1.2 嵌入式微处理器的结构与类型

嵌入式处理器是隐藏在控制设备或装置中，完成接收现场数据，进行数据处理，并向执行装置发出控制命令的微处理器。1971年Intel公司推出了Intel4004，1974年推出了Intel8080，1976年zilog制造了与8080兼容的CPU Z-80，这类处理器（称为CPU）所构造的是单板微型计算机系统，简称单板机，应用在控制设备中，它们都是嵌入式应用的前身。之后出现了简称单片机的单片微型计算机。例如，Intel公司在1976年9月推出的MCS-51系列8位单片机，它的内部不但集成了CPU，还集成了存储器和I/O接口等计算机的元素，但这时嵌入式系统的概念还不是热点的技术名词。一直到20世纪90年代后期32位ARM微处理器的广泛使用，嵌入式系统的概念才被广大技术人员所熟知。现在人们把具有计算机基本组成元素的单片微型集成电路芯片，从MCS-51系列单片机开始到目前的32位ARM微处理器统称为嵌入式系统，但从技术人员的角度出发，嵌入式系统主要指的是32位ARM微处理器单片机。

嵌入式微处理器按CPU的处理能力可分为8位、16位、32位和64位。一般把处理能力在16位及以下的称为嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller），32位及以上的称为嵌入式微处理器。

嵌入式微处理器内部将CPU、ROM、RAM及I/O等部件集成到同一个芯片上，称为单芯片微控制器（Single Chip Microcontroller）。

根据用途，可以将嵌入式芯片系统分为嵌入式微控制器、嵌入式微处理器、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统、双核或多核处理器等类型。

1.2.1 嵌入式微控制器

嵌入式微控制单元（Micro Controller Unit，MCU）又称为单片机，芯片内部集成了ROM、RAM、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出（PWM）、A-D、D-A、Flash、E2PROM等各种必要功能和外设。嵌入式微控制器具有单片化、体积小、功耗和成本低、可靠性高等特点，约占嵌入式系统市场份额的70%。

嵌入式微控制器的代表芯片就是MCS-51系列单片机，主要使用汇编语言或C语言进行裸机开发。

1.2.2 嵌入式DSP处理器

嵌入式DSP处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是专门用于信号处理方面的处理器，芯片内部采用程序和数据分开存储及传输的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可用来快速地实现各种数字信号处理算法，使其处理速度比其他性能优异的CPU还快10倍以上。

从20世纪80年代到现在，缩小DSP芯片尺寸始终是DSP技术的发展方向。DSP处理器已发展到第7代产品，多数基于精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）结构，并将几个DSP芯核、MPU芯核、专用处理单元、外围电路单元和存储单元集成在一个芯片上，成为DSP系统级集成电路，系统集成度极高。

DSP运算速度的提高主要依靠新工艺改进芯片结构。目前一般的DSP运算速度为100MIPS（即每秒钟可运算1亿条指令）。TI的TM320C6X芯片由于采用超长指令字（Very Long Instruction Word，VLIW）结构设计，其处理速度已高达2000MIPS。按照发展趋势，DSP的运算速度完全可能再提高100倍（达到1600GIPS）。

目前DSP芯片在机械电子的控制方面运用广泛，如作为变频器、PLC的控制核心。它的开发基本上也是在裸机中进行的，主要使用C语言进行裸机程序设计。

1.2.3 嵌入式微处理器

嵌入式微处理器（Micro Processor Unit，MPU）由通用计算机的CPU发展而来，嵌入式微处理器只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。通常嵌入式微处理器把CPU、ROM、RAM及I/O等集成到同一个芯片上。32位微处理器采用32位的地址总线和数据总线，其地址空间达到了232=4GB。目前主流的32位嵌入式微处理器系列主要有ARM系列、MIPS系列、PowerPC系列，以下进行简要介绍。属于这些系列的嵌入式微处理器产品有很多，达千种以上。

1.嵌入式ARM系列

ARM（Advanced RISC Machine）公司的ARM微处理器体系结构被公认为是嵌入式应用领域领先的32位嵌入式RISC微处理器结构。ARM体系结构目前发展并定义了9种不同的版本。从版本v1到版本v9，ARM体系的指令集功能不断扩大。ARM处理器系列中的各种处理器，虽然在实现技术、应用场合和性能方面都不相同，但只要支持相同的ARM体系版本，基于它们的应用软件是兼容的。

目前，大量的移动电话、游戏机、平板计算机和机顶盒等都已采用了ARM处理器，许多一流的芯片厂商都是ARM的授权用户，如Intel、Samsung、TI、Freescale、ST等公司。

2.嵌入式MIPS系列

美国斯坦福大学的Hennessy教授领导的研究小组研制的无互锁流水级微处理器（Microprocessor without Interlocked Piped Stages，MIPS）是世界上非常流行的一种RISC处理器，其机制是尽量利用软件办法避免流水线中的数据相关问题。

从20世纪80年代初期MIPS处理器发明至今的40多年里，MIPS处理器以其高性能的处理能力被广泛应用于路由器、调制解调设备、电视、游戏、打印机、DVD播放器等广泛领域。

3.嵌入式PowerPC系列

PowerPC是Freescale（原Motorola）公司的产品。PowerPC的RISC处理器采用了超标量处理器设计和调整内存缓冲器，修改了指令处理设计，完成一个操作所需的指令数比复杂指令集计算机（Complex Reduced Instruction Set Computer，CISC）结构的处理器要多，但完成操作的总时间却减少了。

PowerPC内核采用独特分支处理单元可以让指令预取效率大大提高，即使指令流水线上出现跳转指令，也不会影响到其运算单元的运算效率。PowerPC RISC处理器设计了多级内存高速缓冲区，以便让那些正在访问（或可能会被访问）的数据和指令总是存储在调整内存中。这种内存分层和内存管理设计，使指令系统的内存访问性能非常接近调整内存，但其成本却与低速内存相近。

1.2.4 嵌入式片上系统

嵌入式片上系统（System On Chip，SOC）最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，而且具有极高的综合性，在一个芯片内部运用超高速硬件描述语言，如VHDL等，即可实现一个复杂的系统。与传统的系统设计不同，用户不需要绘制庞大复杂的电路板来一点点地连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后在仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产，设计生产效率高。

在SOC中，绝大部分系统构件都是在系统内部的，系统简洁，系统的体积和功耗小，可靠性高。SOC芯片已在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等领域中广泛应用。