嵌入式处理器的状况及发展趋势(1)

嵌入式处理器的发展趋势嵌入式世界是一个多姿多彩的世界。如同生物的多样性一样，嵌入式处理器也充满了多样化，尤其是信息化、数字化的今天，嵌入式处理器遍及我们能够想像到的各个角落，因此，每种处理器都有存在的理由，都有可伸展的方向。20世纪80年代中期，4/8位单片机进入了战国时代，群雄并举，Intel公司的MCS-51最具代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 性，发展延续至今。20世纪90年代以后，16位、32位乃至64位微处理器及各种DSP（数字信号处理）处理器闪亮登场，迅速抢占各自的优势领地。嵌入式系统发展到今天，处理器林林总总，千差万别。但就其主流来看，51系列单片机仍为广大嵌入式工程师所喜爱，成为许多低端控制领域的宠儿，同时也是嵌入式爱好者的入门首选；MOTOROLA的PowerPC系列在通信领域占据着主导地位，是通信产品当仁不让的核心；TI的TMS320系列DSP处理器几乎独霸了嵌入式DSP市场；而信息终端、手持产品及许多消费类产品则是ARM处理器的天下，而且其应用正以风卷残云之势渗透到IT产业的各个领域。　为什么嵌入式处理器有如此飞快的发展？原因是嵌入式产品的更新换代越来越快，无论是工业控制、通信、汽车、医疗设备，还是银行证券、家用电器，其智能化程度越来越高，对微处理器的性能、功能、处理速度要求也越来越高。以往8位、16位单片机恐怕很难满足现在用户的需求了，采用32位甚至64位芯片的嵌入式系统已经是业界的必然选择。同时技术的进步也使嵌入式系统不再高不可攀，其成本在不断下降，有些系统使用32位机其整体成本甚至比用8位机还要低，原来人们担心的技术和成本因素不再成为障碍，这也为嵌入式系统普及、应用和发展提供了有利条件。那么，在可预见的将来，嵌入式处理器会有什么样的发展趋势呢？1.32位处理器在兴起市场的发展加速了观念的变化，观念的变化又促进了市场的发展。8位MCU市场已逐步趋向稳定，32位MPU和SoC代表着嵌入式技术的发展方向。32位处理器应用范围扩大的驱动因素主要有以下两个方面。1）手机、数码相机、MP3播放机、PDA、游戏机等手持设备以及各种信息家电等有更高性能要求的多媒体和通信设备的推出促进了32位处理器的应用。在这些应用中，庞大的多媒体数据必然需要更大的存储空间，目前许多32位微控制器都可以使用同步SDRAM，因此可极大地降低使用更大容量数据存储器的成本。而8位微控制器一般只能使用成本较高的SRAM作为数据存储器。此外除了处理应用控制功能之外，还有需要支持因特网接入的应用。在MCU运行TCP/IP或其他通信协议的情况下，要求系统建立在RTOS上就必然成为一种现实需求，而8位单片机难以胜任。另外有越来越多的像电视机、汽车音响及电子玩具等传统应用也与时俱进地提出数字化和“硬件软化”的要求，它们对计算性能的要求及存储器容量的需求都超出绝大多数8位微控制器能提供的范围。2）由于IT技术发展的推动，随着高端32位CPU价格的不断下降和开发环境的成熟，促使32位嵌入式处理器日益挤压原先由8位微控制器主导的应用空间。随着32位处理器在全球范围的流行，32位的RISC嵌入式处理器已经开始成为高中端嵌入式应用和设计的主流。此外，随着第三方的开发工具支持的不断增加，开发工具的价格在逐步降低，另一方面技术供应商在不断提高开发工具的灵活性和智能化程度，使得开发环境不断改善。2.处理器IP（知识产权）为了满足多内核与SoC设计的需要，有一些厂家专门供应处理器内核的IP（也包括外设的IP），主要有16位、32位和64位，有软核与硬核之分。这一方面，ARM公司是一个非常成功的例子。多内核处理器和SoC市场发展前景广阔，我们有理由相信会有越来越多的公司提供处理器IP，也会有越来越多的组织选用这些IP。3.可编程处理器可编程也是处理器的一个发展方向。许多传统的单片机公司利用片内Flash来实现现场可编程，如Atmel、Microchip等公司最先推出这类产品，现在几乎所有的8位单片机公司都推出了这种可现场编程的单片机。但这里所说的可编程是指对处理器本身的定制，即通过编程的办法现场“制造”出用户所需要的处理器。可编程主要有CPUFPGA和PSOC（programmablesystemonachip）。前者FPGA厂商大显身手，Altera公司推出了SOPC（systemonprogrammablechip）概念，Xilinx公司也有类似产品，途径是通过FPGA进行编程，但FPGA厂商面临的问题是成本与功耗的问题。后者由Cypress公司提出，该产品被美国EDN杂志评为2003年度“热门产品”。PSOC的方法是大马拉小车，首先做出一个功能齐全的SoC，用户可根据需要选择用哪些外设和精度，例如A/D还是D/A，精度是8位还是12位。处理器的可编程将引起一个有趣的现象：在开发嵌入式系统软件之前要先把处理器定制好Cortex-M0处理器ARMCortex™-M0处理器是现有的最小、能耗最低和能效最高的ARM处理器。该处理器硅面积极小、能耗极低并且所需的代码量极少，这使得开发人员能够以8位的设备实现32位设备的性能，从而省略16位设备的研发步骤。Cortex-M0处理器超低的门数也使得它可以部署在模拟和混合信号设备中。处理器cortex-m0的特点：能耗最低的最小ARM处理器Cortex-M0的代码密度和能效优势意味着它是各种应用中8/16位设备的自然高性价比换代产品，同时保留与功能丰富的Cortex-M3处理器的工具和二进制向上兼容性。超低的能耗Cortex-M0处理器在不到12K门的面积内能耗仅有85µW/MHz（0.085毫瓦），所凭借的是作为低能耗技术的领导者和创建超低能耗设备的主要推动者的无与伦比的ARM专门技术。简单指令只有56个，这样您便可以快速掌握整个Cortex-M0指令集（如果需要）；但其C语言友好体系结构意味着这并不是必需的。可供选择的具有完全确定性的指令和中断计时使得计算响应时间十分容易。优化的连接性设计为支持低能耗连接，如BluetoothLowEnergy(BLE)、IEEE802.15和Z-wave，特别是在这样的模拟设备中：这些模拟设备正在增加其数字功能，以有效地预处理和传输数据。能耗最低的Cortex-M0处理器（ARM）时间：2009-02-2412:35:25来源：21ic作者：ARM日前推出了ARM®Cortex™-M0处理器，这是市场上现有的最小、能耗最低、最节能的ARM处理器。该处理能耗非常低、门数量少、代码占用空间小，使得MCU开发人员能够以8位处理器的价位，获得32位处理器的性能。超低门数还使其能够用于模拟信号设备和混合信号设备及MCU应用中，可望明显节约系统成本，同时保留功能强大的Cortex-M3处理器的工具和二进制兼容能力。在180ULL工艺上使用ARM标准单元库时，ARM凭借其作为低能耗技术的领导者和创建超低能耗设备的主要推动者的丰富专业技术，使得Cortex-M0处理器在不到12K门的面积内能耗仅有85微瓦/MHz(0.085毫瓦)。该处理器把ARM的MCU路线图扩展到超低能耗MCU和SoC应用中，如医疗器械、电子测量、照明、智能控制、游戏装置、紧凑型电源、电源和马达控制、精密模拟系统和IEEE802.15.4(ZigBee)及Z-Wave系统。Cortex-M0处理器还适合拥有诸如智能传感器和调节器的可编程混合信号市场，这些应用在传统上一直要求使用独立的模拟设备和数字设备。通过采用为180ULL工艺提供的ARM超高密度标准单元库和ARM功耗管理工具包(PMK)、为Cortex-M0专门构建的低能耗存储例程以及Keil™微控制器开发工具包，ARM增强了Cortex-M0处理器的低能耗运行的特点。ARM低能耗库是为实现静态和动态低能耗并使硅晶面积最小化而优化设计的。PMK拥有动态和泄漏功率管理功能，低能耗存储例程则支持外部功率闸，大大减少功率泄漏。已经获得Cortex-M0处理器授权的公司包括：恩智浦半导体及混合信号ASIC提供商TriadSemiconductor。工具Cortex-M0处理器由Keil™MDK-ARM微控制器开发工具包全面支持，该工具包把ARMRealView®汇编工具与最新的KeilµVision4IDE和调试程序集成在一起。ARM公司MCU工具总监ReinhardKeil说，“ARM被公认为世界上最流行的微控制器开发环境，在此基础上，ARM推出了最新的µVision4IDE。通过使用这些工具，ARM合作伙伴可以利用紧密结合的应用开发环境，迅速实现Cortex-M0处理器的高性能和超低能耗的特点。”第三方工具和RTOS厂商也对该处理器提供支持。这些厂商包括：CodeSourcery、CodeRed、ExpressLogic、IARSystems、MentorGraphics、Micrium和SEGGER。CMSIS软件标准Cortex-M0处理器全面兼容ARM最新推出的Cortex微控制器软件接口标准(CMSIS)，这是为Cortex-M处理器系列推出的独立于厂商的硬件抽象层。CMSIS为硅晶厂商和中间件提供商使用的处理器提供了一致简单的用户接口，简化了软件重用，缩短了新的微控制器开发人员的学习时间，加快了新设备的产品开发周期。ARMFabricIPARM提供了一系列为ARM处理器IP优化的全面的外设、调试和互连FabricIP，使得合作伙伴能够降低风险，改善系统性能，缩短基于ARM处理器的设备的产品开发周期。ARM服务和支持ARM通过硬件系统集成和软件编程 培训 焊锡培训资料ppt免费下载焊接培训教程 ppt 下载特设培训下载班长管理培训下载培训时间表下载 教程，及ARM基于ActiveAssist项目的顾问服务，支持在嵌入式设计团队中快速部署ARMCortex-M0处理器。供货情况ARMCortex-M0现在已经提供授权。ARM：Cortex-M0处理器核尺寸小、功耗低Cortex-M0处理器是目前市场上尺寸最小、功耗最低的32位ARM处理器。这款处理器功耗极低、门数少、代码资源占用小，是超低功耗MCU和混合信号应用的理想之选，它可以16位的资源占用来提供32位的性能和效率。32位Cortex-M0处理器的低成本和低功耗加上用于最大化代码密度的ARMThumb技术，能满足更低成本、更高连结性的便携式产品的需求，从而使模拟设备与对数据进行预处理和通信的数字功能更为紧密地集成到一起。新款处理器将ARMCortex-M处理器发展路线进一步扩展到超低功耗MCU和SoC应用，包括：医疗设备、智能控制、高精度模拟和混合信号、游戏配件、电源控制等等。Cortex-M0处理器转为控制极低动态功耗和漏电而设计，超低功耗的32位处理器，其性能效率和响应能力可最大限度地减少活动持续时间，在利用ARM物理IP实现时，可在活跃和休眠状态下实现更低功耗。ARMCortex-M0处理器实现了小型指令集架构（ISA），它是16位ThumbISA的超集，使ARM处理器代码密度最大化,大大降低运行成本和能耗。ARMCortex-M0简介DominicPajak，ARM随着能源价格的持续增长以及环境的成熟，对于日益普及的嵌入式设备的开发者来说，在平衡产品的性能和功耗方面面临着严峻的挑战。在需要满足低功耗的应用场合，传统上一般使用16位的微控制器，但是16位的微控制器已经不能满足当前的应用需求。面对这个挑战，ARM公司开发出了一款具有32位微控制器的性能，同时在功耗以及逻辑门的数量上又能与传统的16位微控制器媲美的处理器。1  概述为了满足市场对于具备较高连接性（如USB、蓝牙、IEEE802.15）和复杂的模拟传感器（如加速器、触摸屏）的低成本产品不断增长的需求，必须在模拟设备中更紧密地集成数字功能，以实现数据的预处理和通信。在不大幅度提升频率和功率的前提下，凭借大多数8位设备的现有性能都无法实现上述目标，因此嵌入式开发人员需要寻找采用更先进的处理器技术的其他设备。16位设备一直以来都被用来提高微控制器应用中的能源效率。但是，由于16位设备的性能效率较低，通常需要延长它们的活跃工作周期，或者提高时钟频率，才能完成一般由32位设备完成的任务。新开发的32位ARMCortex-M0处理器可以在保持低功耗的前提下改善性能效率，从而满足上述要求，也因而成为下一代超低功耗MCU和精密模拟设备的理想选择。ARMCortex-M0处理器。ARMCortex-M0系列处理器是专为解决需要低功耗和快速中断响应能力的深层嵌入式应用而设计的理想微控制器。目前，该领域的旗舰处理器为ARMCortex-M3，它具有优异的性能和效率。新的ARMCortex-M0对其进行了补充，它向上兼容ARMCortex-M3处理器的所有功能，并且具有更小的面积和更低的功耗。ARMCortex-M0处理器是采用精简指令集（RISC）的32位处理器，其具有0.9DMIPS/MHz的指令执行速度，采用了一个只有不到60条指令的小型指令集构架（ISA）。这个小型指令集构架（ISA）是在ARM7TDMI中首次应用的16位的Thumb指令集的一个扩展集，Thumb指令集也是之后的所有ARM处理器的ISA的基础（更多关于ISA的信息，请参见 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf ）。Thumb指令集之所以能够长期以来受到用户的普遍欢迎，在于它具有非常高的代码密度，这对嵌入式设备来说是非常重要的，它可以减少程序所需的内存，从而节约成本。Cortex-M0只有很少的逻辑门数（最小配置为12000个逻辑门），这使得它非常适用于低成本的使用大硅片加工技术的微控制器和混合信号设备（如0.35μm,0.25μm,0.18μm）。另人难以置信的是，ARMCortex-M0在只有ARM7TDMI三分之一的大小和功率的情况下几乎能够达到与其一样的性能。2  超低功耗设计尽量减少设备的能耗。在一个微控制器设备中，处理器逻辑需要消耗总电流的一定比例，它可以处于活动或休眠状态。在典型配置的情况下，使用ARM标准单元库的工作于1.8伏、180ULL(超低漏电)执行进程的ARMCortex-M0处理器有助于减少50μA/MHz的有源电源（取决于实施方法和制作工艺）。处理器不是设备中唯一消耗能源的部分，对于微控制器中的其他功能部件也必须悉心调节，以实现真正的超低功耗（如内存、外设机构、执行部件、时钟发生器以及电压控制模块等）。然而，处理器对能源消耗的影响依然是至关重要的，这体现在处理器活动期间对外设和内存的访问等方面（例如，使用Thumb指令集的较小规模的代码可以降低访问flash时的能源消耗）。尽量减少有功电流同样有利于拓宽实际应用中可使用的电源的类型，使其可使用比普通电源更小、更便宜的电池作为有效能源，当然也可以使用可再生的能源作为设备的有效能源。而且，在降低能耗同时也可以降低供电的复杂性。降低系统功率。在一个减少能源消耗的系统中，在传感器节点处使用数字处理器是一种有效的方法。例如，压缩、过滤或分析模拟传感器的节点处的采样数据，可以大大减少IEEE802.5无线传感器中活动的RF收发器的数量。在一个光学心率显示器应用中，这就意味着只有一个BMP（每分钟心跳数）值需要通过无线传输，而不是整个传感器的采样数据流。另一个例子是，通过分析模拟传感器传来的数据以确保一个系统中的高性能应用处理器只有在用户需要使用到它的时候才处于活动状态（例如，对于一个具备触摸屏的智能手机，只有当用户点击触摸屏的时候才向主处理器传递信号并唤醒手机）。目前，在汽车应用中，使用越来越多的传感器和驱动器用于提高CAN总线的速度，通过上诉方法可以大大的减少系统的通信量。以上这些所有的应用都是受益于处理器能力的提升，而通过与模拟传感器的紧密结合，Cortex-M系列处理器能够轻而易举的达到这些要求。衡量能源的使用效率。降低微控制器的功耗的一个常用方法是，尽可能的使微控制器处于低功耗的休眠模式，只有在需要使用它的时候才将其唤醒。此时，微控制器的功耗为其处于休眠状态和活动状态时的平均电流功率。（如图1所示，在一个基于IEEE802.5的无线传输系统中，在实际应用时，活动状态的占空比可以小于0.05%，并且，同一个设备其活动状态是的电流大小与休眠是的电流大小甚至成指数关系。）图1平均电流由三个变量决定，它们分别是：活动占空比（即，设备处于活动状态的时间所占总时间的百分比），设备活动状态下的电流和设备休眠状态下的电流。选择一个低功耗的微控制器，其处理器对这三个变量都会有影响。在接下来的一节里，我们将看到是怎么设计ARMCortex-M0以使其达到这三个方面的要求的。3  能智能的运行，更长的休眠ARMCortex-M0(以及更高性能的Cortex-M3)相对于8位或16位构架的处理器的一个重大优势在于执行效率——它能更快的完成任务，从而缩短处理器的活动时间。这个性能上的优势源于Cortex-M0能够单周期的执行32位的算术和逻辑操作（包括单周期的32位乘法操作），并且能够通过索引定址在单周期内完成8位、16位或者32位的数据的传输。这使得其在对处理器的时钟频率的需求上达到非常理想的效果，此外在对用于存储关联程序的内存要求上也是如此。Cortex-M0比之8位和16位处理器的性能上的优势也使得具有逻辑传感功能的器件受益匪浅——时钟频率的减小意味着低噪音以及高精度的模拟量。在考虑到RF（射频）应用时，减少伴随的电磁干扰同样非常重要。最后，对于软件开发者来说，Cortex-M0对于使用和建立及支持构架有着非常大的好处，关于这点我们将在接下来的小结讨论。更小的代码空间以及更高的执行效率¬¬¬——以16位乘法为例。许多模数转换器（ADC）都拥有10位或12位的采样精度，这要求对16位的数据进行传输和操作。如表1所示，我们进行一次16×16的乘法操作，从表中可以看出，ARMCortex-M0不仅仅是具有更高的执行效率，同时将运算编译为更小的代码。然而大多数用户都选择用C语言编写程序，因此大家都比较关心与8位和16位的处理器相比Cortex-M0的汇编程序（对C语言的反汇编程序）会简洁多少。由于使用了24位的高精度计算，(在使用C语言编程，经编译器反汇编后)ARMCortex-M0的汇编代码仍然保持不变,但是8位和16位处理器的汇编代码会越来越复杂，需要更多的时钟周期来执行。表18位处理器（8051）  16位处理器  ARMCortex-M0MOVA,XL;2bytesMOVB,YL;3bytesMULAB;1byte   MOVR0,A;1byte  MOVR1,B;3bytesMOVA,XL;2bytes MOVB,YH;3bytes MULAB;1byte    ADDA,R1;1byte   MOVR1,A;1byteMOVA,B;2bytesADDCA,#0;2bytesMOVR2,A;1byteMOVA,XH;2bytesMOVB,YL;3bytesMULAB;1byteADDA,R1;1byteMOVR1,A;1byteMOVA,B;2bytesADDCA,R2;1bytesMOVR2,A;1byteMOVA,XH;2bytesMOVB,YH;3bytesMULAB;1byteADDA,R2;1byteMOVR2,A;1byteMOVA,B;2bytesADDCA,#0;2bytesMOVR3,A;1byte  MOVR4,&0130hMOVR5,&0138hMOVSumLo,R6MOVSumHi,R7(操作数由映射到存储器的硬件乘法单元取读取或写入)  MULSr0,r1,r0耗时:48个时钟周期代码大小:48bytes  耗时:8个时钟周期代码大小:8bytes  耗时:1个时钟周期代码大小:2bytesARMCortex-M0相对于16位构架的处理器来说至少具有两倍的优势，这意味着使用Cortex-M0处理器的设备能够以使用16位构架的处理器的设备两倍的速度进入超低功耗的休眠状态。4  超低功耗低活动电流。除执行性能之外，还有一个方面使得ARMCortex-M0区别于其他32位处理器，那就是Cortex-M0具有非常低的有功功率(85μW/MHzon180ULL)。这得益于其高度优化的指令集与微型结构的完美结合，更重要的是它使用的ARM物理IP大大的增强了其执行能力。极低的活性电流意味着该设备能够由比普通电源更小更经济的电池来驱动，同时更加省电。尽管在一个设备（比如微控制器）中处理器并不是唯一一个消耗能源的部分，但是日益增加能源成本和对低功耗器件的需求使得每一μA都是非常珍贵的。超低功耗休眠。ARMCortex-M0处理器中微小的硅片面积（只有0.25毫米每180ULL）使得微控制器设备中处理器的休眠功耗微乎其微。在某些应用场合，设备99%的时间都是处于休眠状态的，因此这点对于降低设备功耗也是非常重要的。与Cortex-M3一样，Cortex-M0支持休眠模式，软件可以使处理器进入休眠状态并且等待一个中断将其唤醒，这通过WFI（等待中断）指令完成。PMK（电源管理单元）中的状态记忆技术使得处理器的休眠状态大获益处，它意味着处理器会一直保持当前的状态，并能在瞬间被唤醒。缩短唤醒处理器所需的时间以及处理器响应外部中断的时间对于提高处理器的活性非常重要。与指令集紧密结合的嵌套向量中断控制器(NVIC)使得Cortex-M0的中断响应能力非常出色。处理器的出口休眠特征（exitfeature）意味着，如果Cortex-M0被某个中断唤醒以为其服务，那么一旦中断服务程序一完成处理器又马上回到休眠状态。5  简单并且兼容Cortex-M0纳入了在ARMCortex-M3处理器中首次应用的技术，这使得它能够加快软件的开发速度，并使其能够与使用ARMCortex-M3以及更高层次的处理器的器件相兼容。这是每个Cortex-M系列处理器共有的特性。使用Cortex-M0进行软件开发的软件开发人员并不需要对处理器有深刻的了解，甚至根本不用编写任何汇编代码。例如，在传统的处理器构架中，中断服务程序需要使用汇编语言编写一个具有最高优先级的中断处理程序来处理其他优先级的次序、进行上下文切换以及调用所有C程序的次优先级中断服务程序。相比之下，Cortex-M0通过其嵌套向量中断控制器（NVIC）以硬件的方式实现该首级处理，这大大的降低了低优先级中断的等待时间，使其能够零抖动的得到响应。对于软件开发人员来说，这样做的一个巨大好处是，他们可以直接使用惯用的C语言来编写Cortex-M0的中断服务程序。这可以减少代码的大小以及复杂程度，此外还免除了以往需要编写汇编程序的烦恼。Cortex-M0的简单的线性地址空间包含数据页或代码页，这意味着通过它，可以简单而直接的访问任何现有的Flash或SRAM器件中的任何存储单元。Cortex-M0中包含了标准硬件定时器（SysTick），这使得在将实时操作系统（RTOS）移植到基于Cortex-M0处理器的微控制器器件时不必再专为实时操作系统而改写系统的定时器代码，从而使实时操作系统的移植更加容易。ARMCortex-M0的小型指令集构架（ISA）是基于16位的Thumb指令集的。同时出于对电源管理（如中断等待）和向上兼容性的考虑，Cortex-M0的小型指令集构架（ISA）中也加入了少量的Thumb-2系统指令。对于开发者而言，使用Thumb指令接意味着软件拥有更小规模的代码，对器件的内存空间的更低需求，这也是Cortex-M0相对于8位和16位构架处理器的一个重大优势。考虑到将来的发展，ARMCortex-M系列处理器为那些使用Cortex-M0处理器进行长期来看需要更高性能的设计，而使用Cortex-M3处理器提供理想的高性能使产品进一步升级的用户提供了一个向上兼容的途径。在FPGA原型方面，ARMCortex-M1处理器与Cortex-M0处理器采用了同样的ISA结构，并且实现了100%的兼容。Cortex-M1处理器和Cortex-M0处理器的不同之处在于，它们采用了两种高度优化的不同的制作技术（FPGA和ASIC），但是他们的指令集是完全兼容的。Cortex-M系列处理器的设计思想，加上ARM公司合作伙伴提供的广泛的软件开发工具和操作系统的支持，对于那些以该系列处理器为内核的MCU、SOC和FPGA的开发具有莫大的益处。6  总结我们已经看到，ARMCortex-M0处理器已经把处理器的活动周期以及活性/待机电流降低极低的程度，这对降低峰值电流和延长电池的寿命有着极大的好处。这些技术上的优势结合ARM公司优秀的设计思路以及ARM公司的合作伙伴提供的软件开发工具，使ARMCortex-M0处理器必将成为在长寿命电池供电以及节能应用中使用的下一代MCU和混合信号器件的理想选择。