1.2 嵌入式微处理器

嵌入式计算机技术的应用已影响到我们生活的方方面面，几乎无处不在，在移动电话、家用电器、汽车等无不有它的踪影。嵌入式技术将使日常使用的设备具有智能，变得聪明。在一些发达国家，人均占有32位嵌入式微控制器的数量已超过15个。

1.2.1 嵌入式微处理器组成

微处理器是整个系统的核心，通常由3大部分组成：控制单元、算术逻辑单元和寄存器，如图1.1所示。

1．控制单元

主要负责取指、译码和取操作数等基本动作，并发送主要的控制指令。控制单元中包括两个重要的寄存器：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）。程序计数器用于记录下一条程序指令在内存中的位置，以便控制单元能到正确的内存位置取指；指令寄存器负责存放被控制单元所取的指令，通过译码，产生必要的控制信号送到算术逻辑单元进行相关的数据处理工作。

2．算术逻辑单元

算术逻辑单元分为两部分，一部分是算术运算单元，主要处理数值型的数据，进行数学运算，如加、减、乘、除或数值的比较；另一部分是逻辑运算单元，主要处理逻辑运算工作，如AND、OR、XOR或NOT等运算。

3．寄存器

用于存储暂时性的数据。主要是将从存储器中所得到的数据送到算术逻辑单元中进行处理，然后将算术逻辑单元中处理好的数据再进行算术逻辑运行或存入到存储器中。

1.2.2 嵌入式微处理器分类

嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处理器的品种已达到至少100个系列1200多种机型，流行体系结构有30多个系列，其中8051体系的占有一半。根据其现状，嵌入式计算机技术的应用按照所使用处理器的不同可分为：

1．嵌入式微处理器系统EMPU

在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的要求，嵌入式微处理器和标准微处理器虽然在功能上基本一致，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面有所增强。

2．嵌入式微控制器系统MCU

嵌入式微控制器又称单片机。一个系列的嵌入式微控制器具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都是一样的，不同的是存储器和外设的配置及封装。这样可以使嵌入式微控制器最大限度地和应用需求相匹配，功能不多不少，从而减少功耗和成本。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，从而使体积减小，功耗和成本下降，可靠性提高，片内资源一般比较丰富，只要外部配上适当的外围器件就可以构成各种控制系统及设备，是目前嵌入式系统工业的主流。

3．嵌入式处理器系统DSP

嵌入式DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域。

4．嵌入式片上系统SoC

随着EDI的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是SoC。

微处理器和嵌入式微控制器已成为现代电子系统的必备部件。高技术电子产品的竞争往往就集中在对微处理器和嵌入式控制器的应用上，而产品性能在很大程度上就取决于微处理器和嵌入式控制器的设计应用水平上。

通常谈到嵌入式系统所执行的硬件平台，都会以CPU种类来论，提到CPU就会联想到PC，但事实上CPU的应用领域、范围及采用的数量都远远超过PC的范畴。以数量上来看x86的CPU，包含Intel及AMD公司所生产的PC机的CPU，加起来也抵不过其他种类CPU总消耗量的0.1%，其中应用数量最大的是在嵌入式系统。数量之大说明了嵌入式系统应用的范围之广，这也意味着没有什么所谓典型的嵌入式系统应用。

1.2.3 嵌入式微处理器系统架构

一般用于嵌入式微处理器系统的CPU有以下几种架构。

1. x86架构

这里指的x86系列CPU是针对嵌入式系统，所以并不是每天都接触到的Intel Pentium系列或AMD公司的Athlon CPU，而是如美国国家半导体公司的Geode系列CPU。

相对于一般PC而言，嵌入式的x86架构CPU并不需要那么强大的运算功能，因为嵌入式系统的硬件需求较低，且目前这类的CPU主要用于机顶盒上。

2. ARM架构

ARM是Advanced RISC Machines Limited的英文缩写，目前世界上前五大半导体公司全部使用了ARM的技术授权，而前十大半导体公司有9家使用。ARM系列CPU中最常见的是Intel公司的StrongArm系列和Samsung公司的ARM系列。ARM架构现阶段被广泛应用在掌上电脑中，如惠普iPAQ系列掌上电脑。

3. MIPS架构

MIPS系列CPU中以NEC公司生产的NEC VR系列最出名，采用NEC VR系列CPU的有CASIO的CASIO Cassiopeia E-115等。

4. PowerPC架构

PowerPC系列CPU中当推Palm所采用的Motorola公司的Dragon Ball系列CPU, Palm的兼容机种应该是大家最耳熟能详的，如Palm V系列、m系列，Handspring的Visor系列，还有令人惊艳的Sony CLIE PEG系列等。

5．其他

其他还有一些功能比较简单的芯片，如m68k、8051等。这类芯片比较常用在工业工程中，如机械手臂控制。

ARM主要用在手机等便携式设备领域，MIPS主要用在住宅网关、线缆调制解调器、线缆机顶盒等领域。ARM采用硬核授权；MIPS采用软核授权，用户可以自己配置，做自己的产品。未来发展中，ARM的下一代走向多内核结构，而MIPS公司的下一代核心则转向硬件多线程功能。