嵌入式系统原理与应用：主流内核分析

内核是指处理器内部核心部件,通常指的是一种设计技术,并不是一种芯片,内核的设计一般追求高速度、低功耗、易于集成。 嵌入式领域体系结构全部是RISC 指令集的处理器内核。 尽管都毫不例外地采用RISC 结构,但各自有各自的优势和应用领域,目前世界上有四大主流的嵌入式处理器内核生产厂家及嵌入式处理器内核,如图2.3 所示。

(1)PowerPC 核

PowerPC 架构的特点是可伸缩性好,方便灵活。 PowerPC 处理器品种很多,既有通用的处理器,又有嵌入式控制器和内核,应用范围非常广泛,从高端的工作站、服务器到桌面计算机系统,从消费类电子产品到大型通信设备,无所不包。

图2.3　四大主流的嵌入式处理器内核

处理器芯片主要型号是PowerPC 750,它于1997 年研制成功,最高的工作频率可以达到500 MHz,采用先进的铜线技术。 该处理器有许多品种,以便适合各种不同的系统。 包括IBM小型机、苹果电脑和其他系统。

嵌入式的PowerPC 405(主频最高为266 MHz)和PowerPC 440(主频最高为550 MHz)处理器内核可以用于各种SoC 设计上,在电信、金融和其他许多行业具有广泛的应用。 目前中兴、华为等公司多采用Motorola 的PowerPC 家族系列嵌入式处理器。

(2)68K/ColdFire 核

68K/ColdFire 被称为业界应用最广泛嵌入式处理器内核。 68 K 内核是最早在嵌入式领域广泛应用的内核,其代表芯片是68360。 ColdFire 继承了68 K 的特点并继续沿袭它,Cold-Fire 内核被植入DSP 模块、CAN 总线模块以及一般嵌入式处理器所集成的外设模块,从而形成了一系列的嵌入式处理器。(www.xing528.com)

到目前为止,飞思卡尔的68K 和ColdFire 系统产品发货量已突破5 亿片,在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。

(3)MIPS 核

MIPS 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式32 位和64 位处理器的厂商,在RISC 处理器方面占有重要地位。 “MIPS”的意思是“无内部互锁流水级的微处理器”,最早是在20 世纪80 年代初期由美国斯坦福大学Hennessy 教授领导的研究小组研制出来的。

在嵌入式方面,MIPS 系列微处理器是目前仅次于ARM 的用得最多的处理器之一(1999年以前MIPS 是世界上用得最多的处理器),其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、掌上电脑等各个方面。 MIPS 的系统结构及设计理念比较先进,在设计理念上MIPS 强调软硬件协同提高性能,同时简化硬件设计。

(4)ARM 核

ARM 是世界第一大IP 知识产权厂商,可以说ARM 公司引发了嵌入式领域的一场革命,在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立了市场领导地位,成为高性能、低功耗的嵌入式微处理器的开发方面的后起之秀,开发了系列产品,是目前32 位市场中使用最为广泛的微处理器。

ARM 的成功在于它极高的性能以及极低的能耗,使得它能够与高端的MIPS、高端的MIPS 和PowerPC 嵌入式微处理器相抗衡。 另外,即使根据市场需要进行功能的扩展,也是ARM 取得成功的一个重要因素。 随着更多厂商的支持和加入,可以预见,在将来一段时间之内,ARM 仍将主宰32 位嵌入式微处理器市场。

ARM 核在当今最活跃的无线局域网、4G、手机终端、手持设备、有限网络通信设备中得到广泛应用,其应用形式是集成到专用芯片之中作为控制器。 ARM 已经成为业界名副其实的领军者,“每个人口袋中装着ARM”,也是毫不夸张的。 因为绝大多数的手机、移动设备、PDA都是用具有ARM 核的系统芯片开发的。