張曉利

(西安郵電學(xué)院計算機(jī)學(xué)院,西安 710061)

嵌入式系統(tǒng)是將應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)與計算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點(diǎn),特別適合于要求實(shí)時的和多任務(wù)的體系。嵌入式設(shè)備是指應(yīng)用了嵌入式系統(tǒng)的計算機(jī)設(shè)備。從某種意義上來講確實(shí)是大型計算設(shè)備的微縮。這肯定多少會帶來相對性能上的減弱,但正是體積的微縮帶給人們無法比擬的方便。

1 嵌入式處理器技術(shù)

嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器。嵌入式處理器是用于在計算機(jī)之外的設(shè)備中提供添加的功能性的計算機(jī)芯片,它經(jīng)常用于控制和監(jiān)控領(lǐng)域。

一些嵌入式處理器是桌面市場傳下來的東西,對于今天的PC已經(jīng)過時,但對于處理功能要求較低的任務(wù)卻綽綽有余。過去驅(qū)動TRS-80、Apple II和Commodore 64這類早期PC的Z80和6502處理器現(xiàn)在仍是非常暢銷的產(chǎn)品。老式的處理器沒有淡出江湖,它們只是變?yōu)榍度胧搅恕Ｒ虼?嵌入式微處理器市場異乎尋常地廣闊。在 PC市場的任何時刻,最快和最慢的微處理器之間性能比最多只有約3∶1。與此相比,僅就32位嵌入式微處理器來說,這個比例為500∶1。如果在4位和8位嵌入式處理器中進(jìn)行比較的話,則為幾千比1。隨著這類處理器體積越來越小,價格越來越便宜,功能越來越強(qiáng)大,它們將進(jìn)入到更多的設(shè)備和產(chǎn)品中。

嵌入式系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用正是由于嵌入式微處理器具備以下4個特點(diǎn)：

①對實(shí)時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力,能完成多任務(wù)并且中斷響應(yīng)時間較短,從而使內(nèi)部的代碼和實(shí)時內(nèi)核的執(zhí)行時間減少到最低限度。

②具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。這是由于嵌入式系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)已模塊化,而為了避免在軟件模塊之間出現(xiàn)錯誤的交叉作用,需要設(shè)計強(qiáng)大的存儲區(qū)保護(hù)功能。同時,這也有利于軟件診斷。

③可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu),能迅速地開發(fā)出滿足應(yīng)用的高性能嵌入式微處理器。

④嵌入式微處理器必須功耗很低,尤其是用于便攜式的無線及移動的計算和通信設(shè)備中靠電池供電的嵌入式系統(tǒng)更是如此,如要求功耗為mW甚至μ W級。

1.1 嵌入式處理器的種類

1.1.1 嵌入式微處理器(EMPU)

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中,將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上,只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能,這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求,嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的,但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都作了各種增強(qiáng)。

和工業(yè)控制計算機(jī)相比,嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn),但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件,從而降低了系統(tǒng)的可靠性,技術(shù)保密性也較差。嵌入式微處理器及其存儲器、總線、外設(shè)等安裝在1塊電路板上,稱為單板計算機(jī),如STD-BUS、PC104等。近年來,德國、日本的一些公司又開發(fā)出了“火柴盒”式名片大小的嵌入式計算機(jī)系列OEM產(chǎn)品。

嵌入式微處理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400 、Power PC 、68000 、MIPS 、ARM 系列等 。

1.1.2 嵌入式微控制器(MCU)

嵌入式微控制器又稱單片機(jī),顧名思義,就是將整個計算機(jī)系統(tǒng)集成到1塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心,芯片內(nèi)部集成 ROM/EPROM 、RAM 、總線 、總線邏輯 、定時器/計數(shù)器 、Watch-Dog 、I/O 、串行口 、脈寬調(diào)制輸出 、A/D 、D/A 、Flash 、 EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,一般一個系列的單片機(jī)具有多種衍生產(chǎn)品,每種衍生產(chǎn)品的處理器內(nèi)核都是一樣的,不同的是存儲器和外設(shè)的配置及封裝。這樣可以使單片機(jī)最大限度地和應(yīng)用需求相匹配,功能不多不少,從而減少功耗和成本。

和嵌入式微處理器相比,微控制器的最大特點(diǎn)是單片化——體積大大減小,從而使功耗和成本下降,可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系統(tǒng)工業(yè)的主流。微控制器的片上外設(shè)資源一般比較豐富,適合于控制,因此稱微控制器。

嵌入式微控制器目前的品種和數(shù)量最多,比較有代表性的通用系列包括 8051、P51XA 、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外還有許多半通用系列,如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541;支持 I2C 、CAN-Bus、LCD 及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70%的市場份額。特別值得注意的是,近年來提供X86微處理器的著名廠商AMD公司將Am186CC/CH/CU等嵌入式處理器稱為Microcontroller,Motorola公司把以Power PC為基礎(chǔ)的PPC505和PPC555亦列入單片機(jī)行列,TI公司亦將其TMS320C2XXX系列DSP作為MCU進(jìn)行推廣。

1.1.3 嵌入式DSP處理器(EDSP)

DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計,使其適合于執(zhí)行DSP算法,編譯效率較高,指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面,DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域。DSP應(yīng)用正在從通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能,過渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有2個發(fā)展來源：一是DSP處理器經(jīng)過單片化、EMC改造、增加片上外設(shè),成為嵌入式DSP處理器,TI公司的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇;二是在通用單片機(jī)或SoC中增加DSP協(xié)處理器,例如Intel公司的MCS-296和Siemens公司的TriCore。推動嵌入式DSP處理器發(fā)展的另一個因素是嵌入式系統(tǒng)的智能化,例如各種帶有智能邏輯的消費(fèi)類產(chǎn)品、生物信息識別終端、帶有加解密算法的鍵盤、ADSL接入、實(shí)時語音壓解系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實(shí)顯示等。這類智能化算法一般都運(yùn)算量較大,特別是向量運(yùn)算、指針線性尋址等較多,而這些正是DSP處理器的長處所在。

嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列、移動通信的C5000系列,以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為 DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。另外Philips公司也推出了基于可重構(gòu)嵌入式DSP結(jié)構(gòu)低成本、低功耗技術(shù)制造的 R.E.A.L DSP處理器,特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元,應(yīng)用目標(biāo)是消費(fèi)類產(chǎn)品。

1.1.4 嵌入式片上系統(tǒng)(SoC)

隨著EDI的推廣和VLSI設(shè)計的普及化,及半導(dǎo)體工藝的迅速發(fā)展,在1個硅片上實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜系統(tǒng)的時代已來臨,這就是SoC。各種通用處理器內(nèi)核將作為SoC設(shè)計公司的標(biāo)準(zhǔn)庫,和許多其他嵌入式系統(tǒng)外設(shè)一樣,成為VLSI設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)器件,用標(biāo)準(zhǔn)的VHDL等語言描述,存儲在器件庫中。用戶只需定義整個應(yīng)用系統(tǒng),仿真通過后就可以將設(shè)計圖交給半導(dǎo)體工廠制作樣品。這樣除個別無法集成的器件以外,整個嵌入式系統(tǒng)大部分可集成到1塊或幾塊芯片中去,應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔,對于減小體積和功耗、提高可靠性非常有利。

SoC可以分為通用和專用2類。通用系列包括 Siemens公司的 TriCore、Motorola公司的 M-Core、某些ARM系列器件、Echelon公司和 Motorola公司聯(lián)合研制的Neuron芯片等。專用SoC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中,不為一般用戶所知。

1.2 嵌入式處理器分類的變遷

國際上公認(rèn)的通用嵌入式處理器有3大類：MCU、DSP和MPU(Micro-Processor Unit)。TI公司曾把處理器比作汽車：DSP是跑車,追求的是速度;MPU是轎車,追求的是經(jīng)濟(jì)性與速度的折中;MCU是滿足特殊用途的車。

現(xiàn)在,隨著對處理速度的要求越來越高,同時處理的數(shù)據(jù)更加復(fù)雜,出現(xiàn)了雙核與多核處理器,通常為DSP+RISC芯核,如 Infineon公司的 TriCore(CISC+RISC+DSP)、Philips公司的 Trimedia。隨著一些大量應(yīng)用市場的崛起,又出現(xiàn)了一些新名詞,例如用于網(wǎng)絡(luò)、通信設(shè)備的通信處理器(2000年左右興起),數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼錄像機(jī)等視頻、音頻流所需的媒體處理器(2003年興起),智能手機(jī)上的應(yīng)用處理器(2004年興起)。

由于一些處理器不僅要有速度,還要有控制功能,又出現(xiàn)了DSP與MCU的結(jié)合品,主攻電機(jī)控制市場。如Freescale公司的DSP利用了其在MCU控制方面的技術(shù);Microchip公司2004年2月也推出了這種產(chǎn)品,稱為DSC(Digital Signal Controller)。

為了滿足多芯核與SoC設(shè)計的需要,還有一些廠家專門供應(yīng)處理器芯核的IP,芯核主要有16位、32位、64位,有軟核與硬核。多芯核市場發(fā)展空間廣闊,在美國Electronic Summit 2004上,做64位RISC IP的Tensilica公司總裁Chris Rowen博士說,未來10年,1塊芯片中需要上千個處理器芯核,每秒要完成1012次運(yùn)算。

2 嵌入式處理器芯片的開發(fā)

2.1 一般開發(fā)過程

盡管有幾千種現(xiàn)成的芯片可供選擇,但是許多設(shè)計者需要與眾不同的特性。因此,他們開發(fā)自己的嵌入式芯片,即所謂的專用集成電路。

設(shè)計人員開始時需要從一家公司取得嵌入式微處理器的內(nèi)核的授權(quán),然后添加他自己應(yīng)用特有的特性。例如,對于數(shù)字照相機(jī)處理器來說,他可能為這種電荷耦合設(shè)備的芯片添加1個控制器。又比如,對于具有Internet功能的家電處理器來說,可以添加1個Ethernet接口。設(shè)計者然后將他的設(shè)計交給“鑄造廠”,即一家擁有“工廠”(芯片制造廠)的公司,并將部分制造量出售給其他公司。主要的制造廠有 United Microelectronics公司、TSMC公司和IBM Microelectronics公司。

對于一些設(shè)計者來說,甚至這種靈活性還不夠用。他們可以找到某些公司,這些公司擁有可高度定制嵌入式微處理器內(nèi)核的許可證。利用這類內(nèi)核,可以開發(fā)出用于特殊目的的新機(jī)器級指令。對于數(shù)字相機(jī)處理器而言,1條提高JPEG圖像壓縮率的指令具有很高的價值。對于MP3音樂播放器來說,1條加速音頻解壓縮率的指令具有同樣的用處。然后,定制的設(shè)計交給“鑄造廠”進(jìn)行生產(chǎn)。

和通用計算機(jī)不同,嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須高效率地設(shè)計,量體裁衣,去除冗余,力爭在同樣的硅片面積上實(shí)現(xiàn)更高的性能,這樣才能在具體應(yīng)用對處理器的選擇面前更具有競爭力。嵌入式處理器要針對用戶的具體需求,對芯片配置進(jìn)行裁剪和添加才能達(dá)到理想的性能;但同時還受用戶訂貨量的制約。因此不同的處理器面向的用戶是不一樣的,可能是一般用戶、行業(yè)用戶或單一用戶。

為殺滅殘余腫瘤細(xì)胞，部分腹腔鏡下大腸癌根治術(shù)后病人需繼續(xù)采用化療方式進(jìn)行治療[22]?；熎陂g，部分耐受度較低病人，可能出現(xiàn)腹瀉、排便困難等癥狀，建議給予補(bǔ)中益氣湯增強(qiáng)病人免疫力，其間需注意，將中藥湯劑配合藥物劑量進(jìn)行調(diào)整，提高治療針對性。

嵌入式處理器的發(fā)展也體現(xiàn)出穩(wěn)定性,1個體系一般要存在8～10年的時間。1個體系結(jié)構(gòu)及其相關(guān)的片上外設(shè)、開發(fā)工具、庫函數(shù)、嵌入式應(yīng)用產(chǎn)品是一套復(fù)雜的知識系統(tǒng),用戶和半導(dǎo)體廠商都不會輕易地放棄1種處理器。

2.2 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工具

嵌入式處理器是一個復(fù)雜的高技術(shù)系統(tǒng),要在短時間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是很不容易的,而市場競爭要求產(chǎn)品能夠快速上市,這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的開發(fā)工具平臺,提高用戶和程序員的時間-投入回報率。面對成百上千種處理器,選擇是一個問題,學(xué)習(xí)掌握處理器結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用更需要時間,因此以開發(fā)工具和技術(shù)咨詢?yōu)榛A(chǔ)的整體解決方案是迫切需要的。好的開發(fā)工具除能夠開發(fā)出處理器的全部功能以外,還應(yīng)當(dāng)對用戶是友好的。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具平臺主要包括以下幾類。

2.2.1 實(shí)時在線仿真系統(tǒng)

在計算機(jī)輔助設(shè)計非常發(fā)達(dá)的今天,實(shí)時在線仿真系統(tǒng)(In-Circuit Emulator,ICE)仍是進(jìn)行嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試最有效的開發(fā)工具。ICE首先可以通過實(shí)際執(zhí)行,對應(yīng)用程序進(jìn)行原理性檢驗(yàn),排除人難以發(fā)現(xiàn)的設(shè)計邏輯錯誤。ICE的另一個主要功能是在應(yīng)用系統(tǒng)中仿真微控制器的實(shí)時執(zhí)行,發(fā)現(xiàn)和排除由于硬件干擾等引起的異常執(zhí)行行為。此外,高級的ICE帶有完善的跟蹤功能,可以將應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)變化、微控制器對狀態(tài)變化的反應(yīng)、以及應(yīng)用系統(tǒng)對控制的響應(yīng)等以一種錄像的方式連續(xù)記錄下來,以供分析,在分析中優(yōu)化控制過程。很多機(jī)電系統(tǒng)難以建立精確有效的數(shù)字模型,或是建立模型需要大量人力,這時采用ICE的跟蹤功能對系統(tǒng)進(jìn)行記錄和分析是一個快而有效的方法。

ICE不僅是軟硬件排錯工具,同時也是提高和優(yōu)化系統(tǒng)性能指標(biāo)的工具。高檔ICE工具(如美國Nohau公司的產(chǎn)品)可根據(jù)用戶投資裁減功能,亦可根據(jù)需要選擇配置各種檔次的實(shí)時邏輯跟蹤器(Trace)、實(shí)時映像存儲器(Shadow RAM)及程序效率實(shí)時分析功能(PPA)。

2.2.2 高級語言編譯器

C語言作為一種通用的高級語言,大幅度提高了嵌入式系統(tǒng)工程的工作效率,充分發(fā)揮出嵌入式處理器日益提高的性能,縮短產(chǎn)品進(jìn)入市場時間。另外,C語言便于移植和修改,使產(chǎn)品的升級和繼承更迅速。更重要的是,采用C語言編寫的程序易于在不同的開發(fā)者之間進(jìn)行交流,從而促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化。

區(qū)別于一般計算機(jī)中的C語言編譯器,嵌入式系統(tǒng)中的C語言編譯器要專門進(jìn)行優(yōu)化,以提高編譯效率。優(yōu)秀的嵌入式系統(tǒng)C編譯器代碼長度和執(zhí)行時間僅比以匯編語言編寫的同樣功能程序長5%～20%。編譯效率的不同,是區(qū)別嵌入式系統(tǒng)C編譯器性能差別的重要根據(jù)之一。而C編譯器殘余的5%～10%效率差別,完全可以由現(xiàn)代微控制器的高速度、大存儲器空間以及產(chǎn)品提前進(jìn)入市場來彌補(bǔ)。

新型的微控制器指令速度不斷提高,存儲器空間也相應(yīng)加大,已經(jīng)達(dá)到甚至超過了目前的通用計算機(jī)中的微處理器,為嵌入式系統(tǒng)工程采用過去一直不敢問津的C++語言創(chuàng)造了條件。C++語言強(qiáng)大的類、繼承等功能更便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的程序功能。但是C++語言為了支持復(fù)雜的語法,在代碼生成效率方面不免有所下降。為此,1995年初在日本成立的Embedded C++技術(shù)委員會經(jīng)過幾年的研究,針對嵌入式應(yīng)用制訂了減小代碼尺寸的EC++標(biāo)準(zhǔn)。EC++保留了C++的主要優(yōu)點(diǎn),提供對C++的向上兼容性,并滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的一些特殊要求。在嵌入式高級語言編譯器方面處于領(lǐng)先地位的 Tasking公司,是EC++技術(shù)委員會成員之一,也是最先推出EC++產(chǎn)品的公司。

C/C++/EC++引入嵌入式系統(tǒng),使得嵌入式開發(fā)和個人計算機(jī)、小型機(jī)等在開發(fā)上的差別正在逐漸消除,軟件工程中的很多經(jīng)驗(yàn)、方法乃至庫函數(shù)可以移植到嵌入式系統(tǒng)。在嵌入式開發(fā)中采用高級語言,還使得硬件開發(fā)和軟件開發(fā)可以分工,從事嵌入式軟件開發(fā)不再必須精通系統(tǒng)硬件和相應(yīng)的指令集匯編。

另一種高級語言Java的發(fā)展則具有戲劇性。Java本來是為設(shè)備獨(dú)立的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、為了提高程序繼承性的語言,但是目前基于Java的嵌入式開發(fā)工具代碼生成長度要比嵌入式C編譯工具長10倍以上。因此EC++很可能在未來的一段時間內(nèi)仍是嵌入式系統(tǒng)的主流。

2.2.3 源程序模擬器

源程序模擬器是在廣泛使用的、人機(jī)接口完備的工作平臺上,如小型機(jī)和PC,通過軟件手段模擬執(zhí)行某種嵌入式處理器內(nèi)核編寫的源程序的測試工具。簡單的模擬器可以通過指令解釋方式逐條執(zhí)行源程序,分配虛擬存儲空間和外設(shè),供程序員檢查;高級的模擬器可以利用計算機(jī)的外部接口模擬出處理器的I/O電氣信號。不同檔次和功能模擬器工具價格差距巨大。模擬器軟件獨(dú)立于處理器硬件,一般與編譯器集成在同一個環(huán)境中,是一種有效的源程序檢驗(yàn)和測試工具。但值得注意的是,模擬器畢竟是以一種處理器模擬另一種處理器的運(yùn)行,在指令執(zhí)行時間、中斷響應(yīng)、定時器等方面很可能與實(shí)際處理器有較大差別。另外,它無法和ICE一樣,仿真嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用系統(tǒng)中的實(shí)際執(zhí)行情況。

結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)是將計算機(jī)直接嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中,是信息技術(shù)的最終產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)的核心就是嵌入式處理器。嵌入式系統(tǒng)是信息產(chǎn)業(yè)走向21世紀(jì)知識經(jīng)濟(jì)時代的最重要的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)之一,是一個不可壟斷的工業(yè),對中國的信息產(chǎn)業(yè)來說充滿了機(jī)遇和挑戰(zhàn)。世界是多樣化的,尤其是已經(jīng)進(jìn)入后PC時代——無所不在的計算(nomadic computing)將使嵌入式處理器遍及人們能夠想象得到的各個角落,因此,每種處理器都有存在的理由,都有可伸展的方向。這一點(diǎn)應(yīng)特別引起中國信息產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。

編者注：本文為期刊縮略版,全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn

[1]Li Qing,Yao Carolyn.Real-Time Concepts for Embedded System[M].CMP Books,2003.

[2]劉篤仁.在系統(tǒng)可編程技術(shù)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2001.

[3]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[4]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5]毛德操.嵌入式系統(tǒng)-采用公開源代碼和StrongA RM/Xscale處理器[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2003.

[6]胡希明.Linux內(nèi)核源代碼情景分析[M].杭州：浙江大學(xué)出版社,2004.

[7]楊剛.32位嵌入式系統(tǒng)及SOC設(shè)計導(dǎo)論[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2006.

[8]打造高效計算平臺[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2006(12).

[9]王蘭勛.基于CPLD的全雙工擴(kuò)展串行口設(shè)計[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng),2006(1).

[10]丁玉美,等.數(shù)字信號處理[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2005.