嵌入式處理芯片設(shè)計(jì)的新動(dòng)向和新設(shè)計(jì)方式(上)

　　盡管國內(nèi)已有多家公司或科研單位研制出了一些自主版權(quán)的嵌入式微處理器，但是存在著性能、功耗、軟件兼容性、價(jià)格等問題，與國際水平還有較大的差距。根本原因是我們還是采用了傳統(tǒng)、過時(shí)的嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)方式和體系結(jié)構(gòu)，沒有自己創(chuàng)新的設(shè)計(jì)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)?？梢哉f，剛剛起步的國產(chǎn)嵌入式微處理器芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作迫切需要采用全新的嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)技術(shù)和體系結(jié)構(gòu)。

　　嵌入式微處理器的發(fā)展歷程

　　為了更好的了解嵌入式微處理器的發(fā)展趨勢，簡要了解一下其發(fā)展過程是必要的。嵌入式微處理器誕生于20世紀(jì)70年代末，到目前，其間經(jīng)歷了SCM、MCU、網(wǎng)絡(luò)化、軟件硬化四大發(fā)展階段。

　　1.SCM階段：即單片微型計(jì)算機(jī)(Single Chip Microcomputer)階段，主要是單片微型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)探索階段。Zilog公司Z80等系列單片機(jī)的“單片機(jī)模式”獲得成功，走出了SCM與通用計(jì)算機(jī)完全不同的發(fā)展道路。

　　2.MCU階段：即嵌入式微控制器(Micro-Controller Unit，單片機(jī))大發(fā)展階段，主要的技術(shù)方向是：為滿足嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用不斷擴(kuò)展的需要，在芯片上集成了更多種類的外圍電路與接口電路，突顯其微型化和智能化的實(shí)時(shí)控制功能。80C51微控制器是這類產(chǎn)品的典型代表型號(hào)。

　　3.網(wǎng)絡(luò)化階段：隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，各個(gè)系統(tǒng)，不論是手持型還是固定式的嵌入式電子產(chǎn)品都希望能聯(lián)接互聯(lián)網(wǎng)。因此，網(wǎng)絡(luò)模塊集成于芯片上就成為了一個(gè)重要模塊。

　　4.軟件硬化階段：隨著市場對(duì)CPU芯片產(chǎn)品的使用面越來越廣，對(duì)速度、性能等方面的要求越來越高，同時(shí)要求的產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間越來越短，而軟件功能和系統(tǒng)卻越來越復(fù)雜，要求實(shí)時(shí)處理的多媒體等大型文件的處理要求越來越多(如MP3、MP4播放器、GPS導(dǎo)航儀等)，以及手持型數(shù)字電視飛速發(fā)展的需要，有的還需要實(shí)時(shí)在線快速改變邏輯功能，尤其是對(duì)低功耗的需要越來越嚴(yán)，僅僅采用軟件的方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這些市場發(fā)展的實(shí)際需要。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的飛速發(fā)展以及設(shè)計(jì)水平的自動(dòng)化程度的提高，極大地降低了嵌入式微處理器芯片的設(shè)計(jì)難度。為軟件硬化的普及發(fā)展帶來了極大的促進(jìn)作用。

　　軟件硬件化思想的市場需求

　　我們看到越來越多的嵌入式微處理器集成了硬件的視頻處理邏輯、網(wǎng)絡(luò)處理邏輯、專用處理電路等等，不少公司已把語音、圖像功能也硬件化了，并集成到嵌入式微處理器中。甚至，有的微處理器為了滿足網(wǎng)絡(luò)化的需求，不僅在其上集成了網(wǎng)絡(luò)電路接口，更將TCP/IP協(xié)議也用硬件邏輯電路實(shí)現(xiàn)了。這樣就大大減輕了CPU和軟件開發(fā)的難度和工作量。因?yàn)榍度胧轿⑻幚砥髋c互聯(lián)網(wǎng)的連接越來越緊密了，需要處理多媒體信息的要求越來越強(qiáng)了。僅靠軟件其功耗和速度越來越不能滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求了。

　　以前的嵌入式微處理器性能的提高，主要是依靠提高主頻或處理器的位數(shù)來實(shí)現(xiàn)。隨著市場對(duì)性能和速度的要求越來越高，以及處理器設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷發(fā)展以及對(duì)整機(jī)功耗的限制，處理器突破性的性能提升還必須依賴處理器新的體系結(jié)構(gòu)及軟件硬化等新的技術(shù)設(shè)計(jì)手段來實(shí)現(xiàn)。

　　傳統(tǒng)的通用計(jì)算機(jī)芯片體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)模式，如圖靈機(jī)只解決了可計(jì)算問題，不關(guān)心計(jì)算的效率。而馮•諾依曼結(jié)構(gòu)雖能有效地指導(dǎo)算法的設(shè)計(jì)，卻不能有效地指導(dǎo)微處理器芯片體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，目前計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)系統(tǒng)也是越來越全面了。尤其是在評(píng)價(jià)一個(gè)嵌入式微處理器芯片或系統(tǒng)時(shí)，其技術(shù)指標(biāo)不能只以幾個(gè)單一的性能指標(biāo)來評(píng)定，而是轉(zhuǎn)向多方面的性能指標(biāo)來評(píng)定。即不僅僅評(píng)定一個(gè)“高性能”方面就行了，而是要評(píng)定幾個(gè)方面，如“高性能，高效能，高兼容性、低功耗，低成本，易開發(fā)”等等。(未完待續(xù))