1.2 嵌入式系统硬件

嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备4个特点：

① 对实时和多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度；

② 具有功能很强的存储区保护功能，这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断；

③ 可扩展的处理器结构，以便能够迅速地扩展满足应用的高性能的嵌入式微处理器；

④ 嵌入式微处理器的功耗要求必须很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备，对于靠电池供电的嵌入式系统更是如此，功耗往往为mW甚至µW级。

1.2.1 嵌入式微处理器

微处理器是一个集中取址和处理一组通用指令的单元。任何一个CPU必须包括一个控制单元和一个ALU单元。而嵌入式微处理器采用的是“增强型”通用微处理器。由于嵌入式系统通常应用于条件比较恶劣的环境中，因而嵌入式微处理器在工作温度、电磁兼容性以及可靠性等方面的要求较通用的标准微处理器高。根据实际嵌入式应用要求，将嵌入式微处理器装配在专门设计的电路板（Printed Circuit Board，PCB）上，只保留和嵌入式应用有关的应用功能，这样可以大幅度地减小系统的体积和功耗。

和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器组成的系统具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等一系列优点，但在其PCB上必须包括ROM、RAM、总线接口、必要的外设等器件。由嵌入式微处理器及其存储器、总线、外设等器件安装在一块PCB上而构成的系统，就是通常所说的单板机系统。嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM、DSP系列等。

1.2.2 嵌入式微控制器

嵌入式微控制器又称为单片机，它将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM等各种必要功能部件和外设。为适应不同的应用需求，对功能的设置和外设的配置进行必要的修改和裁减定制，使得一个系列的单片机具有多种衍生产品，每种衍生产品的处理器内核都相同，主要的不同在于存储器、外设的配置和功能的设置等方面。这样可以使单片机最大限度地和应用需求相匹配，从而降低整个系统的功耗和成本。

和嵌入式微处理器相比，微控制器的单片化使应用系统的体积大大减小，从而使功耗和成本大幅度下降，可靠性得到提高。由于嵌入式微控制器目前在产品的品种和数量上是所有嵌入式处理器中最多的，而且上述诸多优点决定了微控制器是嵌入式系统应用的主流，目前MCU占到嵌入式系统市场绝大多数的份额。微控制器的片上外设资源比较丰富，适合于控制。通常，嵌入式微控制器可分为通用和半通用两类，比较有代表性的通用系列包括S08/S12、8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、68000等，而比较有代表性的半通用系列，通常支持USB接口；支持SPI、I2C、CAN总线；支持LCD模块等众多专用的MCU和兼容系列。

1.2.3 嵌入式DSP处理器

在数字信号处理应用中，各种数字信号处理算法往往相当复杂，一般结构的处理器无法实时地完成这些运算功能。由于DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊的设计，使其特别适合进行实时数字信号处理。在数字滤波、FFT（快速傅里叶变换）、谱分析等方面，DSP算法正大量进入嵌入式领域，DSP应用正逐步从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两类：① DSP处理器经过单片化、EMC（电磁兼容性）改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；② 在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon的TriCore系列等。另外，在有关智能方面的应用中，也需要嵌入式DSP处理器，例如各种带有智能逻辑的消费类产品、生物信息识别终端、带有加解密算法的键盘、非对称数字用户线路（Asymmetrical Digital Subscriber Line，ADSL）接入、实时语音压解系统、虚拟现实显示等各类应用。这类智能化算法一般都是运算量较大，特别是向量运算、指针线性寻址等较多，而这些正是DSP处理器的优势所在。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TI的TMS320系列和Freescale的DSP56000系列等。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列等。DSP56000目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300等多种不同系列的DSP处理器。

1.2.4 嵌入式片上系统

随着电子设计自动化（Electronic Design Automation，EDA）的推广和大规模集成电路（Large Scale Integrated Circuit，VLSI）设计的普及化，以及半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上集成实现更为复杂的系统，这就产生了SOC技术。各种通用处理器内核可以作为SOC设计公司的标准库，而嵌入式系统外设也成为了VLSI设计中的标准器件，可以通过标准的VHDL、Verilog等硬件语言描述保存在器件库中，供用户设计选择使用。用户根据需求定义应用系统，通过开发工具仿真、调试、验证设计出的应用系统后，就可以将设计文档等资料提交给半导体工厂制作样品。这样除某些无法集成的功能器件以外，整个嵌入式系统功能模块的实现均可集成到一块或几块芯片中，应用系统PCB设计将变得越来越简洁，这对于减小整个应用系统的体积和功耗、提高可靠性等方面都非常有利。