嵌入式硬件

嵌入式微处理体系结构

冯诺依曼结构

传统计算机采用冯·诺依曼（Von Neumann）结构，也称为 普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。

• 冯诺依曼结构的计算机程序和数据共用一个存储空间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。
• 采用单一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。串行取指令或者数据。
• 处理器执行指令时，先从存储器中取出指令解码，再取操作数执行运算，即使单条指令也要耗费几个甚至几十个周期，在高速运转时，在运输通道上会出现瓶颈效应。

哈佛结构

哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将 程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是 两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。

• 与两个存储器相对应的是系统中的 两套独立的地址总线和数据总线。
• 这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器），从而提高了执行速度，使数据的吞吐量提高了 1 倍。

微处理器分类

根据字长宽度划分

根据嵌入式微处理器的字长宽度，可分为 4 位、8 位、 16 位 、32 位和 64 位。一般把 16 位及以下的称为嵌入式微控制器（Embedded Micro Controller），32 位以上的称为嵌入式微处理器。

根据系统集成度划分

可分为两类：一种是微处理器内部仅包含单纯的中央处理单元，称为一般用途微处理器；另一种是将 CPU 、ROM、RAM 及 I/O 等部件集成到同一个芯片上，称为单芯片微控制器（Single Chip Microcontroller）。

根据用途分类

一般分为嵌入式微控制器 MCU、嵌入式微处理器 MPU，嵌入式数字信号处理器 DSP、嵌入式片上系统 SOC 等。

• 嵌入式微控制器 MCU 的 典型代表是单片机，其片上外设资源比较丰富，适合于控制。MCU 芯片内部集成 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等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高，其片上外设资源一般较丰富，适合于控制，是嵌入式系统工业的主流。
• 嵌入式微处理器 MPU 由通用计算机中的 CPU 演变而来。它的特征是具有 32 位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际的嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前常见的有 ARM、MIPS、POWER PC 等。
• 嵌入式数字信号处理器 DSP 是 专门用于信号处理方面的处理器，其在 系统结构和指令算法方法进行了特殊处理，具有很高的编译效率和指令的执行速度。采用 哈佛结构，流水线处理，其处理速度比最快的 CPU 还快 10-50 倍。在数字滤波、FFT、谱分析等各种仪器上 DSP 获得了大规模的应用。
• 嵌入式片上系统 SOC，是 追求产品系统最大包容的集成器件。SOC 最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。

多核处理器

多核指多个微处理器内核，是将两个或者更多的微处理器封装在一起，集成在一个电路中。多核处理器是 单枚芯片，能够直接插入单一的处理器插槽中。多核与多 CPU 相比，很好的降低了计算机系统的功耗和体积。在多核 技术中，由操作系统软件进行调度，多进程、多线程、多线程并发都可以。

多个内核工作协调的的实现

• 对称多处理技术 SMP：将 2 颗完全一样的处理器封装在一个芯片内，达到双倍或接近双倍的处理性能，节省运算资源。
• 非对称处理技术 AMP：2 个处理器内核彼此不同，各自处理和执行特定的功能，在软件的协调下分担不同的计算任务。

多核 CPU 的调度

多核 CPU 环境下进程的调度算法一般有全局队列调度和局部队列调度两种。

• 全局队列调度是指操作系统维护一个 全局的任务等待队列，当系统中有一个 CPU 空闲时，操作系统就从全局任务等待队列中选取就绪任务开始执行，CPU 核心利用率高。
• 局部队列调度是 操作系统为每个 CPU 内核维护一个局部的任务等待队列，当系统中有一个 CPU 内核空闲时，就从该核心的任务等待队列中选取适当的任务执行，优点是无需在多个 CPU 之间切换。

提示

嵌入式里面的软硬件是紧密联系的。