序言

硬體實現方案需要考慮處理器的選型。

本文介紹嵌入式處理器的分類和選型原則。

1. 微處理器分類

• 根據通用計算機和嵌入式系統的分類，把微處理器分為：通用處理器 + 嵌入式處理器

• 【1】通用處理器：

  • 以x86體系架構的產品為代表

  • 目前基本為Intel和AMD兩家公司所壟斷

• 【2】嵌入式處理器：

  • 嵌入式系統領域有少量通用處理器，但以嵌入式處理器為主

  • 嵌入式系統種類繁多，流行的體系架構有30多個

  • 嵌入式系統中的處理器可以分為以下四類：

    • [1] 嵌入式微處理器
    • [2] 嵌入式微控制器
    • [3] 嵌入式DSP
    • [4] 嵌入式片上系統SoC

2. 嵌入式系統的處理器分類

• 【1】嵌入式微處理器-MPU

  ：

  • 優點：

    • 嵌入式微處理器通用性比較好、處理能力較強、可擴充套件性好、定址範圍大（處理器字長有16位和32位）、支援各種靈活的設計，且不限於某個具體的應用領域

    • 嵌入式微處理器在通用性上有點類似通用處理器，但前者在功能、價格、功耗、晶片封裝、溫度適應性、電磁相容方面更適合嵌入式系統應用要求

  • 微處理器的實際應用

    • 在實踐應用中，嵌入式微處理器需要在晶片外配置RAM和ROM，根據應用要求往往要擴充套件一些外部介面裝置，如網路介面、GPS、A/D介面等。

    • 嵌入式微處理器及其儲存器、匯流排、外設等安裝在一塊電路板上，稱之為單板計算機

  • 舉例

    • 嵌入式處理器有很多種型別，如xScale、Geode、PowerPC、MIPS、ARM
      等處理器系列

• 【2】嵌入式微控制器-MCU：

  • 嵌入式微控制器又稱微控制器，MCU品種豐富、價格低廉，目前佔嵌入式系統約70％以上的市場份額

  • 特點：

    • 與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是將計算機最小系統所需要的部件及一些應用需要的控制器/外部裝置整合在一個晶片上，實現單片化，使得晶片尺寸大大減小，從而使系統總功耗和成本下降、可靠性提高。

    • 這種處理器內部整合RAM、各種非易失性儲存器、匯流排控制器、定時/計數器、看門狗、I/O、序列口、脈寬調製輸出、A/D、D/A等各種必要功能和外設

    • 微控制器的片上外設資源一般比較豐富，適合於控制，因此稱微控制器

• 【3】嵌入式DSP：

  • 專門的數字處理晶片：

    • 傳統微處理器在進行數字濾波、FFT、譜分析、語音/視訊編碼、資料編碼、雷達目標提取等操作時效能較低，專門的數字處理晶片DSP的系統結構和指令系統對數字訊號處理進行了特殊設計，因而在執行相關操作時具有很高效率

  • 特點

    • DSP總是完成某些特定的任務，硬體和軟體需要為應用進行專門定製

• 【4】嵌入式SoC：

  • 偏上系統SoC

    • 針對嵌入式系統某些特定應用在效能、功能和介面上相似的要求，利用大規模積體電路技術將某一類應用需要的大多數模組整合在一個晶片上，實現一個嵌入式系統大部分核心功能，這種處理器就是SoC（System on Chip）

  • 優點

    • SoC應用時，往往只需要在SoC外部擴充記憶體、介面驅動、一些分立元件及供電電路就可以構成一套實用的系統，極大地簡化了系統設計的難度，同時還有利於減小電路板面積、降低系統成本、提高系統可靠性

  • 微控制器和片上系統

    • 嵌入式微控制器和SoC都具有高整合度的特點，將計算機小系統的全部或大部分整合在單個晶片中，有些文章將嵌入式微控制器歸為SoC

    • 將內部整合了RAM和ROM儲存器、主要用於控制的微控制器稱為微控制器，而所說的SoC則沒有內建的儲存器，以嵌入式微處理器為核心、整合各種應用需要的外部裝置控制器，具有較強的計算效能

3. 嵌入式處理器的技術指標和選型原則

• 【1】技術指標：

  • (1) 功能：處理器種類，外部介面種類和數量。根據系統需要選擇整合所需介面種類和數量的處理器
  • (2) 字長：參與運算的數的基本位數，決定於暫存器、運算器和資料匯流排的寬度。字長越長，能表示的資料有效位越多，計算精度越高，指令系統的功能較強。通常有1,4,8,16,32位字長
  • (3) 處理速度：主頻，MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）；平均指令執行時間，單位時間指令的執行條數
  • (4) 工作溫度
  • (5) 功耗
  • (6) 定址功能：與地址匯流排的寬度有關，對於集成了儲存器的處理器意義不大
  • (7) 其他：價效比、工藝等

• 【2】選型原則：

  嵌入式處理器選型需要考慮的因素

  • (1) 應用領域：

    • 一個產品的功能、效能一旦定製下來，其所在的應用領域也隨之確定，應用領域的確定將縮小選型的範圍。
    • 比較常見的應用領域分類：航天航空 + 通訊 + 計算機 + 工業控制 + 醫療系統 + 消費電子 + 汽車電子

  • (2) 自帶資源

    • 晶片自帶資源越接近產品的需求，產品開發相對就越簡單
    • 主頻是多少 + 有無內建的乙太網MAC + 有多少個I／O口 + 自帶哪些介面 + 支援線上模擬嗎 + 是否支援OS + 能支援哪些OS ＋ 是否有外部儲存介面等等

  • (3) 可擴充套件資源

    • 晶片一般都有內建RAM和ROM，但其容量一般都很小，內建512 KB就算很大了，但是執行OS一般都是兆級以上，這就要求晶片可擴充套件儲存器

  • (4) 功耗

    • 低功耗也成了晶片選型時的一個重要指標

  • (5) 封裝

    • 常見的微處理器晶片封裝主要有QFP + BGA兩大型別
    • 如果產品對晶片體積要求不嚴格，選型時最好選擇QFP封裝。BGA體積小但焊接麻煩

  • (6) 晶片的可延續性和技術的可繼承性

    • 目前，產品更新換代的速度很快，所以在選型時要考慮晶片的可升級性
    • 同一廠家同一核心系列晶片，其技術可繼承性就較好

  • (7) 價格及供貨保證

    • 試用階段的晶片其價格和供貨處於不穩定狀態
    • 因此選型時儘量選擇量產的晶片

  • (8) 模擬工具

    • 模擬器是硬體和底層軟體除錯時要用到的工具，對於已有模擬器的人們，在選型過程中要考慮它是否支援所選的晶片

  • (9) 作業系統及開發工具

    • 晶片開發的人要考慮支援什麼樣的OS，已有OS的則需要考慮晶片是否支援該OS

  • (10) 技術支援

    • 一個好的技術公司有相對好的技術支援服務，所以選擇晶片最好選擇知名半導體公司

2017.11.07