之间进行必要的合作来解决这一问题。但合作过程也不会一帆风顺，因为很多系统的技术细节涉及到技术专利或公司的，对于这方面的顾虑将阻碍一些实质性问题的解决。

（4）缺乏有效的测试方法对于大多数嵌入式系统，由于问题的隐蔽性，所以往往

在问题发生前无法进行预测。而对于嵌入式系统的不同应用方式，不可能用一种或几种简单的测试工具就可以检测出是否有2000年问题。同时，对于同一厂家的同一产品，批号不同，对2000年问题的表现也各异，所以即对在同一种嵌入式系统，也必须逐一检测。但是，对于许多嵌入式系统，由于它的重要性，不可能使之停止运转来进行彻底检测，而进行系统测试时更不可能用实际动作中的系统，否则由于系统改造的缺陷会造成不估量的损失。

（5）缺乏有效的解决方法一般商用系统的2000问题多数可以采用基于代码智能分析的技术对程序源代码进行移植或检查维修，能够提供能上能下对高效和可靠的解决方法。而嵌入式系统的2000年问题中，技术构成的复杂性使得对系统的测试和评估很难找到一种通用的测试方法和测试工具，而且多数硬件系统是将软件固化在芯片中的，根本无法得到其源代码，因此基于源代码修改的方法根本无法应用。根据现有的时间和技术力量，最单间和直接的方法是只能是对关键的嵌入式系统进行针对特定厂商技术特点的测试和评估，然后对可能有问题的部件进行彻底的更换，但这种做法不一定可靠，并且缺乏相应的技术人员。

（6）失误的不可避免性根据前面所述的几个方面的特点，我们几乎可以肯定嵌入式系统的2000年问题不可能得到完美的解决，失误是不可避免的。嵌入式系统2000年问题的复杂性使得在现有条件（特别是时间限制条件）下几乎不可能完成全部的任务，且对完成部分的质量也不能完全保证。针对这样的现状，有必要将出现失误的情况下应采取的基本措施进行事先规划，以便将这些失误的影响限制在尽可能小的围。