【毕业论文】 从 CPU 芯片到单片机到DSP芯片看处理芯片的发展

1、从 cpu 芯片到单片机到 dsp 芯片看处 理芯片的发展 院系名称xxx 姓名xxx 学号xxx 专业计算机科学与技术 指导教师xxx 2012 年 5 月 14 日 i 摘要 随着计算机技术的不断发展，以及信息技术的日新月异。研究关于 cpu 芯片、单 片机芯片和 dsp 芯片的发展历程及应用，主要目的是想让大家对芯片有一个更为深入、 更为全面的了解。以期，在信息领域发展迅速、应用领域不断扩大的当今社会能有一个 更好的发展。通过对本课题的研究发现，近年来。芯片行业在国内的发展速度很快，应 用领域也在不断扩大。可见，芯片行业在国内的发展前景极为广阔。事实上，从全球来 看，各类芯片在经济体系中

2、也占据着较大的比重。因此，为了能在经济高速发展的当今 社会有个好的发展前景，为了，能够更好的适应这日新月异的社会，我们应当充实我们 的知识面，方能不被时代的潮流踩在脚下，方能拥有更为广阔的天空。 本文从各类芯片的基本理论出发，应用描述性研究法和经验总结法，结合及芯片的 行业特点，对这三类芯片在新形势下的发展进行研究，从而确定适合的角度出发对这三 类芯片做了未来猜想和前瞻，为芯片的下一步发展指明了明确的方向。 关键词：cpu 芯片；单片机芯片；dsp 芯片；发展史；应用 ii abstract as computer technology continues to evolve, as well

3、 as the ever-changing it. the course of development and application of research on the cpu chip, chip microcontroller and dsp chip, the main purpose is to make a more in-depth, more comprehensive understanding of the chip. period of rapid development in the field of information, applications continu

4、e to expand in todays society to have a better development. found through the study of this subject in recent years. the chip industries in the countrys pace of development applications have also been expanded. visible, the prospects for the development of the chip industry in the country is extreme

5、ly broad. in fact, from a global point of view, all kinds of chips in the economy also occupy a larger proportion. therefore, in order to be able to rapid economic development in todays society there are good prospects for development, in order to be able to better adapt to this ever-changing societ

6、y, we should enrich our knowledge in order to not trampled upon by the trend of the times square to have broader sky. starting from the basic theory of various types of chips, the application describes the research methodology and experience, combined with the industry characteristics and the chip,

7、these three types of chips in development under the new situation in order to determine the appropriate point of view these three class chips for future conjecture and forward, pointing out a clear direction to the next step in the development of the chip. key words: cpu chip; single chip; dsp chip;

8、 history of the development; application iii 目录 1 引言 .3 2 cpu 芯片发展及应用.3 2.1 cpu 芯片发展史.3 2.2 cpu 芯片应用及前瞻.7 2.2.1 cpu 芯片应用.7 2.2.2 cpu 芯片未来发展及前瞻.7 2.3 小结 .8 3 单片机芯片发展及应用 .9 3.1 单片机芯片发展 .9 3.1.1 单片机芯片产生背景 .9 3.1.2 单片机芯片的发展 .9 3.2 单片机芯片应用及前瞻 .10 3.2.1 单片机芯片的应用 .10 3.2.2 单片机芯片前瞻 .11 3.3 小结 .11 4 dsp 芯片发展

9、及应用.11 4.1 dsp 芯片发展史.11 4.2 dsp 芯片应用及前瞻.12 4.2.1 dsp 芯片在各领域应用 .12 4.2.2 dsp 芯片未来发展前瞻 .14 4.3 小结 .15 5 论文总结.16 参考文献.16 致谢.17 4 1 引言 今天，我们可以舒适的坐在电脑前看电影、听音乐，通过互联网寻找资料，与远方 的朋友进行视频聊天，又或者通过电子商务网站购买一本杂志、一款自己心仪的 mp3 播 放器，一切都显得那么随意和悠然自得 。但是大部分人却都没想过，能够有如此幸福 生活，是多少人前赴后继，做出了可歌可泣贡献才得到的。 一个 it 界著名的成功人士说“你每天都喝水，那

10、你有没考虑过水厂和水龙头的关 系怎么样的？”。确实，也许并非每个人都对 it 和其中发生的事情感兴趣，但是曾经 发生的事情和有过的经历，却可以让我们更加珍惜这来之不易的幸福。了解成功人的历 史，更可让我们受益菲浅。 对 cpu 芯片单片机和 dsp 芯片的发展历程及之间的联系的研究是很有必要，也是很 有意义的，这能使我们更加深刻的理解和更加广泛的应用。 本文阐述了芯片对现代科技的重要作用，详细介绍了芯片的发展历史，把芯片发展 分阶段进行了总结。 2 cpu 芯片发展及应用 cpu(central processing unit)，被称呼为中心处理器或者 microprocessor 微处 理器

11、。cpu 是计算机的核心，其重要性好比心脏对于人一样。实际上，处理器的作用和 大脑更相似，因为它负责处理、运算计算机内部的所有数据，而主板芯片组则更像是心 脏，它控制着数据的交换。cpu 的种类决定了你使用的操作系统和相应的软件，cpu 的 速度从某些方面决定了你的计算机有多强大。 2 2. .1 1 c cp pu u 芯芯片片发发展展史史 cpu 从最初发展至今已经有二十多年的历史了，这期间，按照其处理信息的字长， cpu 可以分为：四位微处理器、八位微处理器、十六位微处理器、三十二位微处理器以 及六十四位微处理器等等。 虽然设计方式和工作原理的过程有区别，但不同处理器依然有很多相似之处。

12、从外 表看来，cpu 常常是矩形或正方形的块状物，通过密密麻麻的众多管脚与主板相连。不 过，你看到的不过是 cpu 的外衣cpu 的封装。而内部，cpu 的核心是一片大小通常 不到 1/4 英寸的薄薄的硅晶片(其英文名称为 die，核心)。在这块小小的硅片上，密布 着数以百万计的晶体管，它们好像大脑的神经元，相互配合协调，完成着各种复杂的运 算和操作。 5 摩尔预言，晶体管的密度每过 18 个月就会翻一番，这就是著名的摩尔定律。cpu 微处理器的发展也验证了摩尔定律。 intel4004,第一代微处理器 1971 年 1 月，intel 公司的霍夫研制成功世界上第一枚 4 位微处理器芯片 in

13、tel 4004，标志着第一代微处理器问世，微处理器和微机时代从此开始。因发明微处理器， 霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以来最有影响力的 7 位科学家”之一。4004 当时只有 2300 个晶体管，是个四位系统，时钟频率在 108khz，每秒执行 6 万条指令。 功能比较弱,且计算速度较慢,只能用在 busicom 计算器上。 1972 年 4 月，霍夫等人开发出第一个 8 位微处理器 intel 8008。由于 8008 采用的 是 p 沟道 mos 微处理器，因此仍属第一代微处理器。 intel 8080 ，第二代微处理器 1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微处理器 intel

14、 8080，以 n 沟道 mos 电路取代 了 p 沟道，第二代微处理器就此诞生。主频 2mhz 的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍， 可存取 64kb 存储器，使用了基于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为 0.64mips。 1976 年 intel 发布了 8085 处理器。当时，zilog、motorola 和 intel 在微处理器 领域三足鼎立。zilog 公司于 1976 年对 8080 进行扩展,开发 出 z80 微处理器，广泛用 于微型计算机和工业自动控制设备。直到今天，z80 仍然是 8 位处理器的巅峰之作，还 在各种场合大卖特卖。cp/m 就

15、是面向其开发的操作系统。许多著名的软件如:wordstar 和 dbase ii 都基于此款处理器。 intel 8086，第三代处理器。 1978 年 6 月，intel 推出 4.77mhz 的 8086 微处理器，标志着第三代微处理器问世。 它采用 16 位寄存器、16 位数据总线和 29000 个 3 微米技术的晶体管，售价 360 美元。 不过当时由于 360 美元过于昂贵，大部分人都没有足够的钱购买使用此芯片的电脑，于 是 intel 在 1 年之后,推出 4.77mhz 的 8 位微处理器 8088。ibm 公司 1981 年生产的第 一台电脑就是使用的这种芯片。这也标志着 x8

16、6 架构和 ibm pc 兼容电脑的产生。 1979 年 6 月 1 日，intel 推出 4.77mhz 的准 16 位微处理器 8088,它是 8086 的廉价 版本,价格为大众所接受。在性能方面，它在内部以 16 位运行，但支持 8 位数据总线， 采用现有的 8 位设备控制芯片，包含 29000 个 3 微米技术的晶体管，可访问 1mb 内存地 址，速度为 0.33mips。 1981 年：80186 和 80188 发布。这两款微处理器内部均以 16 位工作,在外部输入输 出上 80186 采用 16 位,而 80188 和 8088 一样均是采用 8 位工作。这是一颗性能介于 808

17、8,80286 之间的 cpu。 6 1982 年 2 月 1 日：在 80186 发布后的几周，80286 就发布了。80286 处理器集成了 大约 13.4 万个晶体管,最大主频为 20mhz,采用 16 位资料总线和 24 位地址总线。与 8086 相比，80186/80188 增强了部分软硬件功能 80286 增加了实存(24 位地址)和虚拟 存储器管理,可以在两种不同的模式下工作,一种实模式,另一种是保护方式。80286 开 始正式采用一种被称为 pga 的正方形包装。 1985 年 10 月，intel 推出 16mhz 80386dx 微处理器(最高 33mhz 主频)，可以直接

18、 访问 4g 字节的内存,并具有异常处理机制;虚拟 86 模式可以同时模拟多个 8086 处理器 来加强多任务处理能力。 80386 的广泛应用,将 pc 机从 16 位时代带入了 32 位时代。 此外它还具有比 80286 更多的指令集。发布时，80386 的最快速版本的主频为 20mhz， 具备 6.0 mips ，包含 275,000 个晶体管。 1989 年 4 月，intel 推出 25mhz 486 微处理器。1989 年 5 月 10 日：我们大家耳熟 能详的 80486 芯片由英特尔推出。这款经过四年开发和 3 亿美 元资金投入的芯片的伟 大之处在于它首次实破了 100 万个晶

19、体管的界限,集成了 120 万个 晶体管,使用 1 微米 的制造工艺。其实 486 就是 80386+80387 协处理器+8kb 一级缓存,是超级版本的 386。 pentium 系列芯片 1993 年 3 月 22 日：全面超越 486 的新一代 586 cpu 问世，为了摆脱 486 时代微处 理器名称混乱的困扰，英特尔公司把自己的新一代产品命名为 pentium(奔腾)以区别 amd 和 cyrix 的产品。pentium 最初级的 cpu 是 pentium 60 和 pentium 66，分别工作在 与系统总线频率相同的 60mhz 和 66mhz 两种频率下，没有我们现在所说的倍

20、频设置。 1994 年 3 月 7 日：intel 发布 90 和 100mhz 的 pentium 处理器 1994 年 10 月 10 日：intel 发布 75mhz 版本的 pentium 处理器 1995 年 3 月 27 日：intel 发布 120mhz 的 pentium 处理器 1995 年 6 月 1 日：intel 发布 133mhz 版本 pentium 处理器 1995 年 11 月 1 日，intel 推出了 pentium pro 处理器。pentium pro 的工作频率 有 150/166/180 和 200mhz 四种，都具有 16kb 的一级缓存和 256

21、kb 的二级缓存。它是基 于 pentium 完全相同的指令集和兼容性，达到了 440 mips 的处理能力和 5.5 m 个晶体 管。这几乎相当于比 4004 处理器的晶体管提升了 2400 倍。值得一提的是 pentium pro 采用了“ppga” 封装技术。即一个 256kb 的二级缓存芯片与 pentium pro 芯片封装在 一起 ，两个芯片之间用高频宽的内部总线互连，处理器与高速缓存的连接线路也被安 置在该封装中，这样就使高速缓存能更容易地运行在更高的频率上。 1996 年 1 月 4 日：intel 发布 150&166 mhz pentium 处理器，包括了越 3.3m 个晶

22、 体管 1996 年 10 月 6 日： intel 发布 200mhz pentium 处理器 7 1997 年 4 月 7 日 。英特尔发布了 pentium ii 处理器。内部集成了 750 万个晶体 管，并整合了 mmx 指令集技术。此时，英特尔 pentium ii 架构已经从 socket 7 转成 slot 1，并首次引入了 s.e.c 封装(single edge contact)技术，将高速缓存与处理器 整合在一块 pcb 板上。slot 1 的 pentium ii 晶体管数为 900 万，并且具有两种版本的 核心：klamath 与 deschutes。 1997 年 6

23、 月 2 日： intel 发布 233mhz pentium mmx 1998 年 2 月：intel 发布 333mhz pentium ii 处理器，开发代号为 deschutes，并 且首次采用了 0.25 微米制造工艺，在低发热量的情况下提供比以前产品更快的速度。 1999 年 2 月 22 日：amd 发布 k6-iii 400mhz 版本，在一些测试中，它的性能超越 了后来发布的 intel pentium iii 。它包括了 23m 晶体管，并且基于 100mhz super socket7 主板，与那些使用 66mhz 总线的芯片相比，性能的提升是卓越的。 1999 年 10

24、 月，intel 推出了基于 0.18 微米工艺制造的 pentium iii 处理器，这款 pentium iii 处理器有 256k 在二级高速缓存，代码名为 coppermine。coppermine 以 733mhz 登台。随着工艺尺寸从 0.25 微米减少到 0.18 微米，不仅提高了 pentium iii 处理器的时钟速度，也使的 intel 在技术上能够推出了集成的二级高速缓存。虽然集成 的二级高速缓存只有老式 pentium iii 处理器的一半，但在处理器全速下运行，性能仍 有显著提高。 pentium 4 处理器 2000 年 11 月 21 日，intel 在全球同步发

25、布了其最新一代的微处理器 pentium4（奔腾 4）。pentium4 处理器原始代号为 willamette，采用 0.18 微米铝导线 工艺，配合低温半导体介质技术制成，是一颗具有超级深层次管线化架构的处理器。 pentium 4 处理器最主要的特点就是抛弃了 intel 沿用了多年的 p6 结构，采 用了新的 net burst cpu 结构 。net burst 结构具有不少明显的优点：20 段的超级流 水线、高效的乱序执行功能、2 倍速的 alu、新型的片上缓存、sse2 指令扩展集和 400mhz 的前端总线等等。 英特尔公司已经结束使用长达 12 年之久的“奔腾”的处理器转而推

26、出“core 2 duo”和“core 2 quad” 品牌，以及最新出的 core i7 , core i5, core i3 的三个品 牌的 cpu。“奔腾”作为消费者所熟悉的一个品牌将逐渐转向经济型产品。 酷睿系列芯片特性：全新的 core 架构，彻底抛弃了 net burst 架构,制造工艺为 65nm 或 45nm,全线产品均为双核心，l2 缓存容量提升到 4mb,晶体管数量达到 2.91 亿 个，核心尺寸为 143 平方毫米,性能提升 40%,能耗降低 40%，主流产品的平均能耗为 65 瓦特，顶级的 x6800 也仅为 75 瓦特,前端总线提升至 1066mhz，1333mhz，

27、800mhz,服务 器类 woodcrest 为开发代号，实际的产品名称为 xeon 5100 系列,采用 lga775 接口。 8 目前，intel 公司已经发布了台式机和笔记本的酷睿 2 四核处理器，能有效处理密 集计算和虚拟化工作负载。最新型英特尔酷睿 2 四核处理器基于 45 纳米英特尔酷睿微 体系结构，具有速度快、温度低、噪音小的优点，可满足下一代高线程应用的带宽需求。 2 2. .2 2 c cp pu u 芯芯片片应应用用及及前前瞻瞻 2.2.1 cpu 芯片应用 cpu 芯片主要应用于个人电脑。无论是苹果公司，dell 公司还是 ibm 公司，这些个 人电脑生产厂商始终都在使用

28、 cpu 作为个人电脑的核心部件。 1976 年 3 月，steve wozniak 和 steve jobs 开发出微型计算机 apple i，4 月 1 日 愚人节这天，两个 steve 成立了 apple 计算机公司。 1980 年 10 月，microsoft 把握了一次绝佳的发展机遇。ibm 在秘密进行代号为 “跳棋计划”的开发项目（第一台 ibm pc）过程中，向 microsoft 提出采购一套操作 系统。paul allen 抓住机会与 seattle computer products 的 tim patterson 签约，向 其支付了不到 10 万美元，获得了其 dos 操

29、作系统的版权并进行了一些修改，从而做成 了与这个神秘客户（ibm）的大买卖。 今天的 windows 系列操作系统仍然兼容 dos，这个系统对于老一代电脑用户来说再 熟悉不过了。 第一台 ibm pc 采用了主频为 4.77mhz 的 intel 8088，操作系统是 microsoft 提供 的 ms-dos。ibm 将其命名为“个人电脑（personal computer）”，不久“个人电脑” 的缩写“pc”成为所有个人电脑的代名词。ibm 原来预计在一年中售出 241683 台 pc， 然而用户的需求被大大低估了，实际上一个月的订货量就超出了预计。 如今，之所以 cpu 芯片在个人电脑的

30、使用使得今天信息时代的快速发展。网络，多 媒体，各种信息服务能够得到充分展现离不开 cpu 的功劳。 2.2.2 cpu 芯片未来发展及前瞻 cpu 的功劳及作用在今天仍不可忽略，但是时代在发展，科技在发展，会有集成度 更高，运算效率更高的芯片出现来取代目前的 cpu 在个人电脑中的地位。 一种是 gpu。 gpu 是显示卡的“大脑”，它决定了显卡的档次和大部分性能，同时也是 2d 显示 卡和 3d 显示卡的区别依据。2d 显示芯片在处理 3d 图像和特效时主要依赖 cpu 的处理 能力，称为“软加速”。3d 显示芯片是将三维图像和特效处理功能集中在显示芯片内， 也即所谓的“硬件加速”功能。现

31、在市场上的显卡大多采用 nvidia 和 amd-ati 两家公 司的图片处理芯片。 9 今天，gpu 已经不再局限于 3d 图形处理了，gpu 通用计算技术发展已经引起业界不 少的关注，事实也证明在浮点运算、并行计算等部分计算方面，gpu 可以提供数十倍乃 至于上百倍于 cpu 的性能，如此强悍的“新星”难免会让 cpu 厂商老大英特尔为未来而 紧张， nvidia 和英特尔也经常为 cpu 和 gpu 谁更重要而展开口水战。 简单说 gpu 就是能够从硬件上支持 t&l（transform and lighting，gpu 多边形转 换与光源处理）的显示芯片，因为 t&l 是 3d 渲染中

32、的一个重要部分，其作用是计算多 边形的 3d 位置和处理动态光线效果，也可以称为“几何处理”。一个好的 t&l 单元， 可以提供细致的 3d 物体和高级的光线特效；只不过大多数 pc 中，t&l 的大部分运算是 交由 cpu 处理的(这就也就是所谓的软件 t&l)，由于 cpu 的任务繁多，除了 t&l 之外， 还要做内存管理、输入响应等非 3d 图形处理工作，因此在实际运算的时候性能会大打 折扣，常常出现显卡等待 cpu 数据的情况，其运算速度远跟不上今天复杂三维游戏的要 求。即使 cpu 的工作频率超过 1ghz 或更高，对它的帮助也不大，由于这是 pc 本身设计 造成的问题，与 cpu

33、的速度无太大关系。gpu 完全可以独立的负责其整个 pc 的运算。 另一个是 apu。 apu(accelerated processing unit)中文名字叫加速处理器，是 amd 融聚理念的产 品，它第一次将处理器和独显核心做在一个晶片上，它同时具有高性能处理器和最新独 立显卡的处理性能，支持 dx11 游戏和最新应用的“加速运算”，大幅提升电脑运行效 率，实现了 cpu 与 gpu 真正的融合。2011 年 1 月，amd 将推出一款革命性的产品 amd apu，是 amd fusion 技术的首款产品。2011 年 6 月面向主流市场的 llano apu 正式发 布。 说到底，ap

34、u 将通用运算 x86 架构 cpu 核心和可编程矢量处理引擎相融合，把 cpu 擅长的精密标量运算与传统上只有 gpu 才具备的大规模并行矢量运算结合起来。amd apu 设计综合了 cpu 和 gpu 的优势，为软件开发者带来前所未有的灵活性，能够任意采 用最适合的方式开发新的应用。amd apu 通过一个高性能总线，在单个硅片上把一个可 编程 x86 cpu 和一个 gpu 的矢量处理架构连为一体，双方都能直接读取高速内存。amd apu 中还包含其他一些系统成分，比如内存控制器、i/o 控制器、专用视频解码器、显 示输出和总线接口等。amd apu 的魅力在于它们内含由标量和矢量硬件构

35、成的全部处理 能力。 apu 有可能也有实力和能力在不远的未来在 pc 处理器市场占的份额，甚至是取代 cpu 也是很有可能的。 2 2. .3 3 小小结结 算一下微处理器的发展史也不过 40 余年，但在这 40 余年里微处理器的发展历程却 是天翻地覆的变化。从 intel 的 4004 开始，到了 intel，amd，cyrix 三足鼎立，到 10 intel 一家独大，再到现在 intel，amd 分庭抗衡。时代的进步，科技的发展。40 余年， 给人带来的回忆是太多太多。 cpu 将向速度更快、64 位结构、多核心方向前进。cpu 的制作工艺将更加精细，将 会由现在 0.09 微米向 0

36、.045 微米过渡。到 2007 年时，大部分 cpu 厂商都将采用 0.045 微米工艺制造处理器。制造工艺的提高，意味着体积更小，集成度更高，耗电更少。 在另一方面，由于 cpu 的性能已经足够满足个人大多数应用的需要，所以人们在买 pc 的时候，cpu 已经不再是唯一的标准。高速 3d 处理能力、hdtv 视频、高保真音频、 大容量硬盘已经成为重要标准。 在未来，apu、gpu 都具备相似能力的时候，cpu 的作用还有如此重要吗？ 3 单片机芯片发展及应用 3 3. .1 1 单单片片机机芯芯片片发发展展 3.1.1 单片机芯片产生背景 单片机的出现具有划时代的意义。它的出现使得许多原本

37、花费很高的复杂电路以及 繁多的电气元器件都被取缔，取而代之的是一块小小的芯片。伴随着计算机技术的不断 发展，单片机也得到了相应的发展，而且其应用的领域也得到更好的扩展。在民用，工 用，医用以及军用等众多领域上都有所应用。为了，能够更好的适应这日新月异的社会， 我们应当充实我们的知识面，方能不被时代的潮流踩在脚下。 3.1.2 单片机芯片的发展 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 scm、mcu、soc 三大阶段。 1971 年 intel 公司研制出世界上第一个 4 位的微处理器；intel 公司的霍夫研制成 功世界上第一块 4 位微处理器芯片 intel 4004，标志着第一代微

38、处理器问世，微处理 器和微机时代从此开始。因发明微处理器，霍夫被英国经济学家杂志列为“二战以 来最有影响力的 7 位科学家”之一 。 1971 年 11 月，intel 推出 mcs-4 微型计算机系统（包括 4001 rom 芯片、4002 ram 芯 片、4003 移位寄存器芯片和 4004 微处理器 ）其中 4004 包含 2300 个晶体管，尺寸规 格为 3mm4mm，计算性能远远超过当年的 eniac，最初售价为 200 美元。 1972 年 4 月，霍夫等人开发出第一个 8 位微处理器 intel 8008。由于 8008 采用的 是 p 沟道 mos 微处理器，因此仍属第一代微处

39、理器。 1973 年 intel 公司研制出 8 位的微处理器 8080；1973 年 8 月，霍夫等人研制出 8 位微处理器 intel 8080，以 n 沟道 mos 电路取代了 p 沟道，第二代微处理器就此诞生。 11 主频 2mhz 的 8080 芯片运算速度比 8008 快 10 倍，可存取 64kb 存储器，使用了基 于 6 微米技术的 6000 个晶体管，处理速度为 0.64mips。 1975 年 4 月，mits 发布第一个通用型 altair 8800，售价 375 美元，带有 1kb 存 储器。这是世界上第一台微型计算机。 1976 年 intel 公司研制出 mcs-4

40、8 系列 8 位的单片机，这也是单片机的问世。 zilog 公司于 1976 年开发的 z80 微处理器，广泛用于微型计算机和工业自动控制 设备。当时，zilog、motorola 和 intel 在微处理器领域三足鼎立。 20 世纪 80 年代初，intel 公司在 mcs-48 系列单片机的基础上，推出了 mcs-51 系 列 8 位高档单片机。mcs-51 系列单片机无论是片内 ram 容量，i/o 口功能，系统扩展方 面都有了很大的提高。 3 3. .2 2 单单片片机机芯芯片片应应用用及及前前瞻瞻 3.2.1 单片机芯片的应用 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域

41、没有单片机的踪迹。 导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化 过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 ic 卡，民用豪华轿车的安全保障系 统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离 不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机 的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化 管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 在智能仪器仪表上的应用，例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

42、 在工业控制中的应用，例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警 系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 在家用电器中的应用，可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制， 从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备， 五花八门，无所不在。 在计算机网络和通信领域中的应用，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控 制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到 日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 单片机在医用设备领域中的应用，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊 断设备及病床呼叫系统等

43、等。 12 在各种大型电器中的模块化应用，如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似 于 rom），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。 单片机在汽车设备领域中的应用，例如汽车中的发动机控制器，基于 can 总线的 汽车发动机智能电子控制器，gps 导航系统，abs 防抱死系统，制动系统等等。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的 用途。 3.2.2 单片机芯片前瞻 单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势： 可靠性及应用越来越水平高和互联网连接已是一种明显的走向。 所集成的部件越来越多；ns（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图象部件

44、也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能 了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。原因是其内部已集成上各种应用电路。 功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。 随着半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化 和进步，最终人们可能发现：单片机与微机系统之间的距离越来越小，甚至难以辨认。 3 3. .3 3 小小结结 单片机改变了我们生活，纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞 机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制 和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能 ic 卡、电子宠物等，这些都离不

45、开 单片机，单片机有着广阔的应用前景。 4 dsp 芯片发展及应用 4 4. .1 1 d ds sp p 芯芯片片发发展展史史 自从数字信号处理器（digital signal processor）问世以来，由于它具有高速、 灵活、可编程、低功耗和便于接口等特点，已在图形、图像处理，语音、语言处理，通 用信号处理，测量分析，通信等领域发挥越来越重要的作用。随着技术成本的降低，控 制界已对此产生浓厚兴趣，已在不少场合得到成功应用。 dsp 的发展大致分为三个阶段： 在数字信号处理技术发展的初期（二十世纪 50-60 年代），人们只能在微处理器上 完成数字信号的处理。直到 70 年代，有人才提出

46、了 dsp 的理论和算法基础。一般认为， 世界上第一个单片 dsp 芯片应当是 1978 年 ami 公司发布的 s281l。1979 年美国 intel 13 公司发布的商用可编程器件 2920 是 dsp 芯片的一个重要里程碑。这两种芯片内部都没 有现代 dsp 芯片所必须有的单周期乘法器。1980 年，日本 nec 公司推出的 mpd7720 是 第一个具有硬件乘法器的商用 dsp 芯片，从而被认为是第一块单片 dsp 器件。 随着大规模集成电路技术的发展，1982 年美国德州仪器公司推出世界上第一代 dsp 芯片 tms32010 及其系列产品，标志了实时数字信号处理领域的重大突破。t

47、i 公司之后 不久相继推出了第二代和第三代 dsp 芯片。90 年代 dsp 发展最快。ti 公司相继推出第 四代、第五代 dsp 芯片等。 随着 cmos 技术的进步与发展，日本的 hitachi 公司在 1982 年推出第一个基于 cmos 工艺的浮点 dsp 芯片，1983 年日本 fujitsu 公司推出的 mb8764，其指令周期为 120ns，且具有双内部总线，从而使处理吞吐量发生了一个大的飞跃。而第一个高性能 浮点 dsp 芯片应是 at&t 公司于 1984 年推出的 dsp32.与其他公司相比，motorola 公司 在推出 dsp 芯片方面相对较晚。1986 年，该公司推出

48、了定点处理器 mc56001.1990 年推 出了与 ieee 浮点格式兼容的浮点 dsp 芯片 mc96002。美国模拟器件公司（ad）在 dsp 芯片市场上也占有一定的份额，相继推出了一系列具有自己特点的 dsp 芯片。自 1980 年以来，dsp 芯片得到了突飞猛进的发展，dsp 芯片的应用越来越广泛，并逐渐成为电 子产品更新换代的决定因素。从运算速度来看，mac（一次乘法和一次加法）时间已经 从 20 世纪 80 年代初的 400ns 降低到 10ns 以下，处理能力提高了几十倍。dsp 芯片内 部关键的乘法器部件从 1980 年占模片区的 40%左右下降到 5%以下，片内 ram 数

49、量增加 一个数量级以上。dsp 芯片的引脚数量从 1980 年的最多 64 个增加到现在的 200 个以上， 引脚数量的增加，意味着结构灵活性的增加，如外部存储器的扩展和处理器间的通信等。 4 4. .2 2 d ds sp p 芯芯片片应应用用及及前前瞻瞻 4.2.1 dsp 芯片在各领域应用 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。

50、 可以看出在各个时代，dsp 性能随集成度的增加而提高，而价格却一直在下降。 dsp 突出的性能价格比趋势似乎也在很好地演绎着 moore 定律。从不断扩大的目标应用 来看，dsp 在数字信息产品的市场地位越来越重要。 dsp 芯片的应用主要有： 14 1、数字化移动电话，数字移动电话可划为两大类：高速移动电话和低速移动电话。 而无论是高速移动电话还是低速移动电话，都要用至少 1 个 dsp，因此，高速发展的数 字化移动电话急需极为大量的 dsp 器件。 2、数据调制解调器，数字信号处理器的传统应用领域之一，就是调制解调器。调 制解调器是联系通信与多媒体信息处理系统的纽带。利用 pc 机通过调

51、制解调器经由电 话线路，实现拨号连接 internet 是最简便的访问形式。由于 internet 用户急剧增加， 由 pc 机上利用浏览程序调用活动图像信息量增大，就需要使用数据传送速度更高的调 制解调器。这就意味，在高速调制解调器里需要更高性能的 dsp 器件。 3、磁盘光盘控制器需求，多种信息存储媒体产品的迅速发展，诸如磁盘存储器、 cdrom 和 dvdrom 的纷纷上市。今日的磁盘驱动器 hdd，存储容量已相当可观，大型 hdd 姑且不谈，就连普通 pc 机的 hdd 的存储容量也远在 1gb 以上，小型 hdd 向高密度、 高存储容量和高速存取方向发展，其控制器必须具备高精度和高速

52、响应特性，它所用的 dsp 性能也是今非昔比，高速 dsp 是必不可少的关键性器件。 4、图形图像处理需求，dvd 里应用的活动图像压缩/解压缩用 mpeg2 编码/译码器， 同时也广泛地应用于视频点播 vod、高品位有线电视和卫星广播等诸多领域。这些领域 应用的 dsp 应该具备更高的处理速度和功能。而且，活动图像压缩/解压技术也日新月 异，例如，dct 变换域编码很难提高压缩比与重构图像质量，于是出现了对以视觉感知 特性为指导的小波分析图像压缩方法。新的算法出现，要求相应的高性能 dsp。 5、汽车电子系统及其它应用领域，汽车电子系统日益兴旺发达，诸如装设红外线 和毫米波雷达，将需用 ds

53、p 进行分析。利用摄像机拍摄的图像数据需要经过 dsp 处理， 才能在驾驶系统里显示出来，供驾驶人员参考。因此，dsp 在汽车电子领域的应用也必 然会越来越广泛。 6、声音处理，声音数字压缩技术早已开始应用，其中以脉冲编码调制(pcm)的方 法最普遍。由于其只能压缩 50%数字，不足以应付未来计算机应用。而 dsp 技术已经在 音效应用中得到广泛采用，例如应用于多媒体音效卡。而高质量、高速度的声音处理技 术，就需要更多高性能 dsp 的应用。 4.2.2 dsp 芯片未来发展前瞻 全球 dsp 产品将向着高性能、低功耗、加强融合和拓展多种应用的趋势发展，dsp 芯片将越来越多地渗透到各种电子产

54、品当中，成为各种电子产品尤其是通信类电子产品 的技术核心。dsp 未来的发展趋势，大致可以分为以下几个方向： 1、数字信号处理器的内核结构进一步改善，多通道结构和单指令多重数据(simd)、 特大指令字组(vlim)将在新的高性能处理器中将占主导地位。 2、dsp 和微处理器的融合,微处理器是低成本的，主要执行智能定向控制任务的 通用处理器能很好执行智能控制任务，但其数字信号处理功能很差。而 dsp 的功能正好 15 与之相反。在许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂 窝电话就需要监测和声音处理功能。因此，把 dsp 和微处理器结合起来，用单一芯片的 处理器实现这两种

55、功能，将加速个人通信机、智能电话、无线网络产品的开发，同时简 化设计，减小 pcb 体积，降低功耗和整个系统的成本。 3、dsp 和高档 cpu 的融合,大多数高档 gpp，如 pentium 和 powerpc 都是 simd 指 令集的超标量结构，速度很快。lsi logic 公司的 lsi401z 采用高档 cpu 的分支预示和 动态缓冲技术，结构规范，利于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。 intel 公司涉足数字信号处理器领域将会加速这种融合。 4、dsp 和 soc 的融合,soc(system-on-chip)系统包括 dsp 和系统接口软件等。 比如 virata 公

56、司购买了 lsi logic 公司的 zsp400 处理器内核使用许可证，将其与系统 软件如 usb、10baset、以太网、uart、gpio、hdlc 等一起集成在芯片上，应用在 xdsl 上，得到了很好的经济效益。因此，soc 芯片近几年销售很好，由 1998 年的 1.6 亿片 猛增至 1999 年的 3.45 亿片。1999 年，约 39%的 soc 产品应用于通讯系统。毋庸置疑， soc 将成为市场中越来越耀眼的明星。 5、dsp 和 fpga 的融合,现场编程门阵列器件和 dsp 集成在一块芯片上，可实现宽 带信号处理，大大提高信号处理速度。据报道，xilinx 公司的 virtex-ii fpga 对快速 傅立叶变换(fft)的处理可提高 30 倍以上。它的芯片中有自由的 fpga 可供编程。 xilinx 公司开发出一种称作 turbo 卷积编译码器的高性能内核。设计者可以在 fpga 中 集成一个或多个 turbo 内核，它支持多路大数据流，以满足第三代(3g)wcdma 无线基站 和手机的需要，同时大大节省开发时间，使功能的增加或性能的改善非常容易。因此在 无线通信、多媒体等领域将有广泛应用。 4 4. .3 3 小小结结 当前虽