嵌入式系統的發展特點及架構分析

嵌入式系統已經廣泛地應用到當今各個領域，與我們的生活息息相關，小到掌上的數字產品，大到汽車、航天飛機。提到嵌入式系統我們很快會聯想到單片機，不錯，MCU是最基礎和常用的嵌入式系統，但是目前像FPGA、ARM、DSP、MIPS等其他嵌入式系統應用越來越廣泛。嵌入式系統與模擬電路或其他功能電路組成的SoC（System on Chip,片上系統）或SiP（System in Package，系統級封裝）在手機、機頂盒等功能復雜的產品上的應用也越來越多。

總的來說，嵌入式系統發展呈現如下特點： ·由8位處理向32位過渡 ·由單核向多核過渡 ·向網絡化功能發展 ·MCU、FPGA、ARM、DSP等齊頭并進 ·嵌入式操作系統呈多元化趨勢所有的嵌入式處理器都是基于一定的架構的，即IP核（Intellectual Property，知識產權），生產處理器的廠家很多，但擁有IP核的屈指可數。有自己的IP核，光靠賣IP核即可坐擁城池。嵌入式系統的架構有專有架構和標準架構之分，在MCU（微控制器）產品上，像瑞薩（Renesas）、飛思卡爾（Freescale）、NEC都擁有自己得專有IP核，而其他嵌入式處理器都是基于標準架構。

標準的嵌入式系統架構有兩大體系，目前占主要地位的是所謂RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機）處理器。RISC體系的陣營非常廣泛，從ARM、MIPS、PowerPC、ARC、Tensilica等等，都是屬于RISC處理器的范疇。不過這些處理器雖然同樣是屬于RISC體系，但是在指令集設計與處理單元的結構上都各有不同，因此彼此完全不能兼容，在特定平臺上所開發的軟件無法直接為另一硬件平臺所用，而必須經過重新編譯。

其次是CISC（Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機）處理器體系，我們所熟知的Intel的X86處理器就屬于CISC體系，CISC體系其實是非常低效率的體系，其指令集結構上背負了太多包袱，貪大求全，導致芯片結構的復雜度被極大的提升。過去被應用在嵌入式系統的X86處理器，多為舊世代的產品，比如說，工業計算機中仍可常見數年前早已退出個人計算機市場的Pentium3處理器。由于此世代的產品效能與功耗比可以說是過去X86體系的甜蜜點，加上已經被市場長久驗證，穩定性高，故常被應用于效能需求不高，但穩定性要求高的應用中，如工控設備等產品。

1、RISC家族之ARM處理器 ARM 公司于1991年成立于英國劍橋，主要出售芯片設計技術的授權。目前，采用ARM技術智能財產（IP）核心的處理器，即我們通常所說的ARM處理器，已遍及工業控制、消費類電子產品、通信系統、網絡系統、無線系統等各類產品市場，基于ARM技術的處理器應用約占據了32位RISC微處理器75％以上的市場，ARM技術不止逐步滲入到我們生活的各個方面，我們甚至可以說，ARM于人類的生活環境中，已經是不可或缺的一環。

目前市面上常見的ARM處理器架構，可分為ARM7、ARM9以及ARM11，新推出的Cortex系列尚在進行開發驗證，市面上還未有相關產品推出。ARM也是嵌入式處理器中首先推出多核心架構的廠商。ARM 首個多核心架構為ARM11 MPCore，架構于原先的ARM11處理器核心之上。ARM11核心是發布于2002年10月份，為了進一步提升效能，其管線長度擴展到8階，處理單元則增加為預取、譯碼、發送、轉換/MAC1、執行/MAC2、內存存取/MAC3和寫入等八個單元，體系上屬于 ARM V6指令集架構。ARM11采用當時最先進的0.13μm制造制程，運行頻率最高可達500到700MHz。如果采用90nm制程，ARM11核心的工作頻率能夠輕松達到1GHz以上—對于嵌入式處理器來說，這顯然是個相當驚人的程度，不過顯然1GHz在ARM11體系中不算是個均衡的設定，因此幾乎沒有廠商推出達到1GHz的ARM11架構處理器。

ARM11的邏輯核心也經過大量的改進，其中最重要的當屬“靜/動態組合轉換的預測功能”。ARM11的執行單元包含一個64位、4種狀態的地址轉換緩沖，它主要用來儲存最近使用過的轉換地址。當采用動態轉換預測機制而無法在尋址緩沖內找到正確的地址時，靜態轉換預測功能就會立刻接替它的位置。在實際測試中，單純采用動態預測的準確率為88%，單純采用靜態預測機制的準確率只有77%，而ARM11的靜/動態預測組合機制可實現92%的高準確率。針對高時脈速度帶來功耗增加的問題，ARM11采用一項名為“IEM （Intelligent Energy Manager）”的智能電源管理技術，該技術可根據任務負荷情況動態調節處理器的電壓，進而有效降低自身的功耗。這一系列改進讓ARM11的功耗效能比得以繼續提高，平均每MHz只需消耗0.6mW（有快取時為0.8mW）的電力，處理器的最高效能可達到 660 Dhrystone MIPS，遠超過上一代產品。至于ARM11 MPCore，其在架構上與ARM11同樣屬于 V6指令體系。根據不同應用的需要，MPCore可以被配置為1-4個處理器的組合方式，根據官方資料，其最高性能約可達到 2600 Dhrystone MIPS的程度。MPCore是標準的同質多核心處理器，組成MPCore的是4個基于ARM11架構的處理器核心，由于多核心設計的優點是在頻率不變的情況下讓處理器的性能獲得明顯提升，因此可望在多任務應用中擁有良好的表現，這一點很適合未來家庭消費電子的需要。例如，機頂盒在錄制多個頻道電視節目的同時，還可通過互聯網收看數字視頻點播節目、車內導航系統在提供導航功能的同時，仍然有余力可以向后座乘客播放各類視頻碼流等。

2、RISC家族之MIPS處理器 MIPS是美國歷史悠久的RISC處理器體系，其架構的設計，也如美國人的性格一般，相當的大氣且理想化。MIPS架構起源，可追溯到1980年代，斯坦福大學和伯克利大學同時開始RISC架構處理器的研究。 MIPS公司成立于1984年，隨后在 1986年推出第一款R2000處理器，在1992年時被SGI所并購，但隨著MIPS架構在桌面市場的失守，后來在1998年脫離了SGI，成為MIPS技術公司，并且在1999年重新制定公司策略，將市場目標導向嵌入式系統，并且統一旗下處理器架構，區分為 32-bit以及64-bit兩大家族，以技術授權成為主要營利模式。

MIPS除了在手機中應用得比例極小外，其在一般數字消費性、網絡語音、個人娛樂、通訊、與商務應用市場有著相當不錯的成績，不過近年來因為其它IP授權公司的興起，其占有比率稍有衰退。MIPS應用最為廣泛的應屬家庭視聽電器（包含機頂盒）、網通產品以及汽車電子方面。對于MIPS，其核心技術強調的是多執行緒處理能力（Multiple issue,國內也通常稱作多發射核技術，以下以此稱謂）。一般來說，多核心與多發射是兩個并不是互斥的體系，可以彼此結合，然而在嵌入式領域，ARM與MIPS這兩大處理器IP廠商對這兩個架構的態度不同，造成這兩個架構在嵌入式市場上對抗的結果。

MIPS 的多發射體系為MIPS34K系列，此為32位架構處理器，從架構上來看，其實多發射核技術只是為了盡量避免處理單元閑置浪費而為的折衷手段，就是將處理器中的閑置處理單元，分割出來虛擬為另一個核心，以提高處理單元的利用率。在技術上，為了實現硬件多重處理，多核心與多發射兩者對于軟件最佳化的復雜度方面同樣都比單核心架構來得復雜許多。 34K核心能執行現有的對稱式二路SMP操作系統（OSes）與應用軟件，通過操作系統的主動管理，現有的應用軟件也能善用多發射處理能力。它亦能應用在多個執行線程各自有不同角色的（AMP或非對稱式多重處理）環境下。此外，34K核心能設定一或兩個虛擬處理組件（VPE）以及多至5個線程內容（Thread Content），提供相當高的設計彈性。MIPS的多發射在任務切換時，有多余的硬件緩存器可以記錄執行狀態，避免切換任務時，因為必須重新加載指令，或者是重新執行某部分的工作，造成整個執行線程的延遲。不過即便能夠達到同時執行多個任務的能力，多發射處理器本質上仍然是單核心處理器，在單一執行緒面臨高負載時，其它執行緒的處理時間就有可能會被壓縮，甚至被暫停。而不同執行緒在執行的過程中，諸如內存鎖定、解鎖以及同步等處理過程在多發射體系上也會發生，因此在極端情況下，多發射的性能是明顯比不上原生多核心架構的（以兩個執行緒對兩個核心的比較而言）。不過多發射體系的優點在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設計公司也推出了基于MIPS架構的平行架構多核心，形成兼具多核與多發射的應用架構，相信在未來這種體系將會納入MIPS的原生架構當中，以應付更復雜的應用。