由于嵌入式系統(tǒng)的專(zhuān)用型與定制性,與全球PC市場(chǎng)不同,沒(méi)有一種微處理器或者微處理器公司可以主導(dǎo)嵌入式系統(tǒng)。本文分析了當(dāng)前市場(chǎng)上主流的一些32位嵌入式微處理器的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合,并對(duì)其未來(lái)發(fā)展做一些展望。這里只是按照體系結(jié)構(gòu)分類(lèi),不涉及具體的處理器芯片。 一. ARM ARM處理器是由英國(guó)的ARM公司設(shè)計(jì)的32位RISC處理器。 毫無(wú)疑問(wèn),ARM芯片是嵌入式微處理器中的佼佼者,是很多數(shù)字電子產(chǎn)品的核心。如今95%的手機(jī)里面的核心處理器使用的都是ARM芯片,而ARM在整個(gè)手持市場(chǎng)上占有90%以上的份額,這是一個(gè)驚人的比例。 ARM公司的商業(yè)模式: ARM公司的成功除了其卓越的芯片設(shè)計(jì)技術(shù)以外,還源于其創(chuàng)新的商業(yè)模式:提供技術(shù)許可的知識(shí)產(chǎn)權(quán),而不是制造和銷(xiāo)售實(shí)際的半導(dǎo)體芯片。ARM將其芯片設(shè)計(jì)技術(shù)(內(nèi)核、體系擴(kuò)展、微處理器和系統(tǒng)芯片方案)授權(quán)給Intel,Samsung,TI,高通(Qualcomm),意法半導(dǎo)體等半導(dǎo)體制造商,這些廠商拿到ARM內(nèi)核以后,再設(shè)計(jì)外圍的各種控制器,和ARM核整合成一塊SOC芯片,也就是我們看到的市面上的各種芯片,作為用戶(hù),我們也許不知道我們使用的是ARM芯片,但是我們可能天天都在感受著ARM芯片帶給我們的智能體驗(yàn)。 
圖1-1 ARM的業(yè)務(wù)模型ARM公司正是因?yàn)闆](méi)有自己生產(chǎn)芯片,從而省去了IC制造的巨額成本,因此可以專(zhuān)注于處理器內(nèi)核設(shè)計(jì)本身,ARM處理器內(nèi)核不但性能卓越而且升級(jí)速度很快,以適應(yīng)市場(chǎng)的變化。 由于所有的ARM芯片都采用一個(gè)通用的處理器架構(gòu),所以相同的軟件可以在所有產(chǎn)品中運(yùn)行,這正是ARM最大的優(yōu)勢(shì),采用ARM芯片無(wú)疑可以有效縮短應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)的與測(cè)試的時(shí)間,也降低了研發(fā)費(fèi)用。 ARM生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈: ARM公司通過(guò)出售芯片技術(shù)授權(quán),建立起新型的微處理器設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售商業(yè)模式。圍繞著芯片設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè),ARM公司整合了上下游的資源,逐漸形成了一條完整的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈。ARM的合作伙伴包括半導(dǎo)體制造商,開(kāi)發(fā)工具商,應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)商以及培訓(xùn)商等。ARM公司統(tǒng)一了芯片設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),芯片制造商生產(chǎn)的芯片符合統(tǒng)一的接口,為以后的開(kāi)發(fā)提供了很大的方便;工具商專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)基于ARM芯片的仿真器和開(kāi)發(fā)工具;應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)商開(kāi)發(fā)基于ARM芯片的應(yīng)用程序,培訓(xùn)商則提供與ARM相關(guān)的培訓(xùn)服務(wù)。 這樣的一套完整的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)沟肁RM芯片的開(kāi)放性和通用性都很好,很多公司開(kāi)發(fā)嵌入式產(chǎn)品都傾向于選擇ARM的芯片,因?yàn)檐浻布_(kāi)發(fā)都有比較成熟的方案,相關(guān)的人才也比較多,可以縮短開(kāi)發(fā)的周期,使得產(chǎn)品能夠盡快上市。而作為個(gè)人如果想學(xué)習(xí)嵌入式開(kāi)發(fā),ARM芯片也是首選的學(xué)習(xí)對(duì)象,相關(guān)的學(xué)習(xí)資料和開(kāi)發(fā)工具都有很多。 目前全球已有超過(guò)700家的軟硬件系統(tǒng)公司加入了ARM Connected Community,其中中國(guó)本土公司的成長(zhǎng)很快,目前已經(jīng)有超過(guò)70家加入了ARM生態(tài)伙伴系統(tǒng)。 下圖為以ARM公司為核心的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈,這個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈還在不斷壯大: 
圖1-2 以ARM為核心的生態(tài)系統(tǒng)ARM處理器核的技術(shù)特點(diǎn): 采用RISC架構(gòu)的ARM微處理器一般有如下特點(diǎn):
● 體積小、功耗低、低成本、高性能;
● 流水線結(jié)構(gòu);
● 支持Thumb(16位)/ARM(32位)雙指令集,能很好兼容8位/16位器件;
● 大量使用寄存器,指令執(zhí)行速度更快;
● 大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成;
● 尋址方式靈活,執(zhí)行效率高;
● 指令長(zhǎng)度固定,支持條件執(zhí)行;
● 具有桶形移位器(barrel shifter),可以提高數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算速度,不過(guò)也增加了硬件的復(fù)雜性,會(huì)占用更多的芯片面積;
● AMBA互聯(lián)總線協(xié)議,可以有效地將各個(gè)IP組件粘接起來(lái);
● ARM的大部分設(shè)計(jì)都采用RISC思想,當(dāng)然它也綜合一些CISC的設(shè)計(jì)理念以達(dá)到最佳地性能,所以ARM不是純粹的RISC架構(gòu); ARM微處理器最新的一些技術(shù)特點(diǎn)(以最新的Cortex-A9處理器核為例):
● 高效超標(biāo)量流水線;
● NEON多媒體處理引擎,加快媒體和信號(hào)處理能力;
● 浮點(diǎn)運(yùn)算單元,顯著提高了單精度和雙精度標(biāo)量浮點(diǎn)運(yùn)算的速度;
● 優(yōu)化的一級(jí)緩存;
● Thumb-2技術(shù),性能上達(dá)到傳統(tǒng)ARM代碼的峰值水平;
● 二級(jí)緩存控制器,最高可配置2MB的緩存內(nèi)存;
● 先進(jìn)的取指及分支預(yù)測(cè)技術(shù),避免因訪問(wèn)指令的延時(shí)而影響跳轉(zhuǎn)指令的執(zhí)行;
● 最多支持四條指令Cache Line預(yù)取掛起,進(jìn)一步減少了內(nèi)存延時(shí)的影響,從而促進(jìn)指令的順利傳輸;
● 每個(gè)周期內(nèi)可連續(xù)將兩到四條指令發(fā)送到指令解碼,確保充分利用超標(biāo)量流水線性能; 
圖1-3 Cortex-A9 架構(gòu)及單核接口總而言之:ARM處理器最大的優(yōu)勢(shì)就在于體積小、功耗低、價(jià)格低廉,并且還能提供相當(dāng)高的性能,確實(shí)是眾多嵌入式設(shè)備的首選。 ARM處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域: 下面是ARM處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域:
● 工業(yè)控制領(lǐng)域:基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器的大部分市場(chǎng)份額,同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展,Cortex-M系列就是ARM公司推出的典型低功耗、高性?xún)r(jià)比32位工控微控制器,向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn);
● 無(wú)線通訊領(lǐng)域:目前大部分無(wú)線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù),ARM以其高性?xún)r(jià)比和低成本,在該領(lǐng)域的地位日益鞏固;
● 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用:隨著寬帶技術(shù)的推廣,采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),此外,ARM在語(yǔ)音及視頻處理上進(jìn)行了優(yōu)化,并獲得廣泛支持,這也對(duì)DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn);
● 消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品:ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到了廣泛采用;
● 成像和安全產(chǎn)品:現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù),手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù); ARM未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì): 下面對(duì)ARM未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)做一些分析:
● ARM將在上網(wǎng)本市場(chǎng)和Intel一爭(zhēng)高下。盡管Intel用于上網(wǎng)本的ATOM處理器現(xiàn)在占據(jù)上網(wǎng)本近80%的市場(chǎng)份額,但是成本低廉綜合性能也不弱的ARM芯片大有和Intel一較高下的實(shí)力,未來(lái)二者可能平分上網(wǎng)本芯片的市場(chǎng)份額;
● 云計(jì)算時(shí)代亦是ARM的時(shí)代。云計(jì)算時(shí)代,用戶(hù)可以在任意位置,使用各種移動(dòng)終端獲取應(yīng)用服務(wù),計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力將不受本地硬件的限制,一臺(tái)更小尺寸、更輕的上網(wǎng)本或者智能手機(jī)一樣可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)完成我們需要的服務(wù),這時(shí)ARM芯片的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來(lái)了,采用ARM芯片的上網(wǎng)本更加省電輕巧;
● ARM和Linux緊密結(jié)合,整合軟硬件解決方案,打造一整套開(kāi)放平臺(tái),目前已經(jīng)有多款A(yù)RM+Android組合的智能手機(jī)以及ARM+Ubuntu9.04結(jié)合的上網(wǎng)本上市。開(kāi)放式平臺(tái)是嵌入式應(yīng)用的未來(lái),ARM結(jié)合自身的生態(tài)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì),很有可能成為這個(gè)平臺(tái)的主導(dǎo)者;
● ARM架構(gòu)進(jìn)軍服務(wù)器市場(chǎng)。盡管現(xiàn)在ARM架構(gòu)應(yīng)用在服務(wù)器領(lǐng)域還存在一些不足,但是ARM低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)還是得到很多服務(wù)器廠商的青睞,并且2009年Dell已經(jīng)推出了基于威盛Nano芯片的低功耗XS11-VX8服務(wù)器,其體積相當(dāng)于一塊3.5英寸的硬盤(pán),而且在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)2U機(jī)箱內(nèi)放置12臺(tái)這樣的服務(wù)器,單服務(wù)器的滿(mǎn)載功耗在30瓦以?xún)?nèi),并在近兩年內(nèi)出貨5000多套類(lèi)似的系統(tǒng)。而ARM的官方站點(diǎn)使用的就是基于Marvell MV78100 SOC的ARM服務(wù)器,相信ARM將來(lái)會(huì)逐步占據(jù)服務(wù)器市場(chǎng)的一定份額;
● ARM將在低端微控制器市場(chǎng)逐步取代傳統(tǒng)的8位/16位單片機(jī)。ARM的Coretex-M系列是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的專(zhuān)門(mén)針對(duì)低端控制應(yīng)用的處理器核,和傳統(tǒng)的單片機(jī)相比,它的處理能力更將而且更具針對(duì)性,并且其價(jià)格還非常低廉。
● ARM下一代處理器核向多內(nèi)核架構(gòu)發(fā)展,以提供更強(qiáng)大的運(yùn)算能力。Cortex-A9處理器就有單核和多核兩個(gè)架構(gòu)。
● ARM內(nèi)核與FPGA結(jié)合為SOPC(System On a Programmable Chip),打造更靈活的嵌入式系統(tǒng)硬件解決方案。FPGA靈活的硬件設(shè)計(jì)與處理器的強(qiáng)大軟件功能有機(jī)地結(jié)合在一起,在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí),SOPC的優(yōu)勢(shì)非常明顯。 二. MIPS MIPS處理器簡(jiǎn)介: MIPS CPU是一種RISC結(jié)構(gòu)的CPU,MIPS起源于一個(gè)學(xué)術(shù)研究項(xiàng)目,該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)小組連同幾個(gè)半導(dǎo)體廠商合伙人希望能制造出芯片并拿到市場(chǎng)上去賣(mài)。結(jié)果是該結(jié)構(gòu)得到了工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)最大范圍的具有影響力的制造商們的支持。從生產(chǎn)專(zhuān)用集成電路核心(ASIC Cores)的廠家(LSI Logic,Toshiba, Philips, NEC)到生產(chǎn)低成本CPU的廠家(NEC, Toshiba,和IDT),從低端64位處理器生產(chǎn)廠家(IDT, NKK, NEC)到高端64位處理器生產(chǎn)廠家(NEC, Toshiba和IDT)。 1984年,MIPS計(jì)算機(jī)公司成立。1992年,SGI收購(gòu)了MIPS計(jì)算機(jī)公司。 1998年,MIPS脫離SGI,成為MIPS技術(shù)公司。MIPS技術(shù)公司是一家設(shè)計(jì)制造高性能、高檔次及嵌入式32位和64位處理器的廠商,在RISC處理器方面占有重要地位。 MIPS公司設(shè)計(jì)RISC處理器始于二十世紀(jì)八十年代初,1986年推出R2000處理器,1988年推R3000處理器,1991年推出第一款64位商用微處器R4000。之后又陸續(xù)推出R8000(于1994年)、R10000(于1996年)和R12000(于1997年)等型號(hào)。 隨后,MIPS公司的戰(zhàn)略發(fā)生變化,把重點(diǎn)放在嵌入式系統(tǒng)。1999年,MIPS公司發(fā)布MIPS32和MIPS64架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),為未來(lái)MIPS處理器的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。新的架構(gòu)集成了所有原來(lái)NIPS指令集,并且增加了許多更強(qiáng)大的功能。MIPS公司陸續(xù)開(kāi)發(fā)了高性能、低功耗的32位處理器內(nèi)核(core)MIPS324Kc與高性能64位處理器內(nèi)核MIPS64 5Kc。2000年,MIPS公司發(fā)布了針對(duì)MIPS32 4Kc的版本以及64位MIPS 64 20Kc處理器內(nèi)核。 注意: MIPS有兩種含義,上文中的MIPS是Microprocessor without Interlocked Pipe Stages的縮寫(xiě),即無(wú)互鎖流水線級(jí)的微處理機(jī),它是一個(gè)科研項(xiàng)目的名稱(chēng);MIPS在計(jì)算機(jī)科學(xué)里還有Million Instructions Per Second,即每秒執(zhí)行百萬(wàn)(條)指令數(shù),是衡量計(jì)算機(jī)速度的一個(gè)重要指標(biāo)。 MIPS的商業(yè)模式: MIPS的商業(yè)模式和ARM相似,也是研發(fā)處理器內(nèi)核,將知識(shí)產(chǎn)權(quán)授權(quán)給其他公司。我們非常熟悉的國(guó)產(chǎn)處理器廠商龍芯就是獲得MIPS32和MIPS64架構(gòu)的授權(quán),借此開(kāi)發(fā)龍芯CPU。 MIPS開(kāi)展授權(quán)模式比ARM要晚,其生態(tài)系統(tǒng)的規(guī)模和完整性都不如ARM,而且很多MIPS的授權(quán)廠商如Broadcom/PMC等都不在處理器核上繼續(xù)投入了,而反觀ARM,除了ARM本身,Qualcomm/Marvel等作為ARM的架構(gòu)授權(quán)者都在積極推動(dòng)處理器內(nèi)核的研發(fā),這一點(diǎn)使MIPS在與ARM的競(jìng)爭(zhēng)中無(wú)法占到優(yōu)勢(shì)。 MIPS處理器的技術(shù)特點(diǎn): MIPS處理器主要有以下技術(shù)特點(diǎn):
● MIPS的設(shè)計(jì)保持純粹的RISC風(fēng)格,其設(shè)計(jì)始終保持簡(jiǎn)潔性,它傾向于把復(fù)雜的工作交給編譯器去做。很多大學(xué)課程都喜歡選擇MIPS體系結(jié)構(gòu)來(lái)講解計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)。MIPS的設(shè)計(jì)還是保持著學(xué)院派的作風(fēng),有一定理想化的色彩,因此到了實(shí)際商用領(lǐng)域,不如ARM這種以RISC為主但是也會(huì)引入一些CISC設(shè)計(jì)思想的處理器更具競(jìng)爭(zhēng)力;
● 占用更小的芯片面積,功耗方面比ARM芯片稍大一些;
● 具有32位和64位兩種架構(gòu)的指令集,而ARM只有32位架構(gòu)的指令集;
● 核內(nèi)包含大量寄存器、指令數(shù)和字符;
● 可視的流水線延遲間隙;
● 多發(fā)射核技術(shù),這種技術(shù)將處理器中的閑置處理單元分割出來(lái)虛擬為另一個(gè)核心,以提高處理單元的利用率,避免了處理單元閑置浪費(fèi);
● MIPS是開(kāi)放式的架構(gòu),用戶(hù)可以在開(kāi)發(fā)的內(nèi)核中加入自己的指令; MIPS處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域: MIPS處理器主要有以下應(yīng)用領(lǐng)域:
● 在數(shù)字電視、數(shù)字機(jī)頂盒、DVD/藍(lán)光播放器、數(shù)碼相機(jī)和寬帶客戶(hù)端等領(lǐng)域MIPS架構(gòu)處理器應(yīng)用比例大約為50%;
● 在家用網(wǎng)絡(luò)方面,大部分寬帶路由器與無(wú)線接入點(diǎn)都采用了MIPS架構(gòu)處理器,MIPS在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)字家庭的組成中已經(jīng)占據(jù)一定的優(yōu)勢(shì);
● MIPS在移動(dòng)/便攜終端領(lǐng)域遠(yuǎn)不如數(shù)字家庭那樣神勇,不過(guò)采用MIPS處理器的索尼PSP的成功說(shuō)明MIPS在這個(gè)領(lǐng)域大有可為,逐漸興起的電子書(shū)也是MIPS在這個(gè)領(lǐng)域的一個(gè)突破口;
● MIPS在服務(wù)器市場(chǎng)也有部分應(yīng)用,許多在業(yè)務(wù)上有前瞻性的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)都考慮或已經(jīng)將MIPS架構(gòu)平臺(tái)大量引入數(shù)據(jù)中心,在靈活滿(mǎn)足需求的同時(shí)降低愈發(fā)夸張的能源及冷卻成本; MIPS處理器面臨的困境: MIPS其實(shí)是一款非常優(yōu)秀的RISC處理器架構(gòu),但是由于一些歷史原因,錯(cuò)過(guò)了一些比較好的發(fā)展機(jī)遇,導(dǎo)致現(xiàn)在的發(fā)展遇到一些困境,主要體現(xiàn)在一下幾個(gè)方面:
● MIPS構(gòu)建的生態(tài)系統(tǒng)遠(yuǎn)不如ARM完善,而且這種現(xiàn)狀在當(dāng)前ARM迅猛發(fā)展的情況下很難有所改觀,在國(guó)內(nèi),我們很少看到關(guān)于MIPS的培訓(xùn)課程,而ARM相關(guān)的培訓(xùn)課程則很多,不過(guò)一些高校會(huì)采用MIPS處理器架構(gòu)來(lái)授課,因?yàn)镸IPS的設(shè)計(jì)是開(kāi)源的;
● MIPS所擅長(zhǎng)的多是一些對(duì)效能要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用戶(hù)體驗(yàn)的領(lǐng)域,這也從側(cè)面反映出該架構(gòu)下長(zhǎng)期缺乏優(yōu)秀的用戶(hù)交互系統(tǒng)的窘境;
● MIPS在中國(guó)市場(chǎng)授權(quán)模式開(kāi)展地較晚,因此在中國(guó)市場(chǎng)的推廣遠(yuǎn)不及ARM;
● MIPS內(nèi)核平臺(tái)的開(kāi)放性不太好,導(dǎo)致目前MIPS開(kāi)發(fā)工具支持不夠廣泛,這時(shí)開(kāi)發(fā)者不愿意看到的,而支持ARM內(nèi)核的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、編譯器、RTOS、軟件仿真器、啟動(dòng)/驅(qū)動(dòng)代碼產(chǎn)品也是層出不窮,可以說(shuō)一條完整的設(shè)計(jì)鏈已經(jīng)形成,進(jìn)入一種良性循環(huán),所以開(kāi)發(fā)者更傾向于使用ARM芯片; MIPS未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì): 下面對(duì)MIPS未來(lái)可能的發(fā)展趨勢(shì)做一些分析:
● MIPS處理器核將向著硬件多線程方向發(fā)展,這與ARM不同,ARM的發(fā)展方向是多核處理器;
● MIPS要尋求壯大自己的生態(tài)系統(tǒng),讓MIPS處理器支持更多操作系統(tǒng),與其合作伙伴打造更加開(kāi)放自由的平臺(tái)。2009年,MIPS加入了開(kāi)放嵌入式軟件基金會(huì)(OESF),這將擴(kuò)大MIPS的影響力,MIPS也成立了Android解決方案中心,目的就是讓更多的廠商采用MIPS+Android的軟硬家架構(gòu)來(lái)開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品;
● MIPS將借助3.5G或者4G的發(fā)展進(jìn)軍無(wú)線通訊領(lǐng)域,考慮到未來(lái)無(wú)線通信協(xié)議與Wi-Fi協(xié)議愈發(fā)相似,在這個(gè)時(shí)機(jī)切入似乎是個(gè)不錯(cuò)的選擇;
● MIPS會(huì)大力布局云時(shí)代,MIPS在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)字家庭的組成中已經(jīng)占有一定的優(yōu)勢(shì),具備了接入云的基礎(chǔ);
● 在服務(wù)器市場(chǎng),MIPS的優(yōu)勢(shì)漸漸體現(xiàn)出來(lái),基于云的應(yīng)用大大增加了對(duì)系統(tǒng)I/O與加解密運(yùn)算能力的要求,而這正是許多MIPS架構(gòu)處理器的強(qiáng)項(xiàng);
● 在工控領(lǐng)域,MIPS可能不會(huì)有什么作為,這一領(lǐng)域還是會(huì)被8位單片機(jī)和ARM低端芯片占據(jù); 三. PowerPC Powerpc簡(jiǎn)介: PowerPC是由蘋(píng)果(Apple)公司和IMB以及早期的Motorola(現(xiàn)在的飛思卡爾半導(dǎo)體)組成的聯(lián)盟(簡(jiǎn)稱(chēng)為AIM)共同設(shè)計(jì)的微處理器架構(gòu),以對(duì)抗在市場(chǎng)上占有壓倒優(yōu)勢(shì)的x86處理器。 PowerPC是一種RISC多發(fā)射體系結(jié)構(gòu)。PowerPC 體系結(jié)構(gòu)規(guī)范(PowerPC Architecture Specification)發(fā)布于 1993 年,它是一個(gè) 64 位規(guī)范 ( 也包含 32 位子集 )。幾乎所有常規(guī)可用的 PowerPC(除了新型號(hào) IBM RS/6000 和所有 IBM pSeries 高端服務(wù)器)都是 32 位的。 PowerPC有著廣泛應(yīng)用,從高端服務(wù)器CPU到嵌入式CPU,Powerpc在全球通信市場(chǎng)上處于無(wú)可爭(zhēng)議的領(lǐng)袖地位。 Powerpc的商業(yè)模式: 在2006年之前,基于PowerPC架構(gòu)的CPU一直都只能由IBM和Motorola公司生產(chǎn),后來(lái)Motorola將其半導(dǎo)體部門(mén)賣(mài)給了飛思卡爾,則變成了由IBM和飛思卡爾生產(chǎn)PowerPC芯片。2006年之后,IBM和飛思卡爾才開(kāi)放了PowerPC的授權(quán),將PowerPC授權(quán)給其他廠商,其授權(quán)模式開(kāi)展的比ARM以及MIPS都要晚的多,PowerPC開(kāi)放授權(quán)之后勢(shì)必會(huì)有更多的廠商加入對(duì)其開(kāi)發(fā)的行列,目前的嵌入式市場(chǎng)反映出來(lái)的趨勢(shì)確實(shí)是PowerPC芯片憑借其出色的性能和高度整合性正在慢慢侵占原先ARM和MIPS占據(jù)主導(dǎo)地位的市場(chǎng),尤其PowerPC在高端嵌入式設(shè)備上的應(yīng)用更有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。 PowerPC在中國(guó)市場(chǎng)也有著不錯(cuò)的表現(xiàn),尤其是飛思卡爾還在西安設(shè)有芯片的研發(fā)中心,相信他們會(huì)大力推廣其PowerPC芯片的應(yīng)用,估計(jì)一些高端嵌入式市場(chǎng)會(huì)向PowerPC傾斜。 Powerpc的技術(shù)特點(diǎn): PowerPC架構(gòu)具有以下特點(diǎn):
● 32 個(gè) integer / float registers 組。32 個(gè)general-purpose registers(GPRS) 存放整型數(shù)據(jù),用于 integer 運(yùn)算指令。32 個(gè)float-pointer registers(FPRS) 存放浮點(diǎn)數(shù)據(jù),用于 float 運(yùn)算指令;
● 指令 load/store 在 GPRS 與 FPRS 之間存取數(shù)據(jù);
● 統(tǒng)一定長(zhǎng)的精簡(jiǎn)指令格式易于實(shí)現(xiàn)超標(biāo)量流行線;
● 最多支持 4 個(gè)operands,運(yùn)算結(jié)果典型存放在 first operand;
● IEEE-754 標(biāo)準(zhǔn)浮點(diǎn)數(shù),單精度(single-float)和雙精度(double-float)指令運(yùn)算;
● PowerPC 架構(gòu)允許實(shí)現(xiàn)某一功能為特定的硬件平臺(tái);
● 用戶(hù)層指令的存取缺省在 caches 執(zhí)行。特殊指令跨越 caches 存。
● 支持 big-endian 和 little-endian 模式;
● 支持 64-bit 地址模式; Powerpc的應(yīng)用領(lǐng)域: PowerPC主要的應(yīng)用領(lǐng)域如下:
● 蘋(píng)果公司生產(chǎn)的筆記本、圖形工作站、臺(tái)式機(jī)等;
● IBM公司生產(chǎn)的服務(wù)器、工作站以及臺(tái)式機(jī)等;
● 用于軍工、工控、通信、消費(fèi)電子以及航天等領(lǐng)域的嵌入式微處理器; Powerpc的技術(shù)優(yōu)勢(shì): PowerPC雖然在嵌入式微處理器市場(chǎng)上的占有率遠(yuǎn)不如ARM,但是它比起ARM、MIPS確實(shí)有很多技術(shù)優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn):
● PowerPC的設(shè)計(jì)側(cè)重于浮點(diǎn)性能和多處理能力,其多媒體處理能力非常強(qiáng)勁;
● 整合度非常高,目前飛思卡爾(Freescale)的Powerpc處理器集成了USB、PCI、DDR控制器、SATA控制器、千兆網(wǎng)口控制器、CAN控制器、RapidIO以及PCI_Express控制器等,客戶(hù)無(wú)須設(shè)計(jì)復(fù)雜的外圍電路,減少設(shè)計(jì)復(fù)雜程度以及物料使用;
● 在硬件上實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議(Ethernet, ATM, IPsec, security, HW acceleration); 綜上所述,PowerPc的高性能確實(shí)是很多高端嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的首選,當(dāng)然PowerPC芯片的價(jià)格較高,功耗也比ARM要大,所以手機(jī)上從來(lái)不用PowerPC的芯片,軟件對(duì)PowerPC的支持也略顯不夠。 四. DSP DSP簡(jiǎn)介 DSP是微處理器的一種,這種微處理器具有極高的速度。因?yàn)檫@種處理器的應(yīng)用場(chǎng)合要求極高的實(shí)時(shí)性。比如通過(guò)移動(dòng)電話進(jìn)行通話,如果處理速度不快就只能等待對(duì)方停止說(shuō)話,這一方才能通話,如果雙方同時(shí)通話,因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理速度不夠快,就只能關(guān)閉信號(hào)連接。 信號(hào)處理的各種運(yùn)算最基本就是乘法和累加運(yùn)算,其運(yùn)算量非常大,這就決定了數(shù)字信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)的特點(diǎn)。 DSP處理器對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),使其適于執(zhí)行DSP算法,編譯效率高,指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、卷積、FFT、譜分析等方面有著廣泛應(yīng)用。 DSP處理器又分為通用DSP芯片和專(zhuān)用DSP芯片。 DSP的分類(lèi): DSP按照其設(shè)計(jì)模式可以分為通用DSP芯片和專(zhuān)用DSP芯片: ● 通用DSP芯片: 通用DSP主要指目前基于CPU架構(gòu)的、通過(guò)軟件指令方式完成DSP算法的DSP器件。早期的DSP處理器只有一個(gè)乘法器,而現(xiàn)在的DSP處理器(如Ti的TMS320C6000系列),包含有8個(gè)乘法器。通用DSP處理器的主要優(yōu)勢(shì)是具有良好的通用性和一定的靈活性,有適用于實(shí)現(xiàn)各種DSP算法的通用硬件結(jié)構(gòu)和一些特殊的尋址方式。片內(nèi)Cache容量大,片內(nèi)RAM大,基本上數(shù)據(jù)都放在片內(nèi)RAM就可以了,不需要片外再接RAM,DSP芯片里面集成的外設(shè)少,不像ARM那么多,所以它不適于做控制。 ● 專(zhuān)用DSP芯片: 專(zhuān)用DSP芯片直接通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號(hào)處理的算法,如FFT、數(shù)字濾波、卷積、光譜分析等相關(guān)算法,速度非?欤m用于哪些對(duì)速度有著苛刻要求的場(chǎng)合,尤其是軍工領(lǐng)域,當(dāng)然這樣的芯片造價(jià)很高,而且不具有可編程性。 DSP按照所支持的數(shù)據(jù)格式可分為: ● 定點(diǎn)DSP處理器: 使用小數(shù)點(diǎn)位置固定的有符號(hào)數(shù)或者無(wú)符號(hào)數(shù)。定點(diǎn)器件在硬件結(jié)構(gòu)上比浮點(diǎn)器件簡(jiǎn)單,價(jià)格低,速度快; ● 浮點(diǎn)DSP處理器: 使用帶有指數(shù)的小數(shù),小數(shù)點(diǎn)位置隨具體數(shù)據(jù)不同進(jìn)行浮動(dòng),浮點(diǎn)器件精度高,但成本、功耗相對(duì)較高,速度相對(duì)定點(diǎn)要慢; DSP的技術(shù)特點(diǎn): DSP由于其專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字信號(hào)處理,因此具有如下技術(shù)特點(diǎn):
● 芯片內(nèi)包含多個(gè)乘法器;
● 支持專(zhuān)門(mén)的尋址模式,如模塊(循環(huán))尋址(對(duì)實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波器延時(shí)線很有用)、位倒序?qū)ぶ罚▽?duì)快速傅立葉變換很有用);
● 片內(nèi)Cache大,有些還具有多級(jí)Cache,片內(nèi)RAM大;
● 單周期可以處理多條乘加操作,即單指令多數(shù)據(jù)(SIMD); DSP的應(yīng)用領(lǐng)域: ● 通用信號(hào)處理(卷積、濾波、FFT);
● 圖形圖像處理;
● 語(yǔ)言語(yǔ)音處理;
● 儀表儀器(頻譜分析,數(shù)字濾波、地震處理等);
● 自動(dòng)控制;
● 醫(yī)療儀器;
● 國(guó)防軍事(導(dǎo)航及制導(dǎo),雷達(dá)監(jiān)測(cè),雷達(dá)信號(hào)處理,聲納信號(hào)處理,保密通信);
● 移動(dòng)通信;
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