32位嵌入式处理器技术与应用

“8位单片机对我的应用来说足够好了。”另一个声音是：“有更好的32位机，又不贵，为什么不用呢？ ”观念正在变化，市场需求在发展。冰箱用上了DSP，汽车电子全面走向32位，通信相关产品本来就是32 位处理器的天下。国内单片机应用的开发大军已经开始把目光投向32位嵌入式产品的开发。 

32位嵌入式处理器一般都可以通过JTAG接口调试，不需要使用仿真器，几乎不需要什么开发环境方面的硬件投入。而软件的开发则应以C语言为主。如果能配上嵌入式实时操作系统(RTOS），则如虎添翼。根据不同的应用，RTOS的价格可以从50美元到3万美元不等。

目前，ARM系列32位处理器在低功耗移动通信设备方面占有绝对优势。Power PC为核心的单片机则用在非便携的通信设备上。Motorola传统的M683××系列以及RISC级CPU ColdFire主要用在工控与汽车电子方面。NEC、HITACHI、EPSON也有各自的32位处理器产品。值得注意的是，系统芯片(SoC)技术使应用系统的开发越来越倾向于以32位CPU为核心，设计一个专用芯片来实现SoC。

M.Core 是Motorola 的一款RISC级低功耗CPU，性能优于ARM7。以M200系列为例，在1.8V 供电，33MHz主频下，可达31.4MIPs，功耗仅13.6mW。M.Core 仅用了8万个晶体管, 0.25mm工艺下面积只有1.1mm2，成本低。M.Core 有较高的码密度和编程效率，应用程序比其他32位CPU少占用约30%存储空间。以M.Core 为CPU的MMC2107单片机集成了8K SRAM,128K FLASH, 8路10位A/D 以及SCI、PWM、定时器等。此外还有2103、2111等产品。

目前流行的诸多32位嵌入式处理器，尚无一款是中国人自己的。可喜的是，苏州成立的“国芯公司”，拟在研究和消化Motorola 的低功耗32位M.Core的基础上,设计有中国人自己知识产权的“中国芯”——C.Core。届时，国人就真的在32位嵌入式应用领域“占有一席之地”了。（中芯微系统公司7月10日已发布了改位Arca嵌入式芯片，见另报道——编者）。

Infineon(澳洲)有限公司 陈骐

在汽车电子控制部分的设计中，无论是从支持新的设计方法和开发工具的角度，还是从微控制器本身的功能出发，都对新一代微控制器提出了挑战。有鉴于此，汽车半导体器件生产厂家之一——亿恒科技(Infineon )已经并计划在今后两年内，陆续推出一系列32位的AUDO微控制器系列，以满足下一代汽车中发动机动力系统、安全系统及车身系统等各种嵌入式控制系统应用的需求，其中第一个成员TC-1775业已问世。

AUDO-TC1775的系统结构如图1所示。它的设计中心是围绕着如何实现汽车中各电子控制系统的高实时性，同时又兼顾到这些系统开发过程中各个环节的特点。其核心部分是Infineon的Tricore内核。系统的应用软件的开发主要是基于它进行的，而驱动器程序的执行是围绕着独立的片内外设控制器(PCP)，并由各片内外设来完成与时间有关的任务控制、与外部模拟信号和各种接口相连接等其它任务。

Tricore是业界第一个具有统一的32位MCU-DSP结构的微控制器核心，集合了普通微控制器的高实时性、RISC处理器“装载/存储(load/store)”结构的高性价比以及DSP结构的高数据处理能力为一体。其指令集结构(ISA)支持统一的32位地址空间及多个指令流水线同时运作的超级标量结构，并使它能适用于多种不同应用。这种实施和系统层次上的灵活性，可以让设计者及时地控制系统性能和成本之间的平衡。

AUDO结构上层次分明，这样很容易将它定义在正确的抽象层上，然后可以在不同的领域内(如A/D、热学/机械学等)对嵌入式系统进行各种仿真和性能分析。这支持了新一代系统设计中日益普及的“虚拟样机”的概念。
下面将部分介绍AUDO及Tricore内核的主要功能和特点：

数据类型：汽车应用系统的软件中需支持各种的数据类型，微控制器必须有效地对它们进行管理以减少数据和代码的长度。Tricore指令集支持的操作类型有：布尔、位、字符、带符号的分数、地址、带或不带符号的整数及单精度的浮点数。

算术和DSP性能：随着汽车控制系统功能的日趋复杂，许多控制策略中对DSP计算的要求也越来越迫切。除了普通与状态机、查表及通讯协议有关的基本操作之外，高速执行器的鲁棒控制及运用在电磁阀、交流感应电机、汽车动态控制等方面的闭环自适应控制方案的日趋普及，也带来大量的DSP运算。此外，汽车系统中的传感器输入也在不断地增加。有些应用中(例如加速度表等)，传感器的输入信号采样后必须经过一定的DSP如滤波、频谱分析等，才可以传输到系统控制器中去。
Tricore具有强大的DSP功能，这在提高汽车的驾驶特性、减少油耗和污染排放等方面是至关重要的。

浮点运算：在汽车各系统设计中，新的设计方法和控制策略对浮点计算能力的要求大增，主要原因是随着新的仿真工具和代码自动生成器的出现，系统工程师将精力从程序的编写和实施转移到控制策略的设计和算法的优化上，给系统控制策略从传统的影射控制向鲁棒和自适应控制等方向转化创造了条件。在影射控制方法中，浮点数仅用在非线性表达式的内插和赋值等运算中，而在鲁棒和自适应控制等方案中，浮点数的使用则可以极大地减少矩阵和矢量的操作，从而增加系统的计算效率。

理想的浮点数运算单元(FPU)需通过浮点乘和加指令有效地支持矩阵和矢量运算，并减少上下文切换造成的软件开销。将一个浮点单元增加到非浮点内核中去的方法有几种，Tricore中所采用的方案是将具有自己独立的寄存器的浮点协处理器紧密地与内核耦合，这既缩短了浮点运算所耗费的周期，也不需在FPU的设计上花太大的精力。

片内外设：AUDO中的片内外设通过统一的内部总线与CPU、片上存储器和外设控制器建立通讯联系；另一方面，这些片内外设和存储器又通过一个统一的外部总线单元与外部器件(如外部存储器或外设)联系，该外部总线在复用或非复用地址/数据总线的情况下均支持各种外部存储器类型。例如，TC1775中集成了许多发动机控制单元中常用到的外设模块，包括功能强大的通用定时器和PWM模块；高精度的A/D和D/A转换模块；各种高速同步/异步串行口；汽车行业内被广泛用来进行内部通讯的控制器局部网(CAN)/J1850模块；通过JTAG接口进行系统调试的片上调试模块；高效的芯片功耗管理模块；灵活的时钟生成单元等等。这些外设模块的引入，既符合行业内SoC的趋势，又加强了AUDO对各种汽车电子控制应用的支持能力，从而进一步奠定了AUDO系列产品作为下一代主流汽车用微控制器的地位。
北京理工大学计算机系 马忠梅

1985年第一个ARM原型在英国剑桥诞生。1990年成立Advanced RISC Machines Limited(后简称为ARM)。目前，ARM已扩展到世界范围，占据高性能、低功耗、低成本的嵌入式应用领域。作为32位嵌入式RISC微处理器业界的领先供应商，占有大于75％的市场。

ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。

ARM商品模式的强大之处在于它在世界范围有超过100个的合作伙伴(Partners）。ARM 是设计公司，本身不生产芯片。采用转让许可证制度，由合作伙伴生产芯片。
当前ARM体系结构的扩充包括：
*Thumb 16位指令集，为了改善代码密度；
*DSP DSP应用的算术运算指令集；
*Jazeller 允许直接执行Java字节码。
ARM处理器系列提供的解决方案有：
*无线、消费类电子和图像应用的开放平台；
*存储、自动化、工业和网络应用的嵌入式实时系统；
*智能卡和SIM卡的安全应用。

ARM处理器本身是32位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价32位代码节省达35％，然而保留了32位系统的所有优势。ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(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指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM还提供两个前沿特性来辅助带深嵌入处理器的高集成SoC器件的调试，它们是嵌入式ICE-RT逻辑和嵌入式跟踪宏核(ETMS)系列。

当前有5个产品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
1、ARM7系列
优化用于对价位和功耗敏感的消费应用的低功耗32位核，有：
*嵌入式ICE-RT逻辑；
*非常低的功耗；
*三段流水线和冯•诺依曼结构，提供0.9MIPS/MHz。
2、SecurCore SC100特为安全市场设计，带特定的抗拒窜改和反工程的特性。还带灵活的保护单元确保操作系统和应用数据的安全。
3、ARM9系列
高性能和低功耗领先的硬宏单元，带有：
5段流水线；
哈佛结构提供1.1MIPS/MHz。

ARM920T和ARM922T内置全性能的MMU、指令和数据cache和高速AMBA总线接口。AMBA片上总线是一个开放标准，已成为SoC构建和IP库开发的事实标准。AMBA先进的高性能总线(AHB)接口现由所有新的ARM核支持，提供开发全综合设计系统。
ARM940T内置指令和数据cache、保护单元和高速AMBA总线接口。

4、ARM9E系列

可综合处理器，带有DSP扩充和紧耦合存储器(TCM)接口，使存储器以完全的处理器速度运转，可直接连接到内核上。

ARM966E-S用于硅片尺寸尺寸重要，而对cache没要求的实时嵌入式应用，可配置TCM大小：0、4K、8K、16K，最大达64M。

ARM946E-S内置集成保护单元，提供实时嵌入式操作系统的cache核方案。

ARM926ET-S带Jazelle扩充、分开的指令和数据高速AHB接口及全性能MMU。

VFP9 向量浮点可综合协处理器进一步提高ARM9E处理器性能，提供浮点操作的硬件支持。

5、ARM10系列

硬宏单元，带有：
*64位AHB指令和数据接口；
*6段流水线；
*1.25MIPS/MHz；
*比同等的ARM9器件性能提高50％。

两种新的先进的节能方式得到了异常低的耗电。VFP10协处理器完善地依从ARM10器件提供
高性能的浮点解决方案。
清华大学电机工程与应用电子技术系 沈永林
日立亚洲(香港)有限公司 郭海涛

日立单片机有各种各样的系列，其中4位的H400系列主要用于低档家电； 8位的H8/300L、H8/300主要用于中高档家电，如录像机、无绳电话以及计算机键盘 汽车刹车控制；而16位的H8/300H、H8S/2000、H8/500等主要用于工程控制、蜂窝电话、CD驱动器、打印机等。本文仅对高档32位的SH系列作一些分析。

SH系列是32位高档的、RISC型单片机系列，到现在为止,已经推出了6种类型的单片机系列：

基本型的SH1,改进型的SH2,低功耗的SH3,增强型的SH4,以及和DSP结合的SH2-DSP和SH3-DSP。

SH系列的CPU采用RISC结构，也就是采用硬连线的控制器，以及简化的指令系统， 在流水线技术的支持下，减少执行指令的平均周期数，以提高系统的整体性能。SH系列的CPU指令格式是固定的，只一个字长，绝大多数指令是单周期完成的，即使是复杂的乘加指令也仅需2个时钟周期。为了克服内存访问的瓶颈，SH的CPU简化寻址方式，采用Load/Store(装载/存储)结构，并且在片内设置高速缓存Cache，以减少访问内存的时间。

SH系列的CPU内部有16个32位通用寄存器，用于数据处理、地址计算、堆栈指针；3个32位控制寄存器，即状态寄存器SR、全局寄存器GBR、向量基址寄存器VBR，分别用于处理器状态的控制和片内功能电路 及程序的寻址；4个32位系统寄存器，即乘加寄存器MAC(用于乘法后累加的指令MAC，存放运算结果）、过程寄存器PR(存放断点地址，以便返回）和程序计数器PC。