嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點及架構(gòu)分析

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到當(dāng)今各個領(lǐng)域，與我們的生活息息相關(guān)，小到掌上的數(shù)字產(chǎn)品，大到汽車、航天飛機。 提到嵌入式系統(tǒng)我們很快會聯(lián)想到單片機，不錯，MCU是最基礎(chǔ)和常用的嵌入式系統(tǒng)，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS等其他嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛。嵌入式系統(tǒng)與模擬電路或其他功能電路組成的SoC（System on Chip,片上系統(tǒng)）或SiP（System in Package，系統(tǒng)級封裝）在手機、機頂盒等功能復(fù)雜的產(chǎn)品上的應(yīng)用也越來越多。

總的來說，嵌入式系統(tǒng)發(fā)展呈現(xiàn)如下特點： ·由8位處理向32位過渡 ·由單核向多核過渡 ·向網(wǎng)絡(luò)化功能發(fā)展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進 ·嵌入式操作系統(tǒng)呈多元化趨勢 所有的嵌入式處理器都是基于一定的架構(gòu)的，即IP核（Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán)），生產(chǎn)處理器的廠家很多，但擁有IP核的屈指可數(shù)。有自己的IP核，光靠賣IP核即可坐擁城池。 嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)有專有架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)之分，在MCU（微控制器）產(chǎn)品上，像瑞薩（Renesas）、飛思卡爾（Freescale）、NEC都擁有自己得專有IP核，而其他嵌入式處理器都是基于標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)。

標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)有兩大體系，目前占主要地位的是所謂RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）處理器。RISC體系的陣營非常廣泛，從ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是屬于RISC處理器的范疇。不過這些處理器雖然同樣是屬于RISC體系，但是在指令集設(shè)計與處理單元的結(jié)構(gòu)上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平臺上所開發(fā)的軟件無法直接為另一硬件平臺所用，而必須經(jīng)過重新編譯。

其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計算機）處理器體系，我們所熟知的Intel的X86處理器就屬于CISC體系，CISC體系其實是非常低效率的體系，其指令集結(jié)構(gòu)上背負了太多包袱，貪大求全，導(dǎo)致芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度被極大的提升。過去被應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)的X86處理器，多為舊世代的產(chǎn)品，比如說，工業(yè)計算機中仍可常見數(shù)年前早已退出個人計算機市場的Pentium3處理器。由于此世代的產(chǎn)品效能與功耗比可以說是過去X86體系的甜蜜點，加上已經(jīng)被市場長久驗證，穩(wěn)定性高，故常被應(yīng)用于效能需求不高，但穩(wěn)定性要求高的應(yīng)用中，如工控設(shè)備等產(chǎn)品。

1、RISC家族之ARM處理器 ARM 公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)智能財產(chǎn)（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業(yè)控制、消費類電子產(chǎn)品、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術(shù)的處理器應(yīng)用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術(shù)不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環(huán)境中，已經(jīng)是不可或缺的一環(huán)。

目前市面上常見的ARM處理器架構(gòu)，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發(fā)驗證，市面上還未有相關(guān)產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構(gòu)的廠商。ARM 首個多核心架構(gòu)為ARM11 MPCore，架構(gòu)于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發(fā)布于2002年10月份，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預(yù)取、譯碼、發(fā)送、轉(zhuǎn)換/MAC1、執(zhí)行/MAC2、內(nèi)存存取/MAC3和寫入等八個單元，體系上屬于 ARM V6指令集架構(gòu)。ARM11采用當(dāng)時最先進的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來說，這顯然是個相當(dāng)驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設(shè)定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構(gòu)處理器。

ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進，其中最重要的當(dāng)屬“靜/動態(tài)組合轉(zhuǎn)換的預(yù)測功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個64位、4種狀態(tài)的地址轉(zhuǎn)換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉(zhuǎn)換地址。當(dāng)采用動態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測機制而無法在尋址緩沖內(nèi)找到正確的地址時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換預(yù)測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態(tài)預(yù)測的準(zhǔn)確率為88%，單純采用靜態(tài)預(yù)測機制的準(zhǔn)確率 只有77%，而ARM11的靜/動態(tài)預(yù)測組合機制可實現(xiàn)92%的高準(zhǔn)確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11采用一項名為“IEM （Intelligent Energy Manager）”的智能電源管理技術(shù)，該技術(shù)可根據(jù)任務(wù)負荷情況動態(tài)調(diào)節(jié)處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續(xù)提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到 660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產(chǎn)品。 至于ARM11 MPCore，其在架構(gòu)上與ARM11同樣屬于 V6指令體系。根據(jù)不同應(yīng)用的需要，MPCore可以被配置為1-4個處理器的組合方式，根據(jù)官方資料，其最高性能約可達到 2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標(biāo)準(zhǔn)的同質(zhì)多核心處理器，組成MPCore的是4個基于ARM11架構(gòu)的處理器核心，由于多核心設(shè)計的優(yōu)點是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務(wù)應(yīng)用中擁有良好的表現(xiàn)，這一點很適合未來家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個頻道電視節(jié)目的同時，還可通過互聯(lián)網(wǎng)收看數(shù)字視頻點播節(jié)目、車內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)在提供導(dǎo)航功能的同時，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視頻碼流等。

2、RISC家族之MIPS處理器 MIPS是美國歷史悠久的RISC處理器體系，其架構(gòu)的設(shè)計，也如美國人的性格一般，相當(dāng)?shù)拇髿馇依硐牖IPS架構(gòu)起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學(xué)和伯克利大學(xué)同時開始RISC架構(gòu)處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，隨后在 1986年推出第一款R2000處理器，在1992年時被SGI所并購，但隨著MIPS架構(gòu)在桌面市場的失守，后來在1998年脫離了SGI，成為MIPS技術(shù)公司，并且在1999年重新制定 公司策略，將市場目標(biāo)導(dǎo)向嵌入式系統(tǒng)，并且統(tǒng)一旗下處理器架構(gòu)，區(qū)分為 32-bit以及64-bit兩大家族，以技術(shù)授權(quán)成為主要營利模式。

MIPS除了在手機中應(yīng)用得比例極小外，其在一般數(shù)字消費性、網(wǎng)絡(luò)語音、個人娛樂、通訊、與商務(wù)應(yīng)用市場有著相當(dāng)不錯的成績，不過近年來因為其它IP授權(quán)公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應(yīng)用最為廣泛的應(yīng)屬家庭視聽電器（包含機頂盒）、網(wǎng)通產(chǎn)品以及汽車電子方面。 對于MIPS，其核心技術(shù)強調(diào)的是多執(zhí)行緒處理能力（Multiple issue,國內(nèi)也通常稱作多發(fā)射核技術(shù)，以下以此稱謂）。一般來說，多核心與多發(fā)射是兩個并不是互斥的體系，可以彼此結(jié)合，然而在嵌入式領(lǐng)域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠商對這兩個架構(gòu)的態(tài)度不同，造成這兩個架構(gòu)在嵌入式市場上對抗的結(jié)果。

MIPS 的多發(fā)射體系為MIPS34K系列，此為32位架構(gòu)處理器，從架構(gòu)上來看，其實多發(fā)射核技術(shù)只是為了盡量避免處理單元閑置浪費而為的折衷手段，就是將處理器中的閑置處理單元，分割出來虛擬為另一個核心，以提高處理單元的利用率。在技術(shù)上，為了實現(xiàn)硬件多重處理，多核心與多發(fā)射兩者對于軟件最佳化的復(fù)雜度方面同樣都比單核心架構(gòu)來得復(fù)雜許多。 34K核心能執(zhí)行現(xiàn)有的對稱式二路SMP操作系統(tǒng)（OSes）與應(yīng)用軟件，通過操作系統(tǒng)的主動管理，現(xiàn)有的應(yīng)用軟件也能善用多發(fā)射處理能力。它亦能應(yīng)用在多個執(zhí)行線程各自有不同角色的（AMP或非對稱式多重處理）環(huán)境下。此外，34K核心能設(shè)定一或兩個虛擬處理組件（VPE）以及多至5個線程內(nèi)容（Thread Content），提供相當(dāng)高的設(shè)計彈性。MIPS的多發(fā)射在任務(wù)切換時，有多余的硬件緩存器可以記錄執(zhí)行狀態(tài)，避免切換任務(wù)時，因為必須重新加載指令，或者是重新執(zhí)行某部分的工作，造成整個執(zhí)行線程的延遲。不過即便能夠達到同時執(zhí)行多個任務(wù)的能力，多發(fā)射處理器本質(zhì)上仍然是單核心處理器，在單一執(zhí)行緒面臨高負載時，其它執(zhí)行緒的處理時間就有可能會被壓縮，甚至被暫停。而不同執(zhí)行緒在執(zhí)行的過程中，諸如內(nèi)存鎖定、解鎖以及同步等處理過程在多發(fā)射體系上也會發(fā)生，因此在極端情況下，多發(fā)射的性能是明顯比不上原生多核心架構(gòu)的（以兩個執(zhí)行緒對兩個核心的比較而言）。 不過多發(fā)射體系的優(yōu)點在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設(shè)計公司也推出了基于MIPS架構(gòu)的平行架構(gòu)多核心，形成兼具多核與多發(fā)射的應(yīng)用架構(gòu)，相信在未來這種體系將會納入MIPS的原生架構(gòu)當(dāng)中，以應(yīng)付更復(fù)雜的應(yīng)用。
 

STM32/STM8

意法半導(dǎo)體/ST/STM