新一代嵌入式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)

嵌入于宿主設(shè)備，智能地完成宿主設(shè)備功能的計(jì)算機(jī)就是嵌入式計(jì)算機(jī)，或簡(jiǎn)稱為嵌入式。嵌入式計(jì)算機(jī)的構(gòu)成：可以是單片的微控制器(MC-micro-controller)，在我國(guó)習(xí)慣于稱做單片機(jī)；也可以是由微處理器（MP-microprocessor)另加存儲(chǔ)器及外部設(shè)備構(gòu)成；還可以在MC/MP的基礎(chǔ)上附加數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)核心部件，構(gòu)成多核MP/MC。

盡管嵌入式一詞，80年代中期由Intel公司率先使用，但如今，嵌入式一詞叫得更加響亮。然而，盡管嵌入式與宿主的服務(wù)關(guān)系依然未變，但嵌入式的構(gòu)成卻發(fā)生了巨大的變化。當(dāng)年嵌入式的構(gòu)成確實(shí)主要指的是4/8/16位的微控制器(MC)，而今所言嵌入式，就其構(gòu)成來(lái)說(shuō)，主要討論的是嶄新一代由RISC與DSP雙核復(fù)合而成的32位微處理器形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

新一代嵌入式計(jì)算機(jī)的主要特征：是繼承了整個(gè)PC機(jī)時(shí)期的技術(shù)成就，特別是進(jìn)入90年代后的全球萬(wàn)維網(wǎng)(Web)技術(shù)(產(chǎn)品有可接入萬(wàn)維網(wǎng)的手持式PDA設(shè)備等)和多媒體技術(shù)(產(chǎn)品有高質(zhì)量數(shù)字音響、數(shù)字視盤播放器，數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、數(shù)碼視頻攝像機(jī)等等）。這類嵌入式的目標(biāo)是想把桌面PC機(jī)上成熟的技術(shù)拆解下來(lái)，放入手持設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備，供用戶隨時(shí)隨地進(jìn)行消費(fèi)。全球網(wǎng)中行之有效的眾多通信協(xié)議，多媒體的MP3、JPEG、MPEG等所采用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及各種庫(kù)函數(shù)都使用32位格式和32位的編程軟件，所以嵌入式也注定要使用32位的微處理器。

為順應(yīng)形勢(shì)發(fā)展的需要，32位手持設(shè)備用的嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，著名的有Windows CE、Epoch、 Palm OS等等，可見(jiàn)今日嵌入式的立點(diǎn)水平是很高的。

新一代嵌入式主要面向手持或移動(dòng)消費(fèi)類設(shè)備，電池供電和低價(jià)位是重要考慮因素，這就從根本上決定了它不可能照搬PC機(jī)上原來(lái)使用的微處理器。下面先介紹嵌入式32位微處理器的技術(shù)進(jìn)步，然后再舉一些新型嵌入式微處理器的實(shí)例，使讀者對(duì)新一代嵌入式有一個(gè)較清晰的認(rèn)識(shí)。

MP是計(jì)算機(jī)的核心部分，任務(wù)是去存儲(chǔ)器中取指令數(shù)據(jù)，然后分解指令并對(duì)指定的操作數(shù)進(jìn)行處理。為此，需要有獲取和分解指令的邏輯控制部分，執(zhí)行指令的算術(shù)邏輯單元(ALU)，以及暫時(shí)為ALU運(yùn)算方便存放中間結(jié)果的通用寄存器。

總的說(shuō)來(lái)，MP的能力取決于：指令集的操作能力；指令的位寬（每條指令涵蓋信息量的位數(shù)，4/8/16/32/64位等）；每秒執(zhí)行指令CISC結(jié)構(gòu)的MP，不同的指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)是不同的，RISC結(jié)構(gòu)的MP所有指令都只用一個(gè)時(shí)鐘周期，而且每秒鐘都能執(zhí)行百萬(wàn)條指令以上，故而常以MIPS(每秒百萬(wàn)條指令)為單位來(lái)體現(xiàn)時(shí)鐘的速度。

MC實(shí)際上是對(duì)通用MP功能加以某些限制，使其具有某些專門用途的配套計(jì)算機(jī)。MC有以下特點(diǎn)：

·I/O接口寄存器化，常叫做特殊功能寄存器(SFR)，通過(guò)對(duì)SFR的編程可以提高使用外部設(shè)備的靈活性和簡(jiǎn)化對(duì)外部設(shè)備的操作；

·通用寄存器累加器化，緩解累加器的瓶頸問(wèn)題，簡(jiǎn)化編程，提高處理速度；

·片內(nèi)RAM與通用寄存器及SFR統(tǒng)一編程，統(tǒng)一訪問(wèn)指令的結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化編程；

·通用寄存器多組化，優(yōu)化中斷對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)，縮短中斷響應(yīng)時(shí)間。

總之，MP面向通用，對(duì)研發(fā)和拓展功能有利；MC則面向?qū)Ｓ?，?duì)批量的生產(chǎn)有利。現(xiàn)階段新一代嵌入式處于研發(fā)創(chuàng)新階段，所以，主要使用32位的MP，而不是MC。

MP有兩種結(jié)構(gòu)，RISC(精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）是相對(duì)于早已存在的CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）而言。手持設(shè)備的算術(shù)邏輯運(yùn)算比桌面PC要求低，復(fù)雜程度也較小，一般多采用RISC結(jié)構(gòu)的MP。

RISC的特點(diǎn)是：

·采用Load/store指令模式，凡數(shù)據(jù)由外存到內(nèi)存、內(nèi)存到寄存器方向的流動(dòng)統(tǒng)一用Load指令，而對(duì)于反方向的操作，都用store；

·用小指令集、多寄存器；指令執(zhí)行簡(jiǎn)單快速;

·統(tǒng)一用單周期指令。從根本上克服了CISC指令周期數(shù)有長(zhǎng)有短，造成運(yùn)行中偶發(fā)性不確定，致使運(yùn)行失常的問(wèn)題。

為加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號(hào)，處理中頻繁遇到的循環(huán)乘加的算法，在RISC的基礎(chǔ)上增加了硬件的乘法累加器（MAC）等原屬DSP核中的關(guān)鍵部件。雙核協(xié)同工作。各用所長(zhǎng)，有效地提高了數(shù)據(jù)處理能力和傳輸速度，成為今日32位手持嵌入式設(shè)備所用微處理器的主要結(jié)構(gòu)。

RISC+DSP分立的雙核結(jié)構(gòu)存在兩核之間互相通信的困難和分別編程的麻煩。為此發(fā)展了兩核融合在一起的單核結(jié)構(gòu)。同時(shí)將指令集也合二為一，簡(jiǎn)化編程提高效率。硬件簡(jiǎn)化和軟件合一為處理器的可編程化提供了方便，為新產(chǎn)品的研制和爭(zhēng)取上市時(shí)間做出有力的貢獻(xiàn)。

目前，FPGA在移動(dòng)設(shè)備的市場(chǎng)上占有一席之地，因它可以將整個(gè)MP、各種外設(shè)、連同代碼一起做到FPGA中，起到小型化和低功耗化的效果。移動(dòng)設(shè)備總是需要非常高級(jí)的硬件MP，用FPGA通過(guò)軟件編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)也可以完善地解決。

有的公司已經(jīng)開(kāi)始用基于32位RISC/DSP單核結(jié)構(gòu)的MP平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)多媒體的單片式系統(tǒng)芯片（SoC）。

Palmchip公司用以生產(chǎn)RISC MP著名的ARC公司的32位 RISC/DSP單核構(gòu)成SoC設(shè)計(jì)平臺(tái)，研制了MP3的SoC。該公司同時(shí)還生產(chǎn)PALM-FC-6710的SoC平臺(tái)。該平臺(tái)支持MMCL多媒體卡，提供音頻I/O源，提供UART/USB串行接口等。

電池供電的MP/MC/DSP芯核及其它部件都需要具有良好的低功耗特質(zhì)。除此之外，對(duì)于構(gòu)成的系統(tǒng)，還得采取種種措施延長(zhǎng)電池壽命。它們甚至對(duì)于產(chǎn)品能否打開(kāi)銷路起舉足輕重的作用。僅僅一般性來(lái)用CMOS技術(shù)并不能保證器件可以工作于1W功率以下，按功耗優(yōu)化來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)就是在功耗與運(yùn)行速度之間進(jìn)行均衡。在CPU時(shí)鐘停止工作的狀態(tài)下，系統(tǒng)還會(huì)耗費(fèi)多少電能也是要研究的課題，功耗與電壓的平方成反比，降低工作電壓可以十分有效地減少功耗。不同部件的工藝過(guò)程不同，存在各自可以工作的低端電壓。所以嵌入式設(shè)備會(huì)同時(shí)用不同電壓供電。例如，設(shè)備的MP工作于1.5～2.5V，而I/O接口則工作于2.5～3V，而且不用時(shí)的接口還經(jīng)常被關(guān)掉。雖然是高檔的消費(fèi)類產(chǎn)品，價(jià)位仍然不能太高。然而，32位的MP畢竟屬于高級(jí)技術(shù)，單純靠批量生產(chǎn)求得低價(jià)，空間有限，故需從科技進(jìn)步、合理規(guī)劃電路配置、加強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行管理等多方面求得解決。

RISC簡(jiǎn)化原本復(fù)雜的控制電路，減少使用的晶體管數(shù)目，硅片加工工藝的進(jìn)步，縮減了晶體管的尺寸、引線的長(zhǎng)度，在提高性能、改善運(yùn)行速度的同時(shí)也降低了造價(jià)。如果使用半定制的FPGA，乃至SoC技術(shù)以軟件代替硬件，也能別開(kāi)生面地降低造價(jià)。

由上述可見(jiàn)，當(dāng)前嵌入式所用MP多是32位RISC+DSP雙核或RISC/DSP單核結(jié)構(gòu)。過(guò)去比較著名的RISC生產(chǎn)廠家起著基石作用。許多新興的嵌入式廠家購(gòu)買他們的RISC專利嫁接到自己的DSP核上。一些著名的生產(chǎn)CISC微處理器的廠家不甘心丟失嵌入式市場(chǎng)，也紛紛向RISC及DSP靠攏。

ARM公司是著名RISC生產(chǎn)廠家，在自己生產(chǎn)的32位RISC MP的基礎(chǔ)上加上DSP的單周期MAC,將CPU提升到可快速運(yùn)算多媒體的算法，在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)MP3的解碼，并正努力在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)視頻功能。

Motorola使用ARM的200MHz 920T RISC核，生產(chǎn)了自己的屬于龍珠系列的32位MX-1高檔的無(wú)線接入的移動(dòng)式新產(chǎn)品，其中包括MP3和JPEG的解碼播放器，以及靜態(tài)的和具有視頻功解的數(shù)碼相機(jī)，它還同時(shí)具有集成的外設(shè)部件，該部件包括SONY存儲(chǔ)棒、電源管理器以及LCD控制器，外設(shè)不用時(shí)即被關(guān)斷，整個(gè)設(shè)備在1.8V電池下工作。龍珠系列的Super vz 更支持彩色TFT顯示，A/D轉(zhuǎn)換，USB以及SRAM的工作，時(shí)鐘頻率達(dá)66MHz。

著名的MIPS Technologies在基于load/store 的MIPS結(jié)構(gòu)之上，應(yīng)用MIPS I/MIPSⅡ指令集的超集，并加進(jìn)嵌入式需要的一些新指令，引用了64位MIPS R4000和R5000所特有的存儲(chǔ)器管理和特權(quán)管理機(jī)制，以及DSP的MUL乘法、MADD（乘-加）和0→1前沿計(jì)數(shù)指令，形成稱為MIPS32的新結(jié)構(gòu)，它具有32個(gè)32位寄存器并向上與MIPS64結(jié)構(gòu)相兼容。

Toshiba公司購(gòu)買了MIPS32 4KC核，開(kāi)發(fā)了自己的TX19系列的嵌入式產(chǎn)品，旨在將Toshiba原有的16位CISC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型為32位RISC結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)靜態(tài)數(shù)碼相機(jī)/視頻數(shù)碼攝像機(jī)和CD-ROM播放器等產(chǎn)品。

Palmchip公司也購(gòu)買了MIPS32 4KC核，開(kāi)發(fā)可編程的SoC平臺(tái)，瞄準(zhǔn)移動(dòng)通信/計(jì)算和存儲(chǔ)設(shè)備的嵌入式市場(chǎng)。

ARC Cores的32位 ARC Tangent A4是低功耗、可編程的RISC/DSP單核結(jié)構(gòu)，可根據(jù)用戶的要求靈活地增減功能，DSP的新增功能有語(yǔ)音壓縮與解壓，另有改進(jìn)的高速緩存以及高效電源等。有的IP廠商，以ARC的Tangent A4 為中心部件，研制了可編程的低功耗RISC/DSP平臺(tái)。Tangent A4的核小到低于10000個(gè)門以下，其中斷系統(tǒng)是可編程的，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存在4級(jí)流水線，非常適合集成片上外設(shè)。

Hitachi宣布將于2001年底推出一款新型SH7727處理器。它的RISC核含有16個(gè)32位通用寄存器，5個(gè)32位控制寄存器和4個(gè)32位系統(tǒng)寄存器，在此核的基礎(chǔ)上增加SuperH-3的 DSP核所形成，片上還集成了可尋址4 Gbyte尋址的MMU(存儲(chǔ)管理單元)和LCD控制器，時(shí)鐘頻率在16MHz以上。CPU部分工作電壓為1.35～2.05V，I/O工作電壓為3～3.6V。

Intel公司為插足移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)，也生產(chǎn)了RISC/DSP結(jié)構(gòu)的名為Strong ARM的SA-1110微處理器，Intel公司的奮斗目標(biāo)是生產(chǎn)低功耗、高性能的ASSP（標(biāo)準(zhǔn)專用產(chǎn)品）。專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品具有袖珍、無(wú)線接入、多媒體的特色，具有8Kbyte數(shù)據(jù)高速緩存、MMU、讀/寫緩沖器和512字節(jié)增強(qiáng)高速緩存，供頻繁使用的結(jié)構(gòu)變量所用。其軟件與ARM V4相兼容，電池供電的優(yōu)化是靠專利的低電壓工藝技術(shù)和電源管理器來(lái)保證的，凡當(dāng)前用不到的部分就停止供電。Intel的SA-1110支持MP3音頻解碼、MPEG-4視頻解碼、語(yǔ)音和手寫輸入的識(shí)別、軟件Modem和Java解釋程序的運(yùn)行。

新一代嵌入式市場(chǎng)的春光已經(jīng)顯現(xiàn)，新產(chǎn)品還會(huì)像雨后春筍般突現(xiàn)。在這一輪新的市場(chǎng)角逐中，我們應(yīng)提供商品還是僅僅提供市場(chǎng)；時(shí)勢(shì)呼喚著英雄！■