嵌入式處理器發(fā)展綜述

如果將上世紀70年代末單片機的出現(xiàn)作為嵌入式系統(tǒng)技術發(fā)展的起點的話，其發(fā)展歷程幾乎與中國社會改革開放同步，已經(jīng)走過30年的歷程。與Windows操作系統(tǒng)和Intel處理器占壟斷地位的計算機平臺不同的是，嵌入式系統(tǒng)的技術發(fā)展呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢，設計工程師可以針對其目標要求選擇多種不同的硬件平臺方案和操作系統(tǒng)軟件。

　　從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應用的8位單片機，到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點的處理器已逾千種，數(shù)十種常用的體系架構。廣闊的市場應用前景吸引了大量的半導體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強，而功耗和價格卻越來越低。目前。豐富的嵌入式處理器已經(jīng)廣泛應用到從國防、工業(yè)、汽車到醫(yī)療設備和消費電子等幾乎所有的行業(yè)和領域。

　　匯聚式處理器解決嵌入式設計技術挑戰(zhàn)

　　盡管嵌入式設計經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統(tǒng)日益復雜化，目標應用對系統(tǒng)的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設計挑戰(zhàn)似乎并沒有隨著半導體技術的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進行方案選擇時必須正確評估應用面臨的挑戰(zhàn)。

　　處理能力要求越來越高。系統(tǒng)本身的復雜功能、友好的界面設計要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統(tǒng)MCU或ASIC很多時候難以滿足系統(tǒng)高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設計復雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當前嵌入式系統(tǒng)設計，特別是一些新產(chǎn)品和功能復雜的嵌入式產(chǎn)品設計，要在設計周期很有限的條件下完全從零開始實現(xiàn)設計已經(jīng)變得不現(xiàn)實，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設計、系統(tǒng)設計支持，以及是否有完整的設計生態(tài)系統(tǒng)等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設計非常關鍵。

　　標準的多樣性和不確定性帶來產(chǎn)品升級換代的顧慮。當前在各個行業(yè)都面臨一些創(chuàng)新型應用，例如智能電表和智能視頻監(jiān)控等，這些應用都具有一定開創(chuàng)性，目前沒有或尚未形成行業(yè)統(tǒng)一的標準，如何在保證搶占市場窗口期的先機，同時確保當前的設計滿足未來變化的市場和技術需求，必須考慮方案的可擴展性和性能裕量。

　　低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來越高，而系統(tǒng)功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實際設計過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導體工藝技術、嵌入式處理器架構優(yōu)化以及設計技術的改進，低功耗設計技術日新月異，電壓、工作頻率自適應調(diào)整技術、多工作模式的節(jié)能技術、數(shù)字電源管理技術，以及低功耗的最新半導體工藝技術應用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設計功率預算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設計成功的關鍵因素之一。

　　選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統(tǒng)眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一。

　　以MCU或ASIC為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統(tǒng)設計要求上正面臨挑戰(zhàn)，有限的處理能力通常難以滿足很多應用的高處理能力需求，或者缺乏進行功能擴展和產(chǎn)品升級換代的設計靈活性，某些設計為了滿足系統(tǒng)的處理能力要求而增加DSP或協(xié)處理器，從而增加系統(tǒng)的復雜性、功耗和成本。

　　結合MCU和DSP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器是有效解決上述設計挑戰(zhàn)的方案之一，而ADI公司Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。匯聚式處理器典型應用有電力應用的智能電表，安防應用的視頻監(jiān)控，醫(yī)療設備的便攜式房顫監(jiān)測儀，工業(yè)應用的3DLevelScanner三維曲面測量儀等。