嵌入式系統(tǒng)英國大學_嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點及架構詳解

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嵌入式系統(tǒng)英國大學_嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展特點及架構詳解,   

　　隨著電子產(chǎn)品的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地應用我們的生活的各個領域，例如：計算機、汽車、航天飛機等等。 提到嵌入式系統(tǒng)首先聯(lián)想到單片機，是的，MCU是最基礎和常用的嵌入式系統(tǒng)。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、機頂盒等功能復雜的產(chǎn)品中的應用也越來越多。

　　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的，即IP核（Intellectual Property，知識產(chǎn)權），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)的架構有專有架構和標準架構之分，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準架構。

　　標準的嵌入式系統(tǒng)架構有兩大體系，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，但是在指令集設計與處理單元的結構上都各有不同，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，其指令集結構上背負了太多包袱，貪大求全，導致芯片結構的復雜度被極大的提升。過去被應用在嵌入式系統(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，故常被應用于效能需求不高，但穩(wěn)定性要求高的應用中，如工控設備等產(chǎn)品。

　　1、RISC家族之ARM處理器

　　ARM 公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術智能財產(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)絡系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，基于ARM技術的處理器應用約占據(jù)了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術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，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發(fā)驗證，市面上還未有相關產(chǎn)品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠商。ARM 首個多核心架構為ARM11 MPCore，架構于原先的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取、譯碼、發(fā)送、轉換/MAC1、執(zhí)行/MAC2、內存存取/MAC3和寫入等八個單元，體系上屬于 ARM V6指令集架構。ARM11采用當時最先進的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，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。

　　ARM11的邏輯核心也經(jīng)過大量的改進，其中最重要的當屬“靜/動態(tài)組合轉換的預測功能”。ARM11的執(zhí)行單元包含一個64位、4種狀態(tài)的地址轉換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉換地址。當采用動態(tài)轉換預測機制而無法在尋址緩沖內找到正確的地址時，靜態(tài)轉換預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)預測的準確率為88%，單純采用靜態(tài)預測機制的準確率 只有77%，而ARM11的靜/動態(tài)預測組合機制可實現(xiàn)92%的高準確率。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，該技術可根據(jù)任務負荷情況動態(tài)調節(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，其在架構上與ARM11同樣屬于 V6指令體系。根據(jù)不同應用的需要，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是標準的同質多核心處理器，組成MPCore的是4個基于ARM11架構的處理器核心，由于多核心設計的優(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，因此可望在多任務應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、車內導航系統(tǒng)在提供導航功能的同時，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視頻碼流等。