嵌入式综述论文

近年来嵌入式硬件的发展

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

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。

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：

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PICI2／16／17／I8Fxxx

R1SC微控制器，Atmel的8位AVR RISC微控制器．SCENIX的8位SX18／20／28AC 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。V8MPU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Vautomation，一家通过Internet提供更改硬件所需代码。

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20MIPS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Intel51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FLASH 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H8。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。

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，83C51KB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／USB／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、目前嵌入式(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。

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09／15V 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0．05mW／MIPS，和很高的性能，800MIPS@400MHz。

RISC·DSP核MPU—目前嵌入式的主流结构

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