引言

　　嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計算機硬件集成在一起的系統(tǒng)，它以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小，高度自動化，響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時的和多任務(wù)的體系。嵌入式設(shè)備是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)的計算機設(shè)備。

　　1 嵌入式處理器技術(shù)

　　嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機之外的設(shè)備中提供添加的功能性的計算機芯片，它經(jīng)常用于控制和監(jiān)控領(lǐng)域。

　　　　隨著這類處理器體積越變越小，價格越來越便宜，功能越來越強大，它們將進入到更多的設(shè)備和產(chǎn)品中。現(xiàn)在，它們已經(jīng)存在于會唱歌的賀卡和測量行程的運動鞋中。最終，由于毫微米技術(shù)的出現(xiàn)，它們將變得象原子那樣普通，并且?guī)缀跸笤幽菢有　?/P>

　　嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是嵌入式微處理器具備以下4個特點：

　?、賹崟r多任務(wù)有很強的支持能力，能完成多任務(wù)并且有較短的中斷響應(yīng)時間，從而使內(nèi)部的代碼和實時內(nèi)核心的執(zhí)行時間減少到最低限度。②具有功能很強的存儲區(qū)保護功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化，而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用，需要設(shè)計強大的存儲區(qū)保護功能，同時也有利于軟件診斷。③可擴展的處理器結(jié)構(gòu)，以能最迅速地開展出滿足應(yīng)用的最高性能的嵌入式微處理器。④嵌入式微處理器必須功耗很低，尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此，如需要功耗只有mW甚至μW級。

　　1。1 嵌入式處理器的種類

　　嵌入式處理器的尋址空間一般從64KB到16-32MB，處理速度從0。1MIPS到 2000MIPS，常用封裝從8個引腳到144個引腳。根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式計算機可以分成下面幾類：

　　① 嵌入式微處理器(Embedded MicroProcessor Unit， EMPU)

　　嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標準微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。

　　和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在一塊電路板上，稱為單板計算機。如STD-BUS、PC104 等。近年來，德國、日本的一些公司又開發(fā)出了類似“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機系列OEM產(chǎn)品。

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

　?、?嵌入式微控制器(Microcontroller Unit， MCU)

　　嵌入式微控制器又稱單片機，顧名思義，就是將整個計算機系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，一般一個系列的單片機具有多種衍生產(chǎn)品，每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的，不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機最大限度地和應(yīng)用需求相匹配，功能不多不少，從而減少功耗和成本。

　　和嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從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統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富，適合于控制，因此稱微控制器。

　　嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多，比較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。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU8XC930/931、 C540、C541;支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別值得注意的是近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司，將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱之為Microcontroller， MOTOROLA公司把以Power PC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機行列。TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP做為MCU進行推廣。

　?、?嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor， EDSP)

　　DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正在從通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個發(fā)展來源，一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇;二是在通用單片機或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Siemens的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化，例如各種帶有智能邏輯的消費類產(chǎn)品，生物信息識別終端，帶有加解密算法的鍵盤，ADSL接入、實時語音壓解系統(tǒng)，虛擬現(xiàn)實顯示等。這類智能化算法一般都是運算量較大，特別是向量運算、指針線性尋址等較多，而這些正是DSP處理器的長處所在。

　　嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000，DSP56100，DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外PHILIPS公司今年也推出了基于可重置度朧? SP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)上制造的 R。 E。 A。 L DSP 處理器，特點是具備雙 Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元，應(yīng)用目標是大批量消費類產(chǎn)品。

　?、?嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)

　　隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計的普及化，及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展，在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)的時代已來臨，這就是System On Chip(SOC)。各種通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標準庫，和許多其它嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣，成為VLSI設(shè)計中一種標準的器件，用標準的 VHDL等語言描述，存儲在器件庫中。用戶只需定義出其整個應(yīng)用系統(tǒng)，仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外，整個嵌入式系統(tǒng)大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

　　SOC可以分為通用和專用兩類。通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件，Echelon和 Motorola聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。一個有代表性的產(chǎn)品是Philips的 SmartXA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。

　　1。2 嵌入式處理器分類的變遷

　　國際上公認的通用嵌入式處理器有三大類：MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把處理器比作汽車，有個生動的比喻：DSP是跑車，追求的是速度;MPU是轎車，追求的是經(jīng)濟性與速度的折中;MCU是滿足特殊用途的車。

　　現(xiàn)在，隨著處理速度的要求越來越高，同時處理的數(shù)據(jù)更加復(fù)雜，出現(xiàn)了雙核與多核處理器，通常為DSP+RISC芯核，如Infineon公司的TriCore(CISC+RISC+DSP)，Philips公司的Trimedia。隨著一些大量應(yīng)用市場的崛起，又出現(xiàn)了一些新名詞，例如用于網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備上的通信處理器(2000年左右興起)，數(shù)碼相機、數(shù)碼錄像機等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興起)，智能手機上的應(yīng)用處理器(2004年興起)。

　　由于一些處理器不僅要有速度，還要有控制功能，又出現(xiàn)了DSP與MCU的結(jié)合品，主攻電機控制市場。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術(shù);Microchip 2004年2月也推出了這種產(chǎn)品，稱為DSC(Digital Signal Controller)。

　　處理器IP(知識產(chǎn)權(quán))：

　　為了滿足多芯核與SoC設(shè)計的需要，還有一些廠家專門供應(yīng)處理器芯核的IP廠商，芯核主要有16位、32位、64位，有軟核與硬核。值得一提的是，世界上最成功的IP廠商是做處理器芯核公司--ARM公司，至今年6月付運量已達20億個，可見處理器行業(yè)的博大。多芯核市場發(fā)展?jié)摿V闊，在2004年2月美國的Electronic Summit 2004上，做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說，未來十年，一塊芯片中需要上千個處理器芯核，每秒要完成1012運算。

　　2 嵌入式處理器芯片的開發(fā)

　　2。1 嵌入式處理器芯片的一般開發(fā)過程

　　盡管有幾千種現(xiàn)成的芯片可供選擇，但是許多產(chǎn)品的設(shè)計者需要一些與眾不同的特性。因此，他們開發(fā)自己的嵌入式芯片，即所謂的專用集成電路。

　　一位設(shè)計人員開始時需要從一家公司取得嵌入式微處理器的內(nèi)核的授權(quán)，然后添加他自己應(yīng)用特有的特性。例如，對于數(shù)字照相機處理器來說，他可能為這種電荷耦合設(shè)備的芯片添加一個控制器。又比如，對于具有Internet功能的家電處理器來說，可以添加一個Ethernet接口。 這位設(shè)計者然后將他的設(shè)計交給“鑄造廠”，即一家擁有“工廠”(芯片制造廠)的公司，并將部分制造量出售給其他公司。主要的制造廠有United Microelectronics公司、***的TSMC公司和美國的IBM Microelectronics公司。

　　對于一些設(shè)計者來說，甚至這種靈活性還不夠用。他們可以找到某些公司，這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器內(nèi)核的許可證。利用這類內(nèi)核，可以開發(fā)出用于特殊目的的新機器級指令。 對于數(shù)字相機處理器而言，一條提高JPEG 圖像壓縮的指令具有很高的價值。 對于MP3音樂播放器來說，一條加速音頻解壓縮的指令具有同樣的用處。然后， 定制的設(shè)計被交給“鑄造廠”進行生產(chǎn)　　和通用計算機不同，嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計，量體裁衣、去除冗余，力爭在同樣的硅片面積上實現(xiàn)更高的性能，這樣才能在具體應(yīng)用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求，對芯片配置進行裁剪和添加才能達到理想的性能;但同時還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的，可能是一般用戶，行業(yè)用戶或單一用戶。

　　嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性，一個體系一般要存在8-10年的時間。一個體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識系統(tǒng)，用戶和半導(dǎo)體廠商都不會輕易地放棄一種處理器。

　　2。2 基于嵌入式處理器的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具

　　嵌入式處理器是一個復(fù)雜的高技術(shù)系統(tǒng)，要在短時間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是很不容易的，而市場競爭則要求產(chǎn)品能夠快速上市，這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開發(fā)工具平臺。提高用戶和程序員的時間--投入回報率。面對成百上千種處理器，選擇是一個問題，學習掌握處理器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用更需要時間，因此以開發(fā)工具和技術(shù)咨詢?yōu)榛A(chǔ)的整體解決方案是迫切需要的。好的開發(fā)工具除能夠開發(fā)出處理器的全部功能以外，還應(yīng)當是對用戶友好的。

　　目前嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具平臺主要包括下面幾類：

　　① 實時在線仿真系統(tǒng)ICE(In-CircuitEmulator)

　　在計算機輔助設(shè)計非常發(fā)達的今天，實時在線仿真系統(tǒng)(ICE)仍是進行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE首先可以通過實際執(zhí)行，對應(yīng)用程序進行原理性檢驗，排除人的思維難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計邏輯錯誤。ICE的另一個主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實時執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。此外，高級的ICE帶有完善的跟蹤功能，可以將應(yīng)用系統(tǒng)的實際狀態(tài)變化、微控制器對狀態(tài)變化的反應(yīng)、以及應(yīng)用系統(tǒng)

　　對控制的響應(yīng)等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來，以供分析，在分析中優(yōu)化控制過程。很多機電系統(tǒng)難以建立一個精確有效的數(shù)字模型，或是建立模型需要大量人力，這時采用ICE的跟蹤功能對系統(tǒng)進行記錄和分析是一個快而有效的方法。

　　嵌入式應(yīng)用的特點是和現(xiàn)實世界中的硬件系統(tǒng)有關(guān)，存在各種異變和事先未知的變化，這就給微控制器的指令執(zhí)行帶來了各種不確定性，這種不確定性只有通過ICE的實時在線仿真器才能發(fā)現(xiàn)，特別是在分析可靠性時要在同樣條件下多次仿真，以發(fā)現(xiàn)偶然出現(xiàn)的錯誤。

　　ICE不僅是軟件硬件排錯工具，同時也是提高和優(yōu)化系統(tǒng)性能指標的工具。高檔ICE工具(如美國NOHAU公司的產(chǎn)品)是可根據(jù)用戶投資裁剪功能的系統(tǒng)， 亦可根據(jù)需要選擇配置各種檔次的實時邏輯跟蹤器(Trace)、實時映象存儲器(Shadow RAM)及程序效率實時分析功能(PPA)。

　?、?高級語言編譯器(Compiler Tools)

　　C語言作為一種通用的高級語言，大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率，充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能，縮短產(chǎn)品進入市場時間。另外，C語言便于移植和修改，使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是采用C語言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進行交流，從而促進了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。

　　區(qū)別于一般計算機中的C語言編譯器，嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門進行優(yōu)化，以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程度長5-20%。編譯效率的不同，是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器之間性能差別的重要根據(jù)之一。而C編譯器殘余的5-10%效率差別，完全可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前進入市場來彌補。

　　新型的微控制器指令速度不斷提高，存儲器空間也相應(yīng)加大，已經(jīng)達到甚至超過了目前的通用計算機中的微處理器，為嵌入式系統(tǒng)工程采用過去一直不敢問津的C+ +語言創(chuàng)造了條件。C++語言強大的類、繼承等功能更便于實現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。但是C++語言為了支持復(fù)雜的語法，在代碼生成效率方面不免有所下降。為此，1995年初在日本成立的Embedded C++技術(shù)委員會經(jīng)過幾年的研究，針對嵌入式應(yīng)用制訂了減小代碼尺寸的EC++標準。EC++保留了C++的主要優(yōu)點，提供對C++的向上兼容性，并滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一些特殊要求。在嵌入式高級語言編譯器方面處于領(lǐng)先地位的Tasking公司，是EC++技術(shù)委員會成員之一，也是最先推出EC++產(chǎn)品的公司。

　　C/C++/EC++引入嵌入式系統(tǒng)，使得嵌入式開發(fā)和個人計算機、小型機等之間在開發(fā)上的差別正在逐漸消除，軟件工程中的很多經(jīng)驗、方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式開發(fā)中采用高級語言，還使得硬件開發(fā)和軟件開發(fā)可以分工，從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的指令集匯編。

　　另一種高級語言JAVA的發(fā)展則具有戲劇性。JAVA本來是為設(shè)備獨立的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的、為了提高程序繼承性的語言，但是目前基于JAVA的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具差10倍以上。因此EC++很可能在未來的一段時間內(nèi)仍是嵌入式系統(tǒng)的主流。

　?、?源程序模擬器(Simulator)

　　源程序模擬器是在廣泛使用的、人機接口完備的工作平臺上，如小型機和PC，通過軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序測試工具。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序，分配虛擬存儲空間和外設(shè)，供程序員檢查;高級的模擬器可以利用計算機的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價格差距巨大。模擬器軟件獨立于處理器硬件，一般與編譯器集成在同一個環(huán)境中，是一種有效的源程序檢驗和測試工具。但值得注意的是， 模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運行，在指令執(zhí)行時間、中斷響應(yīng)、定時器等方面很可能與實際處理器有相當?shù)牟顒e。另外它無法和ICE一樣，仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)中的實際執(zhí)行情況。

　　3 結(jié)束語

　　嵌入式系統(tǒng)是將計算機直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中，是信息技術(shù)的最終產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)走向二十一世紀知識經(jīng)濟時代的最重要的經(jīng)濟增長點之一，這是一個不可壟斷的工業(yè)，對中國的信息產(chǎn)業(yè)來說充滿了機遇和挑戰(zhàn)。世界這么廣大，充滿了多樣化，尤其是我們已經(jīng)進入到后PC時代--無所不在的計算(nomADIc computing)使嵌入式處理器將遍及我們能夠想象得到的各個角落，因此，每種處理器都有存在的理由，都有可伸展的方向。這一點應(yīng)特別引起中國信息產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

　　隨著我國的龍芯、北大眾志、方舟、星光、漢芯等處理器芯片的問世，中國無芯的時代已經(jīng)過去。“軟件是大腦，芯片是心臟?！敝袊镜囊饬x不僅僅是中國有了自己的核心芯片，更重要的是中國也開始參與了世界半導(dǎo)體競技場的角逐，這樣更有利于我國在21世紀更加主動地、有利地、有效地分享嵌入式應(yīng)用這塊大蛋糕。

　　但這個行業(yè)是一個充滿競爭的行業(yè)，科技、工程技術(shù)人員應(yīng)該面對世界技術(shù)市場的變遷，迎頭趕上，早日形成在通用處理器、嵌入式處理器領(lǐng)域及其相關(guān)的軟件IC領(lǐng)域的核心技術(shù)鏈和產(chǎn)業(yè)鏈，從而為我國的信息產(chǎn)業(yè)、為我國的早日的真正崛起做出應(yīng)有的貢獻。