新一代嵌入式计算机体系结构

嵌入于宿主设备，智能地完成宿主设备功能的计算机就是嵌入式计算机，或简称为嵌入式。嵌入式计算机的构成：可以是单片的微控制器(MC-micro-controller)，在我国习惯于称做单片机；也可以是由微处理器（MP-microprocessor)另加存储器及外部设备构成；还可以在MC/MP的基础上附加数字信号处理器(DSP)核心部件，构成多核MP/MC。

尽管嵌入式一词，80年代中期由Intel公司率先使用，但如今，嵌入式一词叫得更加响亮。然而，尽管嵌入式与宿主的服务关系依然未变，但嵌入式的构成却发生了巨大的变化。当年嵌入式的构成确实主要指的是4/8/16位的微控制器(MC)，而今所言嵌入式，就其构成来说，主要讨论的是崭新一代由RISC与DSP双核复合而成的32位微处理器形成的计算机系统。

新一代嵌入式计算机的主要特征：是继承了整个PC机时期的技术成就，特别是进入90年代后的全球万维网(Web)技术(产品有可接入万维网的手持式PDA设备等)和多媒体技术(产品有高质量数字音响、数字视盘播放器，数码静态相机、数码视频摄像机等等）。这类嵌入式的目标是想把桌面PC机上成熟的技术拆解下来，放入手持设备或移动设备，供用户随时随地进行消费。全球网中行之有效的众多通信协议，多媒体的MP3、JPEG、MPEG等所采用的标准数据格式及各种库函数都使用32位格式和32位的编程软件，所以嵌入式也注定要使用32位的微处理器。

为顺应形势发展的需要，32位手持设备用的嵌入式操作系统应运而生，著名的有Windows CE、Epoch、 Palm OS等等，可见今日嵌入式的立点水平是很高的。

新一代嵌入式主要面向手持或移动消费类设备，电池供电和低价位是重要考虑因素，这就从根本上决定了它不可能照搬PC机上原来使用的微处理器。下面先介绍嵌入式32位微处理器的技术进步，然后再举一些新型嵌入式微处理器的实例，使读者对新一代嵌入式有一个较清晰的认识。

MP是计算机的核心部分，任务是去存储器中取指令数据，然后分解指令并对指定的操作数进行处理。为此，需要有获取和分解指令的逻辑控制部分，执行指令的算术逻辑单元(ALU)，以及暂时为ALU运算方便存放中间结果的通用寄存器。

总的说来，MP的能力取决于：指令集的操作能力；指令的位宽（每条指令涵盖信息量的位数，4/8/16/32/64位等）；每秒执行指令CISC结构的MP，不同的指令执行所需的时钟周期数是不同的，RISC结构的MP所有指令都只用一个时钟周期，而且每秒钟都能执行百万条指令以上，故而常以MIPS(每秒百万条指令)为单位来体现时钟的速度。

MC实际上是对通用MP功能加以某些限制，使其具有某些专门用途的配套计算机。MC有以下特点：

·I/O接口寄存器化，常叫做特殊功能寄存器(SFR)，通过对SFR的编程可以提高使用外部设备的灵活性和简化对外部设备的操作；

·通用寄存器累加器化，缓解累加器的瓶颈问题，简化编程，提高处理速度；

·片内RAM与通用寄存器及SFR统一编程，统一访问指令的结构，简化编程；

·通用寄存器多组化，优化中断对现场的保护，缩短中断响应时间。

总之，MP面向通用，对研发和拓展功能有利；MC则面向专用，对批量的生产有利。现阶段新一代嵌入式处于研发创新阶段，所以，主要使用32位的MP，而不是MC。

MP有两种结构，RISC(精简指令集计算机）是相对于早已存在的CISC(复杂指令集计算机）而言。手持设备的算术逻辑运算比桌面PC要求低，复杂程度也较小，一般多采用RISC结构的MP。

RISC的特点是：

·采用Load/store指令模式，凡数据由外存到内存、内存到寄存器方向的流动统一用Load指令，而对于反方向的操作，都用store；

·用小指令集、多寄存器；指令执行简单快速;

·统一用单周期指令。从根本上克服了CISC指令周期数有长有短，造成运行中偶发性不确定，致使运行失常的问题。

为加速通信和多媒体中有关数字信号，处理中频繁遇到的循环乘加的算法，在RISC的基础上增加了硬件的乘法累加器（MAC）等原属DSP核中的关键部件。双核协同工作。各用所长，有效地提高了数据处理能力和传输速度，成为今日32位手持嵌入式设备所用微处理器的主要结构。

RISC+DSP分立的双核结构存在两核之间互相通信的困难和分别编程的麻烦。为此发展了两核融合在一起的单核结构。同时将指令集也合二为一，简化编程提高效率。硬件简化和软件合一为处理器的可编程化提供了方便，为新产品的研制和争取上市时间做出有力的贡献。

目前，FPGA在移动设备的市场上占有一席之地，因它可以将整个MP、各种外设、连同代码一起做到FPGA中，起到小型化和低功耗化的效果。移动设备总是需要非常高级的硬件MP，用FPGA通过软件编程的方法来实现也可以完善地解决。

有的公司已经开始用基于32位RISC/DSP单核结构的MP平台来设计多媒体的单片式系统芯片（SoC）。

Palmchip公司用以生产RISC MP著名的ARC公司的32位 RISC/DSP单核构成SoC设计平台，研制了MP3的SoC。该公司同时还生产PALM-FC-6710的SoC平台。该平台支持MMCL多媒体卡，提供音频I/O源，提供UART/USB串行接口等。

电池供电的MP/MC/DSP芯核及其它部件都需要具有良好的低功耗特质。除此之外，对于构成的系统，还得采取种种措施延长电池寿命。它们甚至对于产品能否打开销路起举足轻重的作用。仅仅一般性来用CMOS技术并不能保证器件可以工作于1W功率以下，按功耗优化来设计系统就是在功耗与运行速度之间进行均衡。在CPU时钟停止工作的状态下，系统还会耗费多少电能也是要研究的课题，功耗与电压的平方成反比，降低工作电压可以十分有效地减少功耗。不同部件的工艺过程不同，存在各自可以工作的低端电压。所以嵌入式设备会同时用不同电压供电。例如，设备的MP工作于1.5～2.5V，而I/O接口则工作于2.5～3V，而且不用时的接口还经常被关掉。虽然是高档的消费类产品，价位仍然不能太高。然而，32位的MP毕竟属于高级技术，单纯靠批量生产求得低价，空间有限，故需从科技进步、合理规划电路配置、加强系统运行管理等多方面求得解决。

RISC简化原本复杂的控制电路，减少使用的晶体管数目，硅片加工工艺的进步，缩减了晶体管的尺寸、引线的长度，在提高性能、改善运行速度的同时也降低了造价。如果使用半定制的FPGA，乃至SoC技术以软件代替硬件，也能别开生面地降低造价。

由上述可见，当前嵌入式所用MP多是32位RISC+DSP双核或RISC/DSP单核结构。过去比较著名的RISC生产厂家起着基石作用。许多新兴的嵌入式厂家购买他们的RISC专利嫁接到自己的DSP核上。一些著名的生产CISC微处理器的厂家不甘心丢失嵌入式市场，也纷纷向RISC及DSP靠拢。

ARM公司是著名RISC生产厂家，在自己生产的32位RISC MP的基础上加上DSP的单周期MAC,将CPU提升到可快速运算多媒体的算法，在手机上实现MP3的解码，并正努力在手机上实现视频功能。

Motorola使用ARM的200MHz 920T RISC核，生产了自己的属于龙珠系列的32位MX-1高档的无线接入的移动式新产品，其中包括MP3和JPEG的解码播放器，以及静态的和具有视频功解的数码相机，它还同时具有集成的外设部件，该部件包括SONY存储棒、电源管理器以及LCD控制器，外设不用时即被关断，整个设备在1.8V电池下工作。龙珠系列的Super vz 更支持彩色TFT显示，A/D转换，USB以及SRAM的工作，时钟频率达66MHz。

著名的MIPS Technologies在基于load/store 的MIPS结构之上，应用MIPS I/MIPSⅡ指令集的超集，并加进嵌入式需要的一些新指令，引用了64位MIPS R4000和R5000所特有的存储器管理和特权管理机制，以及DSP的MUL乘法、MADD（乘-加）和0→1前沿计数指令，形成称为MIPS32的新结构，它具有32个32位寄存器并向上与MIPS64结构相兼容。

Toshiba公司购买了MIPS32 4KC核，开发了自己的TX19系列的嵌入式产品，旨在将Toshiba原有的16位CISC结构转型为32位RISC结构，开发静态数码相机/视频数码摄像机和CD-ROM播放器等产品。

Palmchip公司也购买了MIPS32 4KC核，开发可编程的SoC平台，瞄准移动通信/计算和存储设备的嵌入式市场。

ARC Cores的32位 ARC Tangent A4是低功耗、可编程的RISC/DSP单核结构，可根据用户的要求灵活地增减功能，DSP的新增功能有语音压缩与解压，另有改进的高速缓存以及高效电源等。有的IP厂商，以ARC的Tangent A4 为中心部件，研制了可编程的低功耗RISC/DSP平台。Tangent A4的核小到低于10000个门以下，其中断系统是可编程的，其数据存储器存在4级流水线，非常适合集成片上外设。

Hitachi宣布将于2001年底推出一款新型SH7727处理器。它的RISC核含有16个32位通用寄存器，5个32位控制寄存器和4个32位系统寄存器，在此核的基础上增加SuperH-3的 DSP核所形成，片上还集成了可寻址4 Gbyte寻址的MMU(存储管理单元)和LCD控制器，时钟频率在16MHz以上。CPU部分工作电压为1.35～2.05V，I/O工作电压为3～3.6V。

Intel公司为插足移动设备市场，也生产了RISC/DSP结构的名为Strong ARM的SA-1110微处理器，Intel公司的奋斗目标是生产低功耗、高性能的ASSP（标准专用产品）。专用标准产品具有袖珍、无线接入、多媒体的特色，具有8Kbyte数据高速缓存、MMU、读/写缓冲器和512字节增强高速缓存，供频繁使用的结构变量所用。其软件与ARM V4相兼容，电池供电的优化是靠专利的低电压工艺技术和电源管理器来保证的，凡当前用不到的部分就停止供电。Intel的SA-1110支持MP3音频解码、MPEG-4视频解码、语音和手写输入的识别、软件Modem和Java解释程序的运行。

新一代嵌入式市场的春光已经显现，新产品还会像雨后春笋般突现。在这一轮新的市场角逐中，我们应提供商品还是仅仅提供市场；时势呼唤着英雄！■