嵌入式系統(tǒng)中處理器的“群英會(huì)”

　　隨著半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)和控制理論等技術(shù)的日新月異，在設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的時(shí)候，可以用來(lái)選擇的處理器也越來(lái)越多。在筆者上大學(xué)的那時(shí)候，MCS-51單片機(jī)還在被作為一門(mén)重要的課程，多少感覺(jué)有一些高深莫測(cè)。然而十多年時(shí)間過(guò)去了，當(dāng)初高端的DSP、ARM這樣的芯片已經(jīng)隨處可見(jiàn)，甚至帶有ARM硬核的FPGA產(chǎn)品，例如Xilinx的APSOC等也已經(jīng)廣泛推向了市場(chǎng)。

　　作為開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)人員，當(dāng)然希望使用的處理器越強(qiáng)大越好，這樣往往不需要在性能要求和實(shí)際系統(tǒng)的限制中做出痛苦的折衷。但是在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品中，就需要綜合考慮到設(shè)計(jì)成本、產(chǎn)品的推出時(shí)間、性能要求等再做出選擇了，一些特定市場(chǎng)和特殊的應(yīng)用會(huì)有一些更加額外的要求。所以為了更好地做出選擇，我們需要對(duì)現(xiàn)有的、常用的處理器各自的特點(diǎn)進(jìn)行一些總結(jié)、比較。

　　1.微控制器，即MCU，也有通俗的名字叫“單片機(jī)”，相信是大部分相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生進(jìn)入微機(jī)原理領(lǐng)域所接觸的第一類(lèi)處理器。他們可以通過(guò)軟件編程，通常情況下器件的封裝較小(老款DIP封裝的不算)，從低端的4位MCU，一直到8位、16位、32位甚至高端的64位，設(shè)計(jì)和制造廠商極多，其應(yīng)用場(chǎng)合廣泛，從低端的二十元錢(qián)的固定電話，到高端的打印機(jī)都有涉及。MCU的編程靈活，開(kāi)發(fā)時(shí)間短，開(kāi)發(fā)成本相對(duì)較低，是電機(jī)控制，電容式觸摸，測(cè)量，傳感，照明和能源的理想選擇。

　　2.ARM與通用處理器(GPP)是近幾年特別流行的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所使用的處理器。其本質(zhì)是在ARM公司授權(quán)的運(yùn)算核心的基礎(chǔ)上，被不同的制造廠商進(jìn)行功能的定制，加入了多種多樣的片上外設(shè)、存儲(chǔ)器等，并針對(duì)特定的應(yīng)用加入擴(kuò)展結(jié)構(gòu)以提高效率，例如大名鼎鼎的NEON技術(shù)，專(zhuān)門(mén)對(duì)多媒體應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了增強(qiáng)的功能。

　　ARM的開(kāi)發(fā)也較為簡(jiǎn)單靈活，并且有龐大的代碼庫(kù)，極大地方便了開(kāi)發(fā)。并且往往提供了豐富的人機(jī)界面，并且可以運(yùn)行高級(jí)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，例如Linux甚至Windows8等。這些年智能手機(jī)、平板電腦的大熱與ARM的迅速發(fā)展也是離不開(kāi)的。其應(yīng)用領(lǐng)域也較為廣泛，從音視頻、多媒體、通信到工業(yè)應(yīng)用都能見(jiàn)到它的身影。除去經(jīng)典的ARM7、9、11外，目前主要有3大系列，包括Cortex™-A系列-開(kāi)放式操作系統(tǒng)的高性能處理器、Cortex-R系列-面向?qū)崟r(shí)應(yīng)用的卓越性能、Cortex-M系列-面向具有確定性的微控制器應(yīng)用的成本敏感型解決方案。

　　3.數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)是數(shù)字革命的基礎(chǔ)(TI語(yǔ))。從工業(yè)控制、手機(jī)，音頻和視頻播放器、電話基礎(chǔ)設(shè)施、無(wú)線基站，甚至生物辨識(shí)安全設(shè)備都有廣泛的應(yīng)用。與通用處理器(GPP)相比，DSP針對(duì)相關(guān)的信號(hào)處理過(guò)程進(jìn)行了深度優(yōu)化，從而有效減少了信號(hào)處理所需要的指令數(shù)。換言之，其指令的效能大大提高了，所以MIPS作為指標(biāo)來(lái)衡量其性能往往是不充分的。DSP的可編程靈活性使開(kāi)發(fā)人員能夠在軟件中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法，例如針對(duì)一個(gè)H.264視頻編解碼器，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件升級(jí)，就可以輕松處理不同的分辨率，可以實(shí)現(xiàn)新的編解碼器和標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴恍枰匦略O(shè)計(jì)硬件。綜合考慮到功耗、性能、靈活性和上市時(shí)間，目前客戶(hù)正在轉(zhuǎn)向越來(lái)越實(shí)惠，低功耗的多核DSP。在數(shù)字信號(hào)處理器核心的基礎(chǔ)上也可以加入多種多樣的外設(shè)，例如TI的C2000系列，雖然目前被官方先后歸類(lèi)為DSC和MCU，但其仍然是一個(gè)有著強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理器核心的工業(yè)控制器。

　　4.應(yīng)用專(zhuān)用集成電路(ASIC)和專(zhuān)用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品(ASSP)是完全定制的芯片，完全根據(jù)需求進(jìn)行定制，可以發(fā)揮最大的效能，但是其靈活性和上市時(shí)間是最弱的，設(shè)計(jì)也極為復(fù)雜，如果流片失敗，損失也是巨大的，所以只有少數(shù)實(shí)力雄厚的廠家才會(huì)使用，且輕易不會(huì)進(jìn)行更改，這樣就造成其一般無(wú)法適應(yīng)快速變化的產(chǎn)品需求。當(dāng)然在一些長(zhǎng)期運(yùn)行并且不到萬(wàn)不得已不會(huì)停機(jī)更換的場(chǎng)合，還是可以見(jiàn)到很多ASIC的身影的，例如一些運(yùn)行了幾十年的工控系統(tǒng)里面就可以找到它們。

　　5.現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)器件可以提供與ASIC的接近的性能(因?yàn)榇蟛糠止δ芸梢圆捎糜布壿嬰娐穪?lái)實(shí)現(xiàn))，其編程的靈活性和復(fù)雜性則介于ASIC與其它處理器之間。FPGA的應(yīng)用也極為廣泛，從實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單的邏輯，到一些極高性能的信號(hào)處理平臺(tái)都有設(shè)計(jì)。一些高端的FPGA還被用作開(kāi)發(fā)ASIC所使用的原型系統(tǒng)。因?yàn)椴捎糜布娐非也⑿袌?zhí)行，在不考慮容量的情況下其性能要比DSP強(qiáng)大，但在目前其成本則一般沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。近兩年來(lái)出現(xiàn)了帶有ARM硬核/多核的FPGA芯片，例如Xilinx的APSOCZYNQ系列等，其作為上述一些處理器的綜合體，其性能和靈活性都是較為強(qiáng)大的，如果價(jià)格能夠降低到更低的水平，則也將有著更加廣泛的應(yīng)用前景。