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说起嵌入式处理器,或许大家比较陌生,但提到智能手机、平板电脑、数码相机、车载导航等设备,大家就很熟悉了,而嵌入式处理器就是应用在上述设备里的计算机芯片。从某种意义上来讲,嵌入式处理器是桌面处理器的微缩版,它满足了数码设备对低功耗、便携性和实时处理的需求。嵌入式处理器技术的发展,也是消费数码设备的发展见证。
嵌入式处理器一路走来

从上世纪70年代嵌入式处理器诞生以来,其性能、功能和功耗表现一直按照摩尔定律在提高。但是从大型机时代直到现在的移动互联网时代,不同的应用对各类处理器提出了不同的需求,由此产生了种类繁多的嵌入式处理器。
据不完全统计,全球嵌入式处理器的品种超过1000种,几乎每家半导体制造商都在生产嵌入式处理器,嵌入式处理器体积越变越小,价格越来越便宜,功能越来越强大。在消费电子领域,配合嵌入式系统的应用,主要有嵌入式EMPU处理器和嵌入式DSP处理器。
EMPU是通用计算机中的CPU,它被装配在专门设计的电路板上,只保留和嵌入式应用有关的母板功能;DSP是一种特别适合进行数字信号处理运算的微处理器,可以实时快速地实现各种数字信号处理算法,比如在手机、机顶盒、家庭影院、DVD、数码相机、数码摄像机等设备上,我们都可以看到DSP的身影。
随着处理速度的要求越来越高,处理的数据更加复杂,出现了双核与多核嵌入式处理器,通常为DSP+RISC核心。随着一些应用市场的崛起,又出现了一些新名词,例如用于网络、通信设备的通信处理器(2000年左右兴起),数码相机、数码录像机等所需要的媒体处理器(2003年兴起),智能手机上的应用处理器(2004年兴起)。
经典的嵌入式处理器
1. RISC 芯片的鼻祖

1974年,英特尔推出与其他8位处理器不同架构的RCA 1802微处理器,被称为是RISC 芯片的鼻祖,1985年,摩托罗拉推出MC68010和命名为88000的32位RISC处理器系列,但1990年由于要全力研制PowerPC而被迫停产。
2.第一个X86架构处理器

1978年,英特尔发布了X86架架的8086微处理器,它有16位地址总线、8位数据总线、16位堆栈指针以及16位程序计数器,256个I/O接口,I/O接口与存储器统一编址,还有一个用来分配堆栈到存储空间空闲区域的信号端口。这些特性使得8086成为一款真正的现代微处理器,此后所有的嵌入式处理器,都是基于这种架构发展而来。
3.ARM通用处理器
1990年11月,ARM公司在英国剑桥成立,它是全球领先的16/32 位嵌入式 RISC 微处理器解决方案的供应商,ARM 嵌入式处理器技术广泛用于便携式通信产品、手持计算设备、多媒体和嵌入式解决方案等领域,ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商。2001年7月,英特尔与Ti取得ARM V6架构的授权。
4.第一片嵌入式DSP

1991年,德州仪器推出了全球第一款单芯片数字信号处理器(DSP)——TMS320,该处理器采用32位算术逻辑单元,每秒能处理500万条指令(MIPS),与当时许多大型计算机的速度不相上下,这项发明开启了数字世界的无限精彩。
5.OMAP微处理器
在2003年,掌上电脑、投影机、便携式娱乐设备开始盛行,德州仪器借此机会推出了采用0.09微米工艺开发的新型OMAP处理器,它可将包括图形处理、多媒体处理及Java等高级应用的性能提高8倍,同时还能将无线手持终端及PDA中的待机功耗降低10%,多普达、摩托罗拉、诺基亚、联想等制造商纷纷在自己的智能手机上采用OMAP 处理器。
6.VIA 64位嵌入式处理器

2010年,VIA正式宣布推出64位嵌入式处理器——Nano E系列,它基于Isaiah超标量乱序微架构,支持DDR2、DDR3内存,支持VT虚拟化技术,可使软件和应用在虚拟环境中继续运行而不损失性能,同时还有VIA PadLock安全引擎,提供了基于硬件的数据加密标准。
Hz的故事
电脑报在2004年报道:AMD推出Athlon 64处理器走进智能手机“芯”世界
《电脑报》曾在2004年第13期报道:在国内,智能手机的概念从摩托罗拉A6188开始被提出。随着摩托罗拉A6288、A388、多普达686、多普达515、索尼爱立信P802以及联想ET180等手机的陆续推出,智能手机的概念在中国已经逐渐被认知。虽然这些手机使用的操作系统各有不同,但都拥有较强的数据处理能力及与PC的数据交换能力,较强的数据处理能力需要较强劲的处理器支持。从目前的市场情况来看,智能手机中采用的处理器主要来自ARM授权公司(如诺基亚和爱立信)、摩托罗拉、英特尔和TI公司。从芯片结构上看,以上各种应用处理器几乎均采用了ARM核心。从技术上看,智能手机处理器有两大发展方向:一是芯片主频不断增加,二是集成度不断提高。
英特尔Oak Trail凌动处理器

2008年3月,英特尔发布了低功耗Atom处理器,最初定位于上网本市场,随着平板电脑的盛行,Atom处理器开始在平板电脑上崭露头角。由于功耗高、体积大,英特尔针对嵌入式市场推出了新一代Oak Trail凌动处理器。它支持Hyper-Threading技术,集成有英特尔 GMA 600图形核心、DDR2内存控制器及视频编/解码芯片,能耗仅为上一代Atom处理器的一半,而且支持全高清视频播放。
英伟达从Tegra到Tegra 3

2009年, NVIDIA推出Tegra平台,由于移动设备市场还不够成熟,Tegra平台没有得到广泛应用。2010年,当iPad风靡全球时,NVIDIA开始着手部署Tegra 2平台,由于基于Cortex-A9双核构架,并拥有更先进的制程技术,因而与苹果A5和ARM通用芯片相比,Tegra 2平台拥有更好的图形处理能力,而Tegra 2处理器要比高通双核处理器快10%~15%。
根据NVIDIA的规划,NVIDIA会很快推出Tegra 3平台,Tegra 3处理器主频达到1.5GHz,拥有四核架构,运算能力13800MIPS,是Tegra 2的3倍,有望超越英特尔的双核Core 2 Duo处理器。
苹果从A4单核到A5双核


2010年,iPad上市,苹果专门为它量身打造了A4处理器,该处理器基于ARM Cortex-A8架构,内部集成处理器核心、GPU核心、I/O核心和内存控制器,这就使得iPad能够轻松地执行复杂的任务。2011年,iPad2上市,苹果为它内置了更强劲的芯——A5处理器,它基于ARM Cortex-A9架构。相对于A4处理器,A5除了核心数量提升2倍外,每个核心的性能也有2倍以上的提升,使得iPad2的图形处理性能比iPad快9倍。
AMD G系列嵌入式APU处理器

2011年,AMD推出了专为嵌入式设备打造的“嵌入式G系列平台”,G系列嵌入式APU处理器和此前的E系列、C系列使用了完全相同的内核架构设计,只不过专门针对嵌入式应用的特殊需求作了深入优化,并且产品更加丰富,共有五款型号:G-T56N、G-T48N、G-T52R、G-T40N和G-T44R,均采用台积电40nm工艺制造,413针无顶盖微型BGA封装。
写在最后:引领便携数码时代
自嵌入式处理器诞生以来,它就在不断追求更“实用”的低功耗应用,从单芯片32位到多核心64位运算,嵌入式处理器20年的技术革新,似乎也见证了“微型”IT设备的发展历程,而随着嵌入式处理器的进一步应用,其速度越来越快,性能越来越强,价格也越来越低,它将开始引领一个新的时代,即消费电子、手持设备、无线网络主宰的便携数码时代!