32位嵌入式處理器技術(shù)與應(yīng)用

清華大學(xué)Motorola單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)中心 邵貝貝

“8位單片機(jī)對(duì)我的應(yīng)用來(lái)說(shuō)足夠好了。”另一個(gè)聲音是：“有更好的32位機(jī)，又不貴，為什么不用呢？”觀(guān)念正在變化，市場(chǎng)需求在發(fā)展。冰箱用上了DSP，汽車(chē)電子全面走向32位，通信相關(guān)產(chǎn)品本來(lái)就是32位處理器的天下。國(guó)內(nèi)單片機(jī)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)大軍已經(jīng)開(kāi)始把目光投向32位嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

32位嵌入式處理器一般都可以通過(guò)JTAG接口調(diào)試，不需要使用仿真器，幾乎不需要什么開(kāi)發(fā)環(huán)境方面的硬件投入。而軟件的開(kāi)發(fā)則應(yīng)以C語(yǔ)言為主。如果能配上嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS），則如虎添翼。根據(jù)不同的應(yīng)用，RTOS的價(jià)格可以從50美元到3萬(wàn)美元不等。

目前，ARM系列32位處理器在低功耗移動(dòng)通信設(shè)備方面占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。Power PC為核心的單片機(jī)則用在非便攜的通信設(shè)備上。Motorola傳統(tǒng)的M683××系列以及RISC級(jí)CPU ColdFire主要用在工控與汽車(chē)電子方面。NEC、HITACHI、EPSON也有各自的32位處理器產(chǎn)品。值得注意的是，系統(tǒng)芯片(SoC)技術(shù)使應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)越來(lái)越傾向于以32位CPU為核心，設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)用芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)SoC。

M.Core 是Motorola 的一款RISC級(jí)低功耗CPU，性能優(yōu)于ARM7。以M200系列為例，在1.8V 供電，33MHz主頻下，可達(dá)31.4MIPs，功耗僅13.6mW。M.Core 僅用了8萬(wàn)個(gè)晶體管, 0.25mm工藝下面積只有1.1mm2，成本低。M.Core 有較高的碼密度和編程效率，應(yīng)用程序比其他32位CPU少占用約30%存儲(chǔ)空間。以M.Core 為CPU的MMC2107單片機(jī)集成了8K SRAM,128K FLASH, 8路10位A/D 以及SCI、PWM、定時(shí)器等。此外還有2103、2111等產(chǎn)品。

目前流行的諸多32位嵌入式處理器，尚無(wú)一款是中國(guó)人自己的?？上驳氖?，蘇州成立的“國(guó)芯公司”，擬在研究和消化Motorola 的低功耗32位M.Core的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)有中國(guó)人自己知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中國(guó)芯”——C.Core。屆時(shí)，國(guó)人就真的在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域“占有一席之地”了。（中芯微系統(tǒng)公司7月10日已發(fā)布了改位Arca嵌入式芯片，見(jiàn)另報(bào)道——編者）。

Infineon(澳洲)有限公司 陳騏

在汽車(chē)電子控制部分的設(shè)計(jì)中，無(wú)論是從支持新的設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)工具的角度，還是從微控制器本身的功能出發(fā)，都對(duì)新一代微控制器提出了挑戰(zhàn)。有鑒于此，汽車(chē)半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠(chǎng)家之一——億恒科技(Infineon )已經(jīng)并計(jì)劃在今后兩年內(nèi)，陸續(xù)推出一系列32位的AUDO微控制器系列，以滿(mǎn)足下一代汽車(chē)中發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及車(chē)身系統(tǒng)等各種嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用的需求，其中第一個(gè)成員TC-1775業(yè)已問(wèn)世。

AUDO-TC1775的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的設(shè)計(jì)中心是圍繞著如何實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中各電子控制系統(tǒng)的高實(shí)時(shí)性，同時(shí)又兼顧到這些系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)。其核心部分是Infineon的Tricore內(nèi)核。系統(tǒng)的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)主要是基于它進(jìn)行的，而驅(qū)動(dòng)器程序的執(zhí)行是圍繞著獨(dú)立的片內(nèi)外設(shè)控制器(PCP)，并由各片內(nèi)外設(shè)來(lái)完成與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)控制、與外部模擬信號(hào)和各種接口相連接等其它任務(wù)。

Tricore是業(yè)界第一個(gè)具有統(tǒng)一的32位MCU-DSP結(jié)構(gòu)的微控制器核心，集合了普通微控制器的高實(shí)時(shí)性、RISC處理器“裝載/存儲(chǔ)(load/store)”結(jié)構(gòu)的高性?xún)r(jià)比以及DSP結(jié)構(gòu)的高數(shù)據(jù)處理能力為一體。其指令集結(jié)構(gòu)(ISA)支持統(tǒng)一的32位地址空間及多個(gè)指令流水線(xiàn)同時(shí)運(yùn)作的超級(jí)標(biāo)量結(jié)構(gòu)，并使它能適用于多種不同應(yīng)用。這種實(shí)施和系統(tǒng)層次上的靈活性，可以讓設(shè)計(jì)者及時(shí)地控制系統(tǒng)性能和成本之間的平衡。

AUDO結(jié)構(gòu)上層次分明，這樣很容易將它定義在正確的抽象層上，然后可以在不同的領(lǐng)域內(nèi)(如A/D、熱學(xué)/機(jī)械學(xué)等)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行各種仿真和性能分析。這支持了新一代系統(tǒng)設(shè)計(jì)中日益普及的“虛擬樣機(jī)”的概念。

下面將部分介紹AUDO及Tricore內(nèi)核的主要功能和特點(diǎn)：

數(shù)據(jù)類(lèi)型：汽車(chē)應(yīng)用系統(tǒng)的軟件中需支持各種的數(shù)據(jù)類(lèi)型，微控制器必須有效地對(duì)它們進(jìn)行管理以減少數(shù)據(jù)和代碼的長(zhǎng)度。Tricore指令集支持的操作類(lèi)型有：布爾、位、字符、帶符號(hào)的分?jǐn)?shù)、地址、帶或不帶符號(hào)的整數(shù)及單精度的浮點(diǎn)數(shù)。

算術(shù)和DSP性能：隨著汽車(chē)控制系統(tǒng)功能的日趨復(fù)雜，許多控制策略中對(duì)DSP計(jì)算的要求也越來(lái)越迫切。除了普通與狀態(tài)機(jī)、查表及通訊協(xié)議有關(guān)的基本操作之外，高速執(zhí)行器的魯棒控制及運(yùn)用在電磁閥、交流感應(yīng)電機(jī)、汽車(chē)動(dòng)態(tài)控制等方面的閉環(huán)自適應(yīng)控制方案的日趨普及，也帶來(lái)大量的DSP運(yùn)算。此外，汽車(chē)系統(tǒng)中的傳感器輸入也在不斷地增加。有些應(yīng)用中(例如加速度表等)，傳感器的輸入信號(hào)采樣后必須經(jīng)過(guò)一定的DSP如濾波、頻譜分析等，才可以傳輸?shù)较到y(tǒng)控制器中去。

Tricore具有強(qiáng)大的DSP功能，這在提高汽車(chē)的駕駛特性、減少油耗和污染排放等方面是至關(guān)重要的。

浮點(diǎn)運(yùn)算：在汽車(chē)各系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，新的設(shè)計(jì)方法和控制策略對(duì)浮點(diǎn)計(jì)算能力的要求大增，主要原因是隨著新的仿真工具和代碼自動(dòng)生成器的出現(xiàn)，系統(tǒng)工程師將精力從程序的編寫(xiě)和實(shí)施轉(zhuǎn)移到控制策略的設(shè)計(jì)和算法的優(yōu)化上，給系統(tǒng)控制策略從傳統(tǒng)的影射控制向魯棒和自適應(yīng)控制等方向轉(zhuǎn)化創(chuàng)造了條件。在影射控制方法中，浮點(diǎn)數(shù)僅用在非線(xiàn)性表達(dá)式的內(nèi)插和賦值等運(yùn)算中，而在魯棒和自適應(yīng)控制等方案中，浮點(diǎn)數(shù)的使用則可以極大地減少矩陣和矢量的操作，從而增加系統(tǒng)的計(jì)算效率。

理想的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元(FPU)需通過(guò)浮點(diǎn)乘和加指令有效地支持矩陣和矢量運(yùn)算，并減少上下文切換造成的軟件開(kāi)銷(xiāo)。將一個(gè)浮點(diǎn)單元增加到非浮點(diǎn)內(nèi)核中去的方法有幾種，Tricore中所采用的方案是將具有自己獨(dú)立的寄存器的浮點(diǎn)協(xié)處理器緊密地與內(nèi)核耦合，這既縮短了浮點(diǎn)運(yùn)算所耗費(fèi)的周期，也不需在FPU的設(shè)計(jì)上花太大的精力。

片內(nèi)外設(shè)：AUDO中的片內(nèi)外設(shè)通過(guò)統(tǒng)一的內(nèi)部總線(xiàn)與CPU、片上存儲(chǔ)器和外設(shè)控制器建立通訊聯(lián)系；另一方面，這些片內(nèi)外設(shè)和存儲(chǔ)器又通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的外部總線(xiàn)單元與外部器件(如外部存儲(chǔ)器或外設(shè))聯(lián)系，該外部總線(xiàn)在復(fù)用或非復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線(xiàn)的情況下均支持各種外部存儲(chǔ)器類(lèi)型。例如，TC1775中集成了許多發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元中常用到的外設(shè)模塊，包括功能強(qiáng)大的通用定時(shí)器和PWM模塊；高精度的A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊；各種高速同步/異步串行口；汽車(chē)行業(yè)內(nèi)被廣泛用來(lái)進(jìn)行內(nèi)部通訊的控制器局部網(wǎng)(CAN)/J1850模塊；通過(guò)JTAG接口進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試的片上調(diào)試模塊；高效的芯片功耗管理模塊；靈活的時(shí)鐘生成單元等等。這些外設(shè)模塊的引入，既符合行業(yè)內(nèi)SoC的趨勢(shì)，又加強(qiáng)了AUDO對(duì)各種汽車(chē)電子控制應(yīng)用的支持能力，從而進(jìn)一步奠定了AUDO系列產(chǎn)品作為下一代主流汽車(chē)用微控制器的地位。

北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)系 馬忠梅

1985年第一個(gè)ARM原型在英國(guó)劍橋誕生。1990年成立Advanced RISC Machines Limited(后簡(jiǎn)稱(chēng)為ARM)。目前，ARM已擴(kuò)展到世界范圍，占據(jù)高性能、低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域。作為32位嵌入式RISC微處理器業(yè)界的領(lǐng)先供應(yīng)商，占有大于75％的市場(chǎng)。

ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。

ARM商品模式的強(qiáng)大之處在于它在世界范圍有超過(guò)100個(gè)的合作伙伴(Partners）。ARM 是設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)芯片。采用轉(zhuǎn)讓許可證制度，由合作伙伴生產(chǎn)芯片。

當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括：

·Thumb 16位指令集，為了改善代碼密度；

·DSP DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；

·Jazeller 允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼。

ARM處理器系列提供的解決方案有：

·無(wú)線(xiàn)、消費(fèi)類(lèi)電子和圖像應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)；

·存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；

·智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。

ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。一般來(lái)講存儲(chǔ)器比等價(jià)32位代碼節(jié)省達(dá)35％，然而保留了32位系統(tǒng)的所有優(yōu)勢(shì)。ARM的Jazelle技術(shù)使Java加速得到比基于軟件的Java虛擬機(jī)(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。CPU功能上增加DSP指令集提供增強(qiáng)的16位和32位算術(shù)運(yùn)算能力，提高了性能和靈活性。ARM還提供兩個(gè)前沿特性來(lái)輔助帶深嵌入處理器的高集成SoC器件的調(diào)試，它們是嵌入式ICE-RT邏輯和嵌入式跟蹤宏核(ETMS)系列。

當(dāng)前有5個(gè)產(chǎn)品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。

1、ARM7系列

優(yōu)化用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)應(yīng)用的低功耗32位核，有：

·嵌入式ICE-RT邏輯；

·非常低的功耗；

·三段流水線(xiàn)和馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，提供0.9MIPS/MHz。

2、SecurCore SC100特為安全市場(chǎng)設(shè)計(jì)，帶特定的抗拒竄改和反工程的特性。還帶靈活的保護(hù)單元確保操作系統(tǒng)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的安全。

3、ARM9系列

高性能和低功耗領(lǐng)先的硬宏單元，帶有：

·5段流水線(xiàn)；

·哈佛結(jié)構(gòu)提供1.1MIPS/MHz。

ARM920T和ARM922T內(nèi)置全性能的MMU、指令和數(shù)據(jù)cache和高速AMBA總線(xiàn)接口。AMBA片上總線(xiàn)是一個(gè)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，已成為SoC構(gòu)建和IP庫(kù)開(kāi)發(fā)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。AMBA先進(jìn)的高性能總線(xiàn)(AHB)接口現(xiàn)由所有新的ARM核支持，提供開(kāi)發(fā)全綜合設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

ARM940T內(nèi)置指令和數(shù)據(jù)cache、保護(hù)單元和高速AMBA總線(xiàn)接口。

4、ARM9E系列

可綜合處理器，帶有DSP擴(kuò)充和緊耦合存儲(chǔ)器(TCM)接口，使存儲(chǔ)器以完全的處理器速度運(yùn)轉(zhuǎn)，可直接連接到內(nèi)核上。

ARM966E-S用于硅片尺寸重要，而對(duì)cache沒(méi)要求的實(shí)時(shí)嵌入式應(yīng)用，可配置TCM大?。?、4K、8K、16K，最大達(dá)64M。

ARM946E-S內(nèi)置集成保護(hù)單元，提供實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)的cache核方案。

ARM926ET-S帶Jazelle擴(kuò)充、分開(kāi)的指令和數(shù)據(jù)高速AHB接口及全性能MMU。

VFP9 向量浮點(diǎn)可綜合協(xié)處理器進(jìn)一步提高ARM9E處理器性能，提供浮點(diǎn)操作的硬件支持。

5、ARM10系列

硬宏單元，帶有：

·64位AHB指令和數(shù)據(jù)接口；

·6段流水線(xiàn)；

·1.25MIPS/MHz；

·比同等的ARM9器件性能提高50％。

兩種新的先進(jìn)的節(jié)能方式得到了異常低的耗電。VFP10協(xié)處理器完善地依從ARM10器件提供高性能的浮點(diǎn)解決方案。

清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 沈永林

日立亞洲(香港)有限公司 郭海濤

日立單片機(jī)有各種各樣的系列，其中4位的H400系列主要用于低檔家電；8位的H8/300L、H8/300主要用于中高檔家電，如錄像機(jī)、無(wú)繩電話(huà)以及計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)、汽車(chē)剎車(chē)控制；而16位的H8/300H、H8S/2000、H8/500等主要用于工程控制、蜂窩電話(huà)、CD驅(qū)動(dòng)器、打印機(jī)等。本文僅對(duì)高檔32位的SH系列作一些分析。

SH系列是32位高檔的、RISC型單片機(jī)系列，到現(xiàn)在為止,已經(jīng)推出了6種類(lèi)型的單片機(jī)系列：基本型的SH1,改進(jìn)型的SH2,低功耗的SH3,增強(qiáng)型的SH4,以及和DSP結(jié)合的SH2-DSP和SH3-DSP。

SH系列的CPU采用RISC結(jié)構(gòu)，也就是采用硬連線(xiàn)的控制器，以及簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)，在流水線(xiàn)技術(shù)的支持下，減少執(zhí)行指令的平均周期數(shù)，以提高系統(tǒng)的整體性能。SH系列的CPU指令格式是固定的，只一個(gè)字長(zhǎng)，絕大多數(shù)指令是單周期完成的，即使是復(fù)雜的乘加指令也僅需2個(gè)時(shí)鐘周期。為了克服內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)的瓶頸，SH的CPU簡(jiǎn)化尋址方式，采用Load/Store(裝載/存儲(chǔ))結(jié)構(gòu)，并且在片內(nèi)設(shè)置高速緩存Cache，以減少訪(fǎng)問(wèn)內(nèi)存的時(shí)間。

SH系列的CPU內(nèi)部有16個(gè)32位通用寄存器，用于數(shù)據(jù)處理、地址計(jì)算、堆棧指針；3個(gè)32位控制寄存器，即狀態(tài)寄存器SR、全局寄存器GBR、向量基址寄存器VBR，分別用于處理器狀態(tài)的控制和片內(nèi)功能電路及程序的尋址；4個(gè)32位系統(tǒng)寄存器，即乘加寄存器MAC(用于乘法后累加的指令MAC，存放運(yùn)算結(jié)果）、過(guò)程寄存器PR(存放斷點(diǎn)地址，以便返回）和程序計(jì)數(shù)器PC。

1、SH1片內(nèi)有16位硬件乘法器，并有4～8KB的RAM、16～64KB的ROM，還有DRAM接口與片外的DRAM相連。在時(shí)鐘20MHz時(shí)，其性能可達(dá)26MIPS。

2、SH2在SH1的基礎(chǔ)上性能有所改進(jìn)，片內(nèi)的ROM、RAM移到了片外，而增加了高速緩存Cache，以提高其性能，乘法器、除法器為32位，還增加了用戶(hù)斷點(diǎn)控制器UBC。用戶(hù)利用UBC可以編程設(shè)置地址或數(shù)據(jù)斷點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試，在開(kāi)發(fā)時(shí)把它作為簡(jiǎn)單的調(diào)試工具。它的性能可達(dá)到52MIPS。

3、SH3系列是低功耗、高性能的RISC結(jié)構(gòu)，在時(shí)鐘133MHz時(shí)，性能可以達(dá)到173MIPS。在2.25V工作時(shí)，功耗僅為400mW。SH3的SH7709，其消耗功率每瓦運(yùn)行的指令數(shù)達(dá)到315MIPS，能源利用效率很高。圖2是SH3的結(jié)構(gòu)框圖。它比SH2增加了存儲(chǔ)管理部件MMU，這種以前高性能計(jì)算機(jī)中才具備的存儲(chǔ)管理部件，有效地提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能。

4、SH4是增強(qiáng)型的單片機(jī)系統(tǒng)，它的功能更多、更強(qiáng)，在時(shí)鐘167MHz時(shí)，性能達(dá)到300MIPS，而能源利用率更是達(dá)到每瓦1000MIPS，在世界上是最高效的一種單片機(jī)。

5、SH-DSP是單片機(jī)發(fā)展的新一代的產(chǎn)品，它綜合了RISC結(jié)構(gòu)處理器和DSP的優(yōu)點(diǎn)，形成了高性能、低功耗、便攜式的新產(chǎn)品，以適應(yīng)機(jī)器人、系統(tǒng)控制、圖形圖像、聲音、通信等新的更高性能的需要。例如它的乘加指令執(zhí)行僅需1個(gè)時(shí)鐘周期，大大方便了它在信號(hào)處理中的應(yīng)用。

據(jù)報(bào)道，1999年底，SH系列累計(jì)生產(chǎn)達(dá)1.18億片。SH系列投入市場(chǎng)后，用量最多的是工業(yè)，占總量的36%，第二位是辦公自動(dòng)化，占總量的26%；第三位是消費(fèi)領(lǐng)域；再其次的是通信領(lǐng)域。此外，汽車(chē)導(dǎo)航、定位、控制系統(tǒng)，也是SH系列不小的一個(gè)市場(chǎng)。在美國(guó)，SH系列占有很大的市場(chǎng)份額。

圖3是一個(gè)利用SH3-DSP的芯片SH7727構(gòu)成PDA的框圖，SH7727通過(guò)它的接口電路和ROM、RAM、鍵盤(pán)、液晶顯示器等相連，就構(gòu)成了一個(gè)小巧的PDA系統(tǒng)。

EPSON 97年推出一款32位微控制器E0C33，它采用RISC核心，哈佛結(jié)構(gòu)。其性能參數(shù)為3.3V時(shí)50MIPS，8位或16位外部總線(xiàn)。主要用于高速數(shù)據(jù)處理用QA設(shè)備，可分為三大類(lèi)：消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，象便攜式信息終端、數(shù)碼相機(jī)、DVD等；OA產(chǎn)品，如打印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)等；其他，如游戲、教育玩具、數(shù)據(jù)銀行等。

E0C33的特點(diǎn)為：CPU尺寸很小(0.35mm工藝時(shí)只有1.44mm2），更高的編譯效率。另外在低功耗方面下了很多工夫，如采用低電壓，芯片設(shè)計(jì)上采用多渠道的電源管理方式，時(shí)鐘方式是雙時(shí)鐘，低速和高速可相互切換。

E0C33更象ASIC，例如可用于激光打印機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。因?yàn)槿绻菢?biāo)準(zhǔn)芯片，就要把所有的功能都放在芯片中，芯片會(huì)非常大，成本也上去了。因此EPSON的很多芯片采用靈活的方式——ASIC，省略了很多功能，同時(shí)它也是可開(kāi)發(fā)的(圖4）?！? （王瑩）