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嵌入式系统中处理器的“群英会”

专家
2013-09-25 14:36:52    评分

  随着半导体、计算机和控制理论等技术的日新月异,在设计一个嵌入式系统的时候,可以用来选择的处理器也越来越多。在笔者上大学的那时候,MCS-51单片机还在被作为一门重要的课程,多少感觉有一些高深莫测。然而十多年时间过去了,当初高端的DSP、ARM这样的芯片已经随处可见,甚至带有ARM硬核的FPGA产品,例如Xilinx的APSOC等也已经广泛推向了市场。

  本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/170070.htm

  作为开发设计人员,当然希望使用的处理器越强大越好,这样往往不需要在性能要求和实际系统的限制中做出痛苦的折衷。但是在开发产品中,就需要综合考虑到设计成本、产品的推出时间、性能要求等再做出选择了,一些特定市场和特殊的应用会有一些更加额外的要求。所以为了更好地做出选择,我们需要对现有的、常用的处理器各自的特点进行一些总结、比较。

  1.微控制器,即MCU,也有通俗的名字叫“单片机”,相信是大部分相关专业的学生进入微机原理领域所接触的第一类处理器。他们可以通过软件编程,通常情况下器件的封装较小(老款DIP封装的不算),从低端的4位MCU,一直到8位、16位、32位甚至高端的64位,设计和制造厂商极多,其应用场合广泛,从低端的二十元钱的固定电话,到高端的打印机都有涉及。MCU的编程灵活,开发时间短,开发成本相对较低,是电机控制,电容式触摸,测量,传感,照明和能源的理想选择。

  2.ARM与通用处理器(GPP)是近几年特别流行的嵌入式系统开发所使用的处理器。其本质是在ARM公司授权的运算核心的基础上,被不同的制造厂商进行功能的定制,加入了多种多样的片上外设、存储器等,并针对特定的应用加入扩展结构以提高效率,例如大名鼎鼎的NEON技术,专门对多媒体应用领域实现了增强的功能。

  ARM的开发也较为简单灵活,并且有庞大的代码库,极大地方便了开发。并且往往提供了丰富的人机界面,并且可以运行高级的实时操作系统,例如Linux甚至Windows8等。这些年智能手机、平板电脑的大热与ARM的迅速发展也是离不开的。其应用领域也较为广泛,从音视频、多媒体、通信到工业应用都能见到它的身影。除去经典的ARM7、9、11外,目前主要有3大系列,包括Cortex™-A系列-开放式操作系统的高性能处理器、Cortex-R系列-面向实时应用的卓越性能、Cortex-M系列-面向具有确定性的微控制器应用的成本敏感型解决方案。

  3.数字信号处理器(DSP)是数字革命的基础(TI语)。从工业控制、手机,音频和视频播放器、电话基础设施、无线基站,甚至生物辨识安全设备都有广泛的应用。与通用处理器(GPP)相比,DSP针对相关的信号处理过程进行了深度优化,从而有效减少了信号处理所需要的指令数。换言之,其指令的效能大大提高了,所以MIPS作为指标来衡量其性能往往是不充分的。DSP的可编程灵活性使开发人员能够在软件中实现复杂的算法,例如针对一个H.264视频编解码器,通过简单的软件升级,就可以轻松处理不同的分辨率,可以实现新的编解码器和标准,因为不需要重新设计硬件。综合考虑到功耗、性能、灵活性和上市时间,目前客户正在转向越来越实惠,低功耗的多核DSP。在数字信号处理器核心的基础上也可以加入多种多样的外设,例如TI的C2000系列,虽然目前被官方先后归类为DSC和MCU,但其仍然是一个有着强大的数字信号处理器核心的工业控制器。

  4.应用专用集成电路(ASIC)和专用标准产品(ASSP)是完全定制的芯片,完全根据需求进行定制,可以发挥最大的效能,但是其灵活性和上市时间是最弱的,设计也极为复杂,如果流片失败,损失也是巨大的,所以只有少数实力雄厚的厂家才会使用,且轻易不会进行更改,这样就造成其一般无法适应快速变化的产品需求。当然在一些长期运行并且不到万不得已不会停机更换的场合,还是可以见到很多ASIC的身影的,例如一些运行了几十年的工控系统里面就可以找到它们。

  5.现场可编程门阵列(FPGA)器件可以提供与ASIC的接近的性能(因为大部分功能可以采用硬件逻辑电路来实现),其编程的灵活性和复杂性则介于ASIC与其它处理器之间。FPGA的应用也极为广泛,从实现一些简单的逻辑,到一些极高性能的信号处理平台都有设计。一些高端的FPGA还被用作开发ASIC所使用的原型系统。因为采用硬件电路且并行执行,在不考虑容量的情况下其性能要比DSP强大,但在目前其成本则一般没有优势。近两年来出现了带有ARM硬核/多核的FPGA芯片,例如Xilinx的APSOCZYNQ系列等,其作为上述一些处理器的综合体,其性能和灵活性都是较为强大的,如果价格能够降低到更低的水平,则也将有着更加广泛的应用前景。




关键词: 嵌入式     RAM     MCU     DSP    

高工
2013-09-26 18:11:03    评分
2楼

MIPS半死不活,x86架构悲剧的功耗

现在ARM火得一塌糊涂啊。


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