新一代嵌入式計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)
嵌入于宿主設(shè)備,智能地完成宿主設(shè)備功能的計(jì)算機(jī)就是嵌入式計(jì)算機(jī),或簡稱為嵌入式。嵌入式計(jì)算機(jī)的構(gòu)成：可以是單片的微控制器(MC-micro-controller),在我國習(xí)慣于稱做單片機(jī);也可以是由微處理器（MP-microprocessor)另加存儲器及外部設(shè)備構(gòu)成;還可以在MC/MP的基礎(chǔ)上附加數(shù)字信號處理器(DSP)核心部件,構(gòu)成多核MP/MC。
盡管嵌入式一詞,80年代中期由Intel公司率先使用,但如今,嵌入式一詞叫得更加響亮。然而,盡管嵌入式與宿主的服務(wù)關(guān)系依然未變,但嵌入式的構(gòu)成卻發(fā)生了巨大的變化。當(dāng)年嵌入式的構(gòu)成確實(shí)主要指的是4/8/16位的微控制器(MC),而今所言嵌入式,就其構(gòu)成來說,主要討論的是嶄新一代由RISC與DSP雙核復(fù)合而成的32位微處理器形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
新一代嵌入式計(jì)算機(jī)的主要特征：是繼承了整個PC機(jī)時期的技術(shù)成就,特別是進(jìn)入90年代后的全球萬維網(wǎng)(Web)技術(shù)(產(chǎn)品有可接入萬維網(wǎng)的手持式PDA設(shè)備等)和多媒體技術(shù)(產(chǎn)品有高質(zhì)量數(shù)字音響、數(shù)字視盤播放器,數(shù)碼靜態(tài)相機(jī)、數(shù)碼視頻攝像機(jī)等等）。這類嵌入式的目標(biāo)是想把桌面PC機(jī)上成熟的技術(shù)拆解下來,放入手持設(shè)備或移動設(shè)備,供用戶隨時隨地進(jìn)行消費(fèi)。全球網(wǎng)中行之有效的眾多通信協(xié)議,多媒體的MP3、JPEG、MPEG等所采用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式及各種庫函數(shù)都使用32位格式和32位的編程軟件,所以嵌入式也注定要使用32位的微處理器。
為順應(yīng)形勢發(fā)展的需要,32位手持設(shè)備用的嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,著名的有Windows CE、Epoch、 Palm OS等等,可見今日嵌入式的立點(diǎn)水平是很高的。
新一代嵌入式主要面向手持或移動消費(fèi)類設(shè)備,電池供電和低價位是重要考慮因素,這就從根本上決定了它不可能照搬PC機(jī)上原來使用的微處理器。下面先介紹嵌入式32位微處理器的技術(shù)進(jìn)步,然后再舉一些新型嵌入式微處理器的實(shí)例,使讀者對新一代嵌入式有一個較清晰的認(rèn)識。
MP是計(jì)算機(jī)的核心部分,任務(wù)是去存儲器中取指令數(shù)據(jù),然后分解指令并對指定的操作數(shù)進(jìn)行處理。為此,需要有獲取和分解指令的邏輯控制部分,執(zhí)行指令的算術(shù)邏輯單元(ALU),以及暫時為ALU運(yùn)算方便存放中間結(jié)果的通用寄存器。
總的說來,MP的能力取決于：指令集的操作能力;指令的位寬（每條指令涵蓋信息量的位數(shù),4/8/16/32/64位等）;每秒執(zhí)行指令CISC結(jié)構(gòu)的MP,不同的指令執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)是不同的,RISC結(jié)構(gòu)的MP所有指令都只用一個時鐘周期,而且每秒鐘都能執(zhí)行百萬條指令以上,故而常以MIPS(每秒百萬條指令)為單位來體現(xiàn)時鐘的速度。
MC實(shí)際上是對通用MP功能加以某些限制,使其具有某些專門用途的配套計(jì)算機(jī)。MC有以下特點(diǎn)：
·I/O接口寄存器化,常叫做特殊功能寄存器(SFR),通過對SFR的編程可以提高使用外部設(shè)備的靈活性和簡化對外部設(shè)備的操作;
·通用寄存器累加器化,緩解累加器的瓶頸問題,簡化編程,提高處理速度;
·片內(nèi)RAM與通用寄存器及SFR統(tǒng)一編程,統(tǒng)一訪問指令的結(jié)構(gòu),簡化編程;
·通用寄存器多組化,優(yōu)化中斷對現(xiàn)場的保護(hù),縮短中斷響應(yīng)時間。
總之,MP面向通用,對研發(fā)和拓展功能有利;MC則面向?qū)Ｓ?對批量的生產(chǎn)有利�，F(xiàn)階段新一代嵌入式處于研發(fā)創(chuàng)新階段,所以,主要使用32位的MP,而不是MC。
MP有兩種結(jié)構(gòu),RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī)）是相對于早已存在的CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）而言。手持設(shè)備的算術(shù)邏輯運(yùn)算比桌面PC要求低,復(fù)雜程度也較小,一般多采用RISC結(jié)構(gòu)的MP。
RISC的特點(diǎn)是：
·采用Load/store指令模式,凡數(shù)據(jù)由外存到內(nèi)存、內(nèi)存到寄存器方向的流動統(tǒng)一用Load指令,而對于反方向的操作,都用store;
