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嵌入式处理器设计技术的发展

从嵌入式处理器来看,从最初的4位处理器,目前仍在大规模应用的8位单片机,到日益受到广泛青睐的32位MCU,以及更高性能的64位嵌入式处理器,目前具有嵌入式功能特点的处理器已逾千种,数十种常用的体系架构。广阔的市场应用前景吸引了大量的半导体公司参与竞争,其中从ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因为结合了MCU和DSP优势而近年来异军突起的汇聚式处理器,处理器速度越来越快、性能越来越强,而功耗和价格却越来越低。目前。丰富的嵌入式处理器已经广泛应用到从国防、工业、汽车到医疗设备和消费电子等几乎所有的行业和领域。
    汇聚式处理器解决嵌入式设计技术挑战
    尽管嵌入式设计经过数十年的发展,在核心处理器硬件平台、嵌入式操作系统和开发工具上已经有广泛的选择,然而随着市场竞争加剧、系统日益复杂化,目标应用对系统的功能、性能、成本的要求也日趋苛刻。工程师所面临的设计挑战似乎并没有随着半导体技术的发展降低,甚至日益增高,工程师在进行方案选择时必须正确评估应用面临的挑战。
    处理能力要求越来越高。系统本身的复杂功能、友好的界面设计要求、各种接口和通信需求都需要占用大量的MIPS处理能力,单一的传统MCU或ASIC很多时候难以满足系统高处理能力的需求,双芯片甚至三芯片解决方案日益增多,但随之而来的高设计复杂性、功耗和BOM(材料清单)成本让方案缺乏竞争性。此外,当前嵌入式系统设计,特别是一些新产品和功能复杂的嵌入式产品设计,要在设计周期很有限的条件下完全从零开始实现设计已经变得不现实,也不具成本效益。因此,是否能提供完善的开发工具套件、必要的软件模块、成熟的参考设计、系统设计支持,以及是否有完整的设计生态系统等,对于是否能按期高质量地完成系统设计非常关键。
    标准的多样性和不确定性带来产品升级换代的顾虑。当前在各个行业都面临一些创新型应用,例如智能电表和智能视频监控等,这些应用都具有一定开创性,目前没有或尚未形成行业统一的标准,如何在保证抢占市场窗口期的先机,同时确保当前的设计满足未来变化的市场和技术需求,必须考虑方案的可扩展性和性能裕量。
    低功耗的要求日益苛刻。处理器性能要求越来越高,而系统功耗要求越来越低,这几乎形成一对矛盾。然而,实际设计过程中,工程师不得不面对这种近乎矛盾的需求。随着半导体工艺技术、嵌入式处理器架构优化以及设计技术的改进,低功耗设计技术日新月异,电压、工作频率自适应调整技术、多工作模式的节能技术、数字电源管理技术,以及低功耗的最新半导体工艺技术应用层出不穷。在众多方案中选择满足设计功率预算要求的系统方案也是系统设计成功的关键因素之一。
    选择具有广泛嵌入式系统支持能力的解决方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系统众多,pcb抄板各具优势,硬件平台方案对这些操作系统的支持能力是进行方案选型的考虑要点之一。
    以MCU或ASIC为核心器件的硬件平台方案在解决上述嵌入式系统设计要求上正面临挑战,有限的处理能力通常难以满足很多应用的高处理能力需求,或者缺乏进行功能扩展和产品升级换代的设计灵活性,某些设计为了满足系统的处理能力要求而增加DSP或协处理器,从而增加系统的复杂性、功耗和成本。
    结合MCU和DSP性能优势的汇聚式处理器是有效解决上述设计挑战的方案之一,而ADI公司Blackfin处理器是目前市面上唯一的汇聚式处理器产品。汇聚式处理器典型应用有电力应用的智能电表,安防应用的视频监控,医疗设备的便携式房颤监测仪,工业应用的3DLevelScanner三维曲面测量仪等。
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