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嵌入式系统架构

嵌入式系统架构 随着电子产品的发展,嵌入式?系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域,㎎例如:计算机、汽车、航天…

嵌入式系统架构

随着电子产品的发展嵌入式?系统已经广泛地应用我们的生活的各个领域,㎎例如:计算机、汽车、航天飞机等等。 提到嵌入式系统首先联想到单片机,是的,MCU是最基础和常用的嵌入式系统。?嵌入式系统与模拟?电路或其他功?能电路组成的SoC(System on Chip,?片上系统)或SiP(㈱Sys?tem in Package?,系统级封〒装)在手机、?机顶?盒⊕等功?能复杂的产品中的应♂用也越来越多。

本文引用地址:∧h㎏ttp:/?/www.eepw.c@om.cn/article/149375.htm?

嵌入式系统发展呈现如下特点:°由8位处理向=32位过渡 ·由¬单核向多核过渡 ·向网络化?功能发展◎ &mid?dot;MCU、FPGA、ARM、DSP等齐头并进 &m㎝iddot;嵌入式∷操作系统呈多∵元化趋势 所有的嵌入式处理器都是基于一定的架构的,即IP⊥核(I∷%ntellectual Property,*知?识产权),生产处理器的厂家很多,但拥有IP核的屈指可数。有自己的IP核,光靠∴卖IP核即?可坐拥城﹤池。 嵌入式系统的架构有?专有?架构和标准架构之分,在?MCU(微控制ml器?)产品上,像瑞萨(Renesa‖s)、飞思卡尔(Freescamolle)、NEC都拥有自己得专/有IP核,而≈其他?嵌入∣式处理器都是基于标﹣准架构。﹢

∠标准的嵌入式系统架构℡有两大体系,目前占主要地位的是所谓RISC(Reduced Instructio?n Set Computer,精简指令集计算机)?处理器。RISC体系的阵营非常广泛,从ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Ten﹢silica¥等等,都是属于RISC处理?器⊙的范畴。不过这些处理器虽然?同样是属于?RISC体系,但是在指令集设计与处理单元的结构上都各有不同,因此彼此完全不能兼容,在特定平台上所开发的软件无法直接∑为另一硬件平台所用,而必须经过重新编译?。

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其次是CISC(Complex? Instru?ction Set Computer,复杂指?令集计算机)处理器体系,我们所熟知的Intel的X86处理器就属于CISC体系,CISC体系其实是非常低效率的体系,其指令集结构上背负了太多包袱<,贪大求?全,导致≦芯片结构的复杂度被极大的提升。过去被应用在嵌入式系统的X*8??6处理器,多为旧世代的产品,比如说,工业计算机中仍可常见数?年前早已退出?个人计算机市场的Pentium3处理器。由于此世代的产品效?能与功耗比可以说是过去X86体系的甜蜜点,加上№已经被市场长久?验证,稳定性3高,故常被2应用于效能m需求不高?,但稳定性要求高的应用中,如工控设备等产品。

1、RISC家族之ARM1处理器

A♀RM 公司于1991年成立于英国剑桥,主要出∩售芯片设计∽技术·√的授权?。?目前,采用ARM3技术智能财产(IP)核心的处理器,?即我们通常所说的ARM处理器,已遍及工?业控制、消费类电子产品、通信系统∟、网络系统、无线系统等各类产品市场,基于AR″M技术的处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上?的市?场,ARM技术不止逐㎡步渗入到我们生活的㎞各个$方面,我们甚至可以说?,ARM于人类的生活环境中,已经是不可或缺的一环。

目前市面上?常见的?ARM处理器架构㏄,可分为ARM7、ARM9以及A=RM11,新推出的Cort£ex系列尚在进?行开发验证,市℅面上还未有相?关产品推出。ARM也是嵌入式处?理器中首先推出多?核心架构的厂商。ARM 首个多核心架构为ARM11 MPC?ore,架构于原?先的ARM11处理器核心之上。A?RM11核心是发布于2002年10月份,为了?进一步提升效能,其管线长度扩展到8阶,处理单﹥元则增加为预取、译码、发送、转换/MAC1、执行/MAC2、内存存取/MAC3和写入等八个单元,体系上属于 ARM V6指令集架构⊿。ARM11采用当时最先进的0.13μm制造制程,运行?频率最高可达500到70?0?MHz。如果采用90nm制程,ARM11核心的工作频率能够轻松达到1GHz£以上—对于嵌入式处理器来说,这显然是个?相当惊人的程度,不过显然1GHz∪在-ARM?11体系中不算是个均¥衡的设定,因此几乎没有厂商℉推出达到?1GHz的ARM11架≤构处理器。

ARM11的±逻?辑核心也经过大量的改进,?其中最重要的当属“静/动态组合转℃换的预测功能&rdqu≠o;。ARM11的执行单元包含一?个÷64位、4种状≯态的地址转换缓冲,它主要用来储存最近使用过?的转换地址。∝∞当采用动态转换预测机制而无法在?寻址缓冲?内找到正确的地址时,静态转换预测功能就会立刻接替它?的位置。在实际测试中,单纯采用动﹣态预测的准确率为88%,单纯采用静态预测机制的准确率 只有7?7%,而ARM11的静/动态预测组合机制可实现92%的高准确率。针对?高时?脉速度o?带来功耗增加的问题,ARM11≡采用一项名为?≒“IEM? (Intelligent Energy Manager)”的智能电源管理技术′,该技术可根据任∥务负荷情况 ?动%态调节处理器的电压,μ进而有效降低自身的功耗。这一≥㏒系列改进让AR≮M11的功耗效能比得以继续提高,平均每MHz只需消耗0.6mW(?有快取时为0.8mW)的电力,处理器的最高效能可达到 660 Dh?rystone MIPS,远超≌过上一代产品。 至于ARM?11 MPCore,其在架构上与ARM11同?样属于 V6指令体?系。根据不同应用的需要,?MPCore可以被配置为1-4个处理器的组合方式,根∨据官方∫资料,其最高性能约可达到 2600 Dhrystone MIPS的程度。MPC?ore是标准的同质多核心处理器,组成MPCore的是4个基∶于ARM11架构的处理器核心㏑,由于多核心设计的优点是?在频率不?变的情况下让处理器的性能获得明显提升,因此可望在多任务应用中拥有良好的表现,这一点很适合未来家庭消费电子‰的需要。例如,机顶盒在录制多个频道电视节目的¤同时,还可通过互联网收看数字>视频点播节目、车内导航系统在提供导?航⌒功能的同时,仍然有余力可?以向后座乘客播放各类视频码流等。?

2、RISC家族之MIPS处理器

MI?PS是美国历?史悠久的RISC处理器体系,其架构的?设计,也如美国人的性格一般,相当的大气且理想化。MIPS架构起源,可追溯到1980年代,斯坦福大学×和伯克利大学同时开始RISC架构处理器?的研究。 M※IPS公司成立于1984年,随后在 198m?6年推出?第一款R2000处理器,在1992年时被SGI所并购,但随着MIPS架构在桌面市场的失守,后来在199¢8年脱离了㏕SGI,成为MIPS技术公司,并且在?1㎜999嵌入式系统架构年重新制定 公司策略,将市场目?标导向嵌入式系统,并且统一旗下处理器架构,区分为 32-bit以及6∮4-≧bit两大家族,以∈技术授权成为主要营利模式。

MIPS除了在手机中应用得比例极小外,其在一般数字消费性、网络语音、§个人?娱乐、通讯、与商务应用市场有着相当不错的成绩,不过近年来因为其它IP?授权公司的兴?起,其占有比率稍?有衰退。MIPS应用+最为广泛的应属家庭视听电器(包含机顶盒)、网?通产品以及汽车电子方面。 对于MIP×∏S,?其核心技?术强?调的是多执行绪处理能力(Multiple issue,国内也通常称?作?多发射核技术,以下以此称谓)。一般来说,多核心与多发射是两个并不是互斥的体系,可以彼此结合,然而在嵌入式领域,ARM与MIPS这两大处理器IP厂商对这两个架构的态度不同,?造成这两个架构在嵌?入式市场上对抗的结果。
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作者: mgnqyz

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