淺析微處理器

自從人類1947年發明晶體管以來，50多年間半導體技術經歷了硅晶體管、集成電路、超大規模集成電路等，發展速度之快是其他產業所沒有的。半導體技術對整個社會產生了廣泛的影響，因此被稱為“產業的種子”。中央處理器是指計算機內部對數據進行處理并對處理過程進行控制的部件，伴著大規模集成電路技術的迅速發展，芯片集成密度越來越高，CPU可以集成在一個半導體芯片上，這種具有中央處理器功能的大規模集成電路器件，被統稱為“微處理器”。

1、高性能的微處理器

推動微處理器性能提高的因素主要有兩個：更高的主頻和更先進的體系結構。處理器主頻的不斷提升可以直接進高性能，但隨著超大規模集成電路生產工藝的發展逐漸飽和并接近極限，處理器的性能提升還必須依賴體系結構技術的不斷突破。目前高性能微處理器在體系結構技術方面主要通過開發處理器中各個層次的并行性來提高性能，包括指令級并行（ILP1）、數據級并行以及線程/進程級并行。其中指性包括通過流水線技術實現指令之間重疊，通過多發射或超長指令技術實現空間重復，通過程序執行技術充分發揮流水線的效率。數據級并行性主要是一條指令完成對不同數據的多個相同操作，主在包括向量處理技術以及單指令流多數據流（SIMD2）技術。線程/過程級并行性包括單處理器的多線程/進程技術以及多處理器的多線程/進程技術。在線程級并行方面目前比較突出的工作包括多線程/同時多線程（SMT3）技術以及單芯片多處理器技術（CMP4）。

2、嵌入式處理器

嵌入式系統以各種類型的嵌入式處理器為核心，而隨著技術的發展，對于嵌入式處理器的性能及功耗的要求愈加嚴苛。目前，嵌入式處理器分為8位、16位、32位及64位等，8位微處理器/MCU市場已逐步趨向穩定，32位微處理器/MCU則代表著嵌入式技術的發展方向，據調查顯示，在亞洲各個地區，32位嵌入式處理器的應用明顯領先于其它架構。嵌入式應用系統設計包括硬件平臺和軟件平臺兩部分。前者是以嵌入式微控制器/微處理器為核心的硬件系統；后者則是圍繞嵌入式操作系統構建的軟件系統。兩者在設計上是密不可分的，并且需要在設計之間進行權衡優化，根據實際應用進行外擴和裁剪。嵌入式處理器市場的趨勢之——高集成度的SoC芯片。SoC處理器由可設計重用的IP核組成，IP核是具有復雜系統功能的能夠獨立出售的VLSI塊，采用深亞微米以上工藝技術設計完成。SoC中可集成控制處理器內核，如ARM內核；計算用DSP內核，如CE-VA內核；存儲器核或其復合IP核，同時具備接口等多種功能。

現在Linux正以迅猛的趨勢沖擊著IT市場，嵌入式微處理器利用Linux操作系統的可裁減的功能模塊會使自己的功能得到完善。隨著Linux操作系統的發展改進，嵌入式微處理器受到了越來越多的青睞，尤其是用于消費產品、電訊路由器和交換機、網絡產品、工業和汽車等應用。

3、數字信號處理器

數字信號處理的任務在很大程度上需要由DSP器件來完成。DSP技術已成為人們日益關注的并得到迅速發展的前沿技術。DSP可以代表數字信號處理器（Digital Signal Processor）(Digital Signal Processing)，后者是理論上的技術，要通過前者變成實際產品。兩者結合起來就成為解決某一實際問題和實現某一方案的手段即數字信號處理解決方案（DSPS）。DSP是在模擬信號變換成數字信號以后進行高速實時處理的專用處理器。其處理速度比最快的CPU還快10~50倍。在當今的數字化時代背景下，DSP已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。業內人士預言，DSP將是未來集成電路中發展最快的電子產品，并成為電子產品更新換代的決定因素。

在SDP出現之前數字信號處理只能依靠MPU（微處理器）來完成。隨著大規模集成電路技術的發展，1982年世界上誕生了首枚DSP芯片。這種DSP器件采用微米工藝NMOS技術制作，雖功耗和尺寸稍大，但運算速度卻比MPU快了幾十倍，尤其在語音合成和編碼解碼器中得到了廣泛應用。DSP芯片的問世標志著DSP應用系統由大型系統向小型化邁進了一大步。隨著CMOS技術的進步與發展，第二代基于CMOS工藝的DSP芯片應運而生，其存儲容量和運算速度成倍提高，成為語音處理、圖像硬件處理技術的基礎。80年代后期，第三代DSP芯片問世，運算速度進一步提高，其應用于范圍逐步擴大到通信、計算機領域。

4、微控制器

微控制器是將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機。微控制器一般設計成通用集成電器，帶有一組相對標準的純數字外圍電路，比如說串口和定時器。這些微控制器可以和幾個外部的模擬和數字器件接口以實現一個目標應用。近一些年來，微控制器的發展趨勢是集成度日益增高，包含了用于有限數字信號處理的功能模塊和模擬電路。目前微控制器在馬達控制，遙控，辨識，安全和消費電子等很多方面得到了應用。我們能夠相信在將來微控制器會大有作為。

參考資料：

1．《世界電子元器件》，陳楠

2．《從體系結構的演變看高性能微處理器的發展趨勢》，單睿

（石家莊信息工程職業學院）