近年来嵌入式硬件的发展

1 5 近年来嵌入式硬件的发展近年来嵌入式硬件的发展 施明 摘要 近年来随着移动处理 嵌入式应用的大量涌现 以及通用微处理器工艺 水平和主频的不断提升 双核乃至四核的出现 功耗日益成为设计者必须关心 的问题 这就要求嵌入式软硬件提出了新的要求 需要不断的改进和创新 本 文围绕嵌入式近年的发展与更新 主要翻阅了十几篇论文 直接参考文献12篇 其中外文资料4篇 根据所阅读的文献通过对比浅析嵌入式硬件近年来的发展 状况 关键词 8位微控制器 32位微控制器 DSP核MPU In recent years the development of embedded hardware Abstract in recent years as mobile processing embedded application as well as the general microprocessor to improve the technological level and frequency dual core and even the emergence of four nuclear power has increasingly become the designers must concern This requires an embedded hardware and software is put forward new requirements need continuous improvement and innovation Around embedded in recent years the development and updating this paper mainly through more than ten papers direct 12 references including 4 foreign data According to the reading of literature by comparing the embedded hardware is analysed in recent years the development of the situation Key words 8 bit microcontroller 32 bit microcontroller DSP core MPU 一 引言 20世纪90年代后期 正处后PC机的前夜 开始兴起了嵌入式的第二次浪潮 随着手机的铺天盖地 惊醒了国内的专家和广大的单片机技术人员 引发了 一场单片机与嵌入武的议论 无论改论是否有一致的认识 议论总是有益的 如果能取得一致的认识当然就更好 嵌入式 即嵌入式计算机 是从功能上说 的 嵌入式计算机强调的要点是 计算机不为表现自己 而为辅助它所在的宿 主设备 智能化地 剃现设备的功能 单片机的叫法 一 未能体现它初始的 控制使命 二 它不能代表嵌入式的总体 仅是嵌入式中的类 尽管单片机的 结构展示着嵌入式的极终方向 正如今日人们追求的SoC 单片机是Intel初期 的命名 但随后不久就改口叫微控制器了 并把它列入嵌入式器件的一类之中 2 5 20年后 经过90年代PC机技术大发展的孕育迅速掀起了第二次嵌入式浪潮 如果第一次嵌入式浪潮的主力器件是8位的微控制器 第二次嵌入式浪潮的主 力器件已经让位于32位的DSP R1SC双核结构的微处理器 不然就不足以满足互联网和多媒体嵌入式产品的高 速性和实时编解码的复杂技术需要 以及移动手持消费类产品非常节能和尽量 廉价的苛划要求 为了叙述上的方便 我们可以把第一次嵌入式浪潮时流行的8 位 16位微控制器称为传统微控制器 而把32位的DSP RISC双核结构的微处理器叫做今日的嵌入式 下面分述传统微控制器近年的更 新和今日嵌入式的概况 二 文献重点讨论内容 1 传统微控制器 8位 16位 首先讨论一下20年来传统微控制器 8能 16位 的更新 归纳而言 有下列 几个方面 I 微控制器的CPU核向RISC演化 在传统微控制器领域内还是以当初Intel确立的哈佛结构 程序和数据存储 器相分立的体系 和复杂指令集系统 cIsc 为主 只有少数厂家生产准精简指令 集计算机 RIsc 而32位RISC微处理器则是采用r冯尼曼结构 少数生产准精简 指令集计算机 RISC like 的厂家Microchip的8位PICI 2 16 17 I 8Fxxx R1SC微控制器 Atmel 的8位AVR RISC微控制器 SCENIX的8位SX 1 8 20 28AC和SX48 52BD RISC微 控制器 这3个厂家都使用了快闪存储器 FLASH 存放程序 但是 Vautomation Co的VUSB芯片 是在g位RISCMPUvg的基础上 增加了USB核 VUSB的硬件和其 上的固件支撑USB的工作 V8 MPU和USB核共占用10000个门 USB核既可用 主 机端或设备端 USB命令可用C语言 API 以及硬件描述语言VHDL等进行修改 不改动硬件的条件下呵改变USB的包长和缓冲器长 如要改动硬件 需联系Vaut omation 一家通过Internet提供更改硬件所需代码 II 提升指令执行速度 提高8位的振荡器频率或减少每机器周期包含的振荡器周期数都可以提高指 令的执行速度 如Philips公司把12MHz的80C51从每机器周期所含振荡器周期数 由12改为6 获得2倍速 Winband公司由12改为3获得4倍速 Cygrtal公司采用 具有指令流水线结构的CIP一51核使约1 4指令提速12倍 约3 4指令提速6倍 目前8位单片机的频率1般可以高至33 40MHz 所以 可以比较容易地从原来 的1 M1PS提高到20 MIPS上下 但是 目前指令执行速度提高到50 100MIPS的 多是R1SC指令的8位微控制器 一般RISC指令都不再与Intel 51指令相兼容 提 升工作频率已受到普遍的重视 追求高性能而不以廉价为目的 片上提供半兆F LASH存储器 增加USB和Bluetooth通信接121 甚至考虑Ethernet接口 将通常 32位机上的应用 如TCP IP 语音识别和合成技术等下移到H 8 但是便携型 设备的屏蔽措施较少 又是塑料外壳 噪声成为问题 曾将其频率提高到33MHz 可得20MIPS的性能 但很难通过家用电器B类FCC的条款规定 几经改进设计 方法 最后才把内部噪声降下来和很好地抑制r外郎噪声 3 5 III 增加可联网的外设接口 8位单片机上Internet网渐成热点 要求将内嵌8位单片机的设备接入 Internet网的呼声渐高 这 领域的主流应用 虽然是32位及以L的高档单片机 但是 如果能生产高频率的 高端8位单片机能使针对性的专用设备上网 未尝不是一条溪径 El前使用MCS 一51系列的83C5IKB生产独立键盘 小型硬驱 和裱上电脑的不少 但是 83C5 1KB缺少上Internet网的连接部分 许多厂家已经看到给8位单片机配上CAN US B IrDA Bluetooth Ethernet 简易Internet连接接口的需要 众多方案正 在涌现 追求低电压 低功耗 低价位 降低工作电压无疑低可以成平方地降 低功耗 2 今日嵌入式 32位 16位 当今第二次浪潮所言的嵌入式主要指的是有关网路 多媒体的消费类应用 有关工业控制等方面谈论的较少 下面介绍第二次嵌入式浪潮的主流情况 I DSP的时代 顾名思意 DSP是关于数字信号处理的专业CPU 数字信号 在时域 处理 的是离散的有限 无限冲击响应 IIR FIR 的信号 在频域 处理的是离散的F FT和IFFT变换 它们的共有特点是需要快速地进行大量重复的乘法一累加运算 MAC 尤其是需要实时处理的嵌入式DSP更是如此 为此 DSP的主要结构如下 i 需要ALU MAC的并存单元 为加速运算提高性能 可采用双倍或四倍ALU MAC单元 ALU MAC单元 有的只能定点计算或浮点计算 有的既能进行40位的 定点计算又能进行64位浮点计算 DSP一般具有较多的内部寄存器单元 大量减 少LOOP时对存储器的访问 提高性能又降低功耗 ii CLIW 可配置长指令字 见于Carmel DSP内核 指令长144位 其中48 位是常用的标准DSP指令部分 放在只读的单向存储器内 另96位则是用户可配 置的指令部分 放在双向的叮配置存储块内 可配置存储块最多存放1024个用 户可配置的CLIW指令部分 48位常规指令部分有10位域能标识可配置存储块里 的地址 两部分合起来就是一个VLIW指令 可配置部分的每一单元可配置出6个 并行指令 MAc ALU 存储器访问各两个 相当于使用廉价SIMD指令获得VLIW 指令的高性能 一内置PLL 使片内高频工作而片外出于低频 有利于系统的稳 定 iii 在提高性能的基础上降低功耗 使用先进的低功耗CMOS工艺 生产0 9 1 5V的DSP内核部分和能与其他3 3VCMOS器件相接口的外设部分 通过先进 的器件结构设计获得高功能与低功耗的双赢 如 使用多ALU MAC单元和多指令 数据通道缩短同一任务的时间 增加每一时钟周期的处理能力减少处理同一 任务的时间 使用多寄存器 长带宽总线 变长指令和高速缓存等尽量减少耗 能较多的操作如内 外存的访问和流水线的指令重装等 对干ALU MAC单元 对 4 5 干片上外设和存储分别施行节电管理等等 如TMS320C55x有极低的比功耗0 05 mW MIPS 和很高的性能 800 MIPS 400MHz III RISC嵌入式32位MPU RISC嵌入式MPU有突出的高速度 低能耗 小尺ir 低价位的优势 适合生 产手持和移动式设备 作为后PC机时代的通信和多媒体设备 它的不足的是离 散运算功能存在很大的差异 RISC的MPU自身的的构造特点主要如下 i 采用Load store指令模式 儿数据由外存到内存 内存到寄存器方向的 流动统一用Load指令 而反方向的操作都用store ii 使用多寄存器的小指令集 指令执行简单快速 iii 采用指令流水线 统一用单周期指令 从根本上克服r C1SC指令周期 数有长有短造成运行中偶苎芒性不确定性 致使运行发生难以捉摸的失常 IV RISC DSP核MPU 今日嵌入式的主流结构 单纯RISC结构的32位MPU虽有高速度 低能耗 小尺寸 低价位的优势 但 是不能满足通信和多媒体涉及数字信号处理的繁重循环乘加的算法 为此产生r RISC DSP的双核MPU 最初使用的是芯片级分立的RISC DSP双核结构 存在两核之间 互相通信的困难和分别编程的麻烦 为此发展了融合在一起的RISC DSP核结构 同时将指令集也台二为一 简化编程提高效率 RtSC DSP核结构处于发展时期 各厂家融合的程度和RISC DSP的性能都有所差异 竞相在新产品的研制和争取上市时间上做出贡献 ARM是一家不生产器件只提供Ip授权的公司 它的产品已经成为32位嵌入式 MPU的事实标准 DsP生产厂家买它的RIsc MPU MPU生产厂家买它I拘DSP部分一 PLD厂家 含FPGA 买它的RISC DSP核MPU 公司最早在自己的32位RISC上加单周 期DSP的MAC 快速运算多媒俸的算法 实现手机上的MP3解码 并努力实现手机 上的视频功能 公司不断为32位嵌八式MPU做比贡献 Intel公司为插足移动设备市场 也生产rRISC DSP结构的名为StrorlgARM的SA 1110微处理嚣 Inti l公司的奋斗目标是生产低功耗 高性能的ASSP 包括袖 珍 无线接人 具有多媒体特色的产品 SA 1110有8Kbyte数据高速缓存 MMu 读 写缓冲和512宁节增强高速缓存 供频繁 使用的结构变量所用 软件与ARM V4兼容 电池供电的优化是靠专利的低电惟 r艺技术和电源管理器来保证 停止当前不用部分供电 SA I I 10支持MP3音频解码 MPEG一4视频解码 语音和手写输入的识别 软件Mod em和Java解释程序的运行 5 5 三 总结及展望 嵌入式硬件经历了几十年的发展 在微控制器 指令的处理速度和外设接 口等各个方面都发生了巨大的变化 有了翻天覆地的变化 同时 也改变着我 们的日常生活 为我们提供了更多的方便 数字信号处理时代已经到来 它将 为我们的生活提供更多的方便 RISC集高速 高性能 低功耗于一身 在硅片上构筑了如同软件世界操作 系统一样的MPU环境 嵌入专用的DSP核如同数据库之嵌入于操作系统 各自既 独立发展又共同创建新高 将来不断会有新兴的为满足各类特殊需要的大大小 小专用核的嵌入 如同浏览器 协议栈之嵌入式操作系统 使世界变得越发难 以想象的缤纷多彩 四 主要参考文献 1 白瑞林 吴广霖 吉峰基于平台和中间件的嵌入式系统软硬件协同设计 期刊论 文 计算机工程与应用 2005 34 2 凌志浩 张文超 俞金寿嵌入式系统结构及其发展概况 期刊论文 自动化仪表 2003 4 3 会议论文李炳育 王玉旺 荣伟 姚健 杨文志浅论嵌入式数字伴音系统的组成 特点及工作原理 4 吕京建 肖海桥面向