陈慈发2008年春夏3．1硬件子系统的组成3．2嵌入式处理器的技术指标3．3典型的嵌入式处理器3．4嵌入式处理器的选择3．5嵌入式处理器子系统的设计原则一个嵌入式系统产品包括硬件子系统和软件子系统，其中硬件子系统包括嵌入式处理器、存储器、可编程I/O系统以及外部设备驱动接口。嵌入式系统上的处理器单元称为嵌入式处理器。处理器单元的种类很多，包括嵌入式处理器、嵌入式微控制器、数字信号处理器、可编程器件及其组合。嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心，种类非常多，不同行业、不同产品往往使用不同种类和体系的嵌入式处理器。因此，嵌入式系统的硬件设计比较复杂，而时间要求又比较高。嵌入式系统的设计人员首先应满足客户的需求，即用户需要什么就设计什么，需要什么产品就设计什么产品，而不是熟悉什么，就使用什么处理器。选择嵌入式处理器是一个棘手的工作，要从数百种处理器中遴选出最优的用于硬件设计并不容易。错误的选择往往带来巨大的经济损失。嵌入式处理器不论功能如何复杂和不同，也具有共性：内核；地址总线；数据总线；控制总线；辅助支持电路，如时钟、复位电路等；片上I/O接口电路。有的嵌入式处理器上集成了存储器和I/O接口设备，不需要扩展，因此没有三总线扩展接口。3．1硬件子系统的组成——优点：计算机内核成本低；省掉了嵌入式计算机设计的成本；可靠性较高，通用计算机制造技术成熟；易于升级，通过更换通用计算机和升级软件实现；开发成本低。——缺点：体积比较大；软件保护困难。——适合应用于医疗设备、自动控制设备等，俗称工控机。另一种嵌入通用计算机型的嵌入式系统是单板计算机，典型的是PC104模块。PC104模块有两种形式，一是传统PC104，采用ISA总线，二是PC104plus，采用PCI总线，外形尺寸不同。PC104模块采用层叠式连接。功能齐全的PC104模块能集成CPU、存储器、以太网、键盘、串口、并口等，并可任意添加各种功能的PC104接口板，是一个全功能的通用计算机。设计时，只需要考虑外部设备接口和驱动单元，很容易构成嵌入式系统产品。软件开发可基于相同配置的台式计算机的开发工具和方法，也可购置专用开发装置。优点是成本低、体积小、开发方便、硬件开发周期短；缺点主要是处理能力低于桌面计算机；原因包括体积、功耗、散热等因素。3．1．1．2嵌入专用计算机型不采用通用计算机的设计，而是根据嵌入式系统产品的特殊需要，完全量身定制嵌入式系统。通用计算机往往存在资源浪费的情况。设计基于专用计算机的嵌入式系统的原则是，凡是系统不使用的部件一律去掉，一方面节省电路板的面积和电子元器件，另一方面降低成本，提高可靠性。专用计算机型嵌入式系统可以做到体积、功耗、成本等多方面的综合优化。在产品数量很大时，通常采用专用计算机型嵌入式系统。基于专用计算机型的嵌入式系统目前应用最多，如大多数随身设备、家用电器、自动控制装置等。3．1．1．3如何决定嵌入方式无固定标准，主要考虑行业用法、开发成本、产品的预计销售量等因素。总的原则是，如果产品的预计销售量很大，应采用专用计算机型设计；反之，应采用通用计算机型，至于是采用工控机还是单板机或PC104，应根据具体应用情况决定。3．1．2硬件子系统总体结构嵌入式系统硬件的设计围绕嵌入式处理器进行。嵌入式处理器接收各种外部设备的输入并完成计算和处理工作，再将结果送往输出接口驱动外部设备。嵌入式处理器与通用处理器并没有什么本质上的不同，包括其内核、数据处理功能。如80X86系列CPU中，8086、80286、80386、80486、Pentium及以上大多为通用处理器，而80186为嵌入式处理器；80386SX、80386DX是通用处理器，而80386EX是嵌入式处理器。同一系列嵌入式处理器和通用处理器的内核相同，指令系统相同，不同的是嵌入式处理器往往集成了大量I/O模块单元（中断控制器、通信控制器等）和存储器（ROM、RAM、FLASH等）。在构成嵌入式系统时，不需要外接这些单元，做到小型化。带来的问题是扩充性较差，但嵌入式系统对扩充性的要求不高。嵌入式系统的总体结构一般如下图所示。3．1．3嵌入式处理器子系统嵌入式系统适用的处理器包括通用CPU、嵌入式微控制器（MCU）、嵌入式微处理器（MPU）、DSP等，或可编程逻辑器件（FPGA、CPLD、PLC等）作为内核处理单元。（1）通用CPU通用CPU种类也比较多，但功能基本相似，如：对外接口基本相同。包括三总线，辅助电路接口等。处理功能基本相同。主要体现在指令系统上，包括数学运算类、逻辑处理类、转移跳转类、子程序调用类、中断返回类、处理器控制类等，有些增加了指令扩展，如MMX指令等。处理器的主要不同特征如下：指令个