嵌入式微处理器讲解

⑵ 对于工业应用来说，价格成本是影响 CPU 选型的另外的一个比较重要的原因， 8 位的 MCU 基本都在1 美元以下，32 位的 CPU 相对较贵。但是对于武器系统来说， 通常供货稳定性和可靠性是选择的一个 非常重要的原因，因为从武器设计到退 役往往几十年，不仅要保证设计时能买 到 CPU，更要保证在设备维护时有相应 的备件来替换。

嵌入式计算机的方式： （1）嵌入式通用计算机 通用计算机、工控机；单板计算机： PC104、PC104PLUS、SBC（３.5”）。 成本低、开发周期短、维护方便。 （2）嵌入式专用计算机 量身定做、优化性能。 通常使用的处理器包括：通用微处理器、 嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、 DSP以及SOC等。

控制平台：TMS320C2000，C24x、C28x 强大数据处理能力和控制能力，定点 低功耗平台：TMS320C5000，C54x、C55x 针对消费类数字市场，最低功耗 0.33mA/MHz，移动电话、数码相机等。定点 处理能力平台：TMS320C6000，C62x、C64x 处理能力强，网络交换、图像处理、雷达 信号处理等高端应用。定点/浮点

３.4 选择原则
MCU选择主要应该考虑以下几点： ⑴ 根据系统处理数据的主要类型来定 CPU 总线的位数，如果主要数据的位数 大于8位，就应该选择16位或32位的CPU。 如对信号采样时，A/D 或D/A为12位的， 如果采用8位的CPU，在输入或输出以及 在中间的数据处理时都要进行数据的类 型转换，影响程序运行效率。

3.2 处理器分类
嵌入式微处理器一般具备4个特点： (1)对实时和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操作系统 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，由 于嵌入式系统的软件结构已模块化，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；


（5）SoC： 各种通用处理器内核将作为soc设计的标准库， 用标准的vhdl、verlog等硬件语言描述，成为 vlsi设计中一种标准的器件，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 交给半导体工厂制作样品。 针对特定应用而设计，如HDTV、ADSL、 Cable Modem等,集成的资源比一般MCU更专 业化，可以根据设计人员的要求来构建定制 SoC，价格高于MCU。
第三节 嵌入式系统处理器
3.1 处理器基本知识 3.2 处理器分类 3. 3 嵌入式处理器的技术指标 ３.4 选择原则 3.5 典型的嵌入式处理器 3.6 嵌入式微处理器调试方法

3.1 处理器基本知识
３.1.1 体系结构
冯.诺依曼体系结构和哈佛体系结构
冯.诺依曼体系结构：单一的存储空间，程 序和数据都放在这一空间中，提取指令和 数据是通过单一的总线进行。不能同时对 程序和数据进行存取。

CISC
CISC :指令系统复杂, 寻址方式多, 指 令多,每条指令的执行周期数不尽相同。 统计表明：8.7%~30.3%的指令从来没用 过，44.6%~ 87.8%的指令很少用。 因此简化指令系统有利于提高整个系统 的运行速度。

RISC
中心思想：简化硬件设计，硬件只执行 很有限的最常用的指令，大部分复杂的 操作使用成熟的编译技术，由简单指令 合成。 采用RISC 可以以相对少的晶体管设计出 较快的微处理器。


国内机载设备，x86系列较多，应用中都 需要较多的外围接口电路扩展，如 Flash 存储器、 A/D、D/A等，增加成本，降低 系统可靠性。另外由于x86是基于CISC指 令集，需要较大的硅片，系统的功耗较 大，通常300MHz的CPU就需要散热片， 对于环境要求较高的机载设备增加散热 片必然影响系统的可靠性。

（3）嵌入式微控制器：51系列、96系列、 68K系列、Microchip的PIC系列等，典型 的嵌入式微控制器集成了 CPU 内核、中 断控制器、定时器/计数器、存储器 （RAM、FLASH等）以及 其它外设。通 常不需要扩展外部存储器。
现在MCU主要有8位、16位和32位三种， 其中8位MCU市场占有率达到近一半以上， 而32位MCU的增长速度非常快。 在大多数设备，控制规律较简单，选择8 位的 MCU 较为合适，从 CPU 的集成度、 开发工具、开发的复杂性等方面，都具 有很大优势，特别是现在集成了各种外 围接口，如Flash存储器、A/D、D/A等， 完全满足一些较简单的控制系统的需求。 8位微控制器的代表就是8051系列和摩托 罗拉的68HC05系列。

RISC的特点

１、采用精简的指令集，指令的长度一 样，一个时钟周期内可以完成。

２、指令流水线
每执行一步需要一个周期，一条指令需要四个周期，但平 均一条指令需要一个周期。

３、采用加载(load) 、存储(store) 结 构，只允许加载(load) 、存储(store) 指令执行存储器操作,其余指令均对寄存 器操作，大大增加通用寄存器的数量以 提高速度。
3. 3 嵌入式处理器的技术指标
（ 1 ）功能：处理器的种类、外部接口的种类 和数量，集成的多需要外围扩展的就少，可靠 性高成本低。根据系统的需要尽量选择集成所 需接口种类和数量的处理器。 （ 2 ）字长：参与运算的数的基本位数，决定 于寄存器、运算器和数据总线的宽度，直接影 响硬件的复杂度。字长越长，包含的信息量越 多，能表示的数据有效位数也越多，计算精度 越高，而且处理器的指令可以较长，指令系统 的功能就较强。通常有 1 、 4 、 8 、 16 、 32 、 64 位字长。

16位MCU ：16位MCU与DSP的结合具有 较广的应用。 32 位：较复杂的系统控制和系统综合处 理机，Motorola的68K系列CPU，随后在 其基础上推出了ColdFire系列，主要应用 于消费类电子以及工业过程控制设备中。 32位的ARM、PowerPC和MIPS。

（4）DSP：为数字信号处理设计的处理器。定 点 DSP 和浮点 DSP。定点 DSP 完成定点运算， 精度低、耗电低、成本低。适合低端市场，浮 点DSP 能处理浮点运算，计算能力强、成本高， 高端市场。可以采用处理器 +DSP 的设计方法 来结合两者的优点。 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 在通用单片机或 soc 中增加 dsp 协处理器，例如 intel的mcs-296和infineon(siemens)的tricore。

４、编译优化 RISC不常用的操作由软件来实现。因 此RISC处理机更加依赖于好的编译器， 同时也要依靠优化编译器。没有高时钟 频率和好编译器的支持，RISC不可能很 好地发挥优点。
优点：指令精简，减少CPU内部的控制 部件的复杂性，减少控制部分所占芯片 的面积，降低功耗，指令流水线提高运 行速度。 缺点：模拟复杂指令代码长（30%）， 内存大。 CISC与RISC：两者互相融合，各取所长。
program memory instruction CPU PC
3.1.2 指令集
RISC与CISC： CISC: Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机。 RISC: Reduced Instruction Set Co可扩展的处理器结构，以能迅速地扩 展出满足应用的高性能的嵌入式微处理 器； (4)嵌入式微处理器的功耗必须很低，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，功耗只能为mw甚至μw级。

处理器分类： 微控制器（MCU）、微处理器（MPU） MPU：Processor，主要完成对数据的运算 和处理，注重于对数据的处理速度，常用 的 包 括 Intel 的 x86/Pentium 系 列 和 IBM ／ Motorola的部分PowerPC系列； MCU：Controller，内核与MPU类似，通常 包括很丰富的外围接口，种类繁多，主要 完成对系统的控制 。
⑶ 开发工具的支持。开发工具在嵌入式 系统的开发中具有重要地位，不仅影响 开发的进度，而且直接关系到设备的性 能，甚至项目的成败。 ⑷ 操作系统的支持。一般简单的机电系 统应用不需要操作系统，直接采用汇编 或C就可以编程，一般采用8位MCU就可 以完成任务；而对于较复杂的应用，通 常需要操作系统的支持。

⑸ 代码的继承性往往决定了CPU的选择， 在军用设备中，为了实现系统的可靠性 以及研制周期，直接延用原来的 CPU 类 型。 ⑹ 供应商的因素。由于功能的扩展，原 来选择的CPU已经不能满足系统需求， 供应商提供相应的升级替换CPU，并提 供技术支持。

3.5 典型的嵌入式处理器
Microchip公司PIC系列 Philips公司：51LPC系列 Motorola的MC68HC08系列 MCS51系列 Atmel AVR系列 AMD80C186 16位系列 Motorola MC68HC12 16位系列 Motorola PowerPC/ColdFire 32位系列 ARM 32位系列 国产龙芯/方舟系列
嵌入式专用计算机系统 （1）通用微处理器： （2）嵌入式微处理器： 处理能力、寻址 能力较强，需扩展外围电路，通用性较 强。 “增强型”通用微处理器， 由于嵌入式系统通常应用于环境比较恶 劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工 作温度、电磁兼容性以及可靠性方面的 要求较通用的标准微处理器高。 80186
address data memory 200 ADD r5,r1,r3 PC 200 PC CPU ADD IR r5,r1,r3

哈佛体系结构：程序和数据有分离的存 储空间，有多条总线，允许同时存取指 令和数据。多数DSP处理器采用此结构， 速度较快。