虽然SoC(System on Chip)等技术方向是未来的发展趋势，不过迄今为止，一个常见的嵌入式系统的硬件平台仍然是由处理器、存储系统、外设等部分通过电路板搭接而成，这其中最重要的部件就是嵌入式处理器。它重要并不仅仅因为微处理器在整个系统批量生产中占最大比例的生产成本，而且从技术角度来说它也是整个系统中最复杂、最重要、最核心、技术含量最多的部件。

嵌入式系统一般都是为了专门的应用而设计的可计算系统，由于各种应用需求不同，因此对嵌入式处理器的性能、功能、尺寸、功耗、抗电磁干扰能力等诸多特性都有不同需求，加之从技术角度来说存在多种不同的处理器体系结构，而且全世界有大量的嵌入式制造企业，因此相较于桌面电脑上的处理器型号也就最多几十种而言，嵌入式处理器可以说是种类繁多、百花齐放！

本文将主要从技术角度阐述一些嵌入式处理器中的重要技术，并对几种主流的处理器体系结构予以介绍，最后对嵌入式处理器技术的未来发展趋势做出展望。

嵌入式处理器的特点

嵌入式微处理器与普通台式计算机的微处理器设计在基本原理上是相似的，但是工作稳定性更高，功耗较小，对环境（如温度、适度、电磁场、振动等）的适应能力强，体积更小，且集成的功能较多。在桌面计算机领域，对处理器进行比较时的主要指标就是计算速度，从33MHz主频的386计算机到现在3GHz主频的Pentium 4处理器，速度的提升是用户最主要关心的变化，但在嵌入式领域，情况则完全不同。嵌入式处理器的选择必须根据设计的需求，在性能、功耗、功能、尺寸和封装形式、SoC程度、成本、商业考虑等等诸多因素之中进行折中，择优选择。

低功耗是嵌入式处理器的重要特点之一，反之也正是嵌入式系统广泛的应用需求促进了低功耗处理器技术的不断发展。为降低微处理器的能耗，一方面可以采用更新的技术工艺生产更小工艺尺寸的芯片，从而通过降低芯片的工作电压来降低功耗；另一方面是采用低功耗的体系结构设计，如ARM系列的处理器；或者改进半导体技术，减小芯片中每个CMOS单元的漏电流；此外还可以通过让芯片内暂时不用的功能部件休眠或关闭以降低总体的能量消耗。现在一些常见的用于移动设备的嵌入式微处理器的功耗一般都在1瓦以下（台式计算机中的CPU往往是几十瓦甚至100瓦以上），而且许多嵌入式微处理器都具备动态电压改变的能力，可以在负载较低的情况下降低电压工作，甚至进入休眠状态，减少能耗，延长设备持续工作时间。

功能丰富是嵌入式处理器的另一个重要特点。PC机平台上处理器都要通过北桥和南桥芯片与计算机中其他部件相连，但在嵌入式系统中，许多外设控制器都被直接集成在芯片内部，这样不但缩小了电路板的面积，节约了成本，而且提高了系统的可靠性。将多种外围设备控制器（如串口、以太网控制器、LCD控制器等）以及部分存储系统（如Cache、SRAM、DRAM、EEPROM、Flash）集成在芯片内部，由于在芯片内部可以很容易地实现更宽的总线，因此这样的集成设计还可以在一定程度上提高系统的性能。

此外，性能、封装形式、成本、供货周期、技术支持力度等因素也对嵌入式处理的选择具有重要影响。

几种主流的嵌入式处理器体系结构

处理器的体系结构是处理器内部的设计结构，对软件开发人员主要表现为寄存器组织形式和指令集设计，现在的嵌入式领域应用着各种各样的嵌入式处理器，从8位甚至4位的单片机、到64位的高级处理器都有需求，其中8位处理器由于价格便宜，恰好满足一些主流的应用需求（如电视遥控器），它们的市场占有率比较大，32位的嵌入式处理器也由于正好能满足现在多数智能设备联网和执行复杂应用的需要，而成为当前嵌入式系统领域的主流产品。32位嵌入式处理器主要有4种典型的微处理器体系结构，它们分别是：ARM、PowerPC、MIPS和EIA，除此以外还有SH、Coldfire、m-core等体系结构的嵌入式处理器。

ARM处理器是当前最流行的处理器系列，它由英国的ARM公司研发设计，并将其设计出售给遍布全世界的各种芯片制造公司和生产企业，如Intel、Philips、Samsung、ATMEL、华为等许多公司，并由这些公司生产出各种各样的基于ARM体系结构的嵌入式微处理器。虽然基于ARM的产品多种多样，但是由于都秉承了ARM低功耗、高性能的技术特点，这些芯片特别适用于移动设备、手持设备以及小型系统的设计。有些公司还在ARM体系结构的基础上继续扩展和改进，比如Intel公司的XScale系列处理器就是基于ARM10V5TE设计的，他们保持了ARM处理器低功耗的优点，同时增加了较大的数据和指令Cache，具有专门支持多媒体处理的协处理器和特殊的指令，这些处理器的应用目标是市场潜力巨大的手持多媒体终端设备。

PowerPC是嵌入式系统中被广泛使用的一种体系结构，它早期由Motorola和IBM联合研发，其品牌和商标权同时属于IBM和Motorola。IBM的主要产品有PowerPC604s(深蓝内部的CPU)，PowerPC750，PowerPCG3(1.1GHz)等；Motorola公司的产品主要有MC和MPC系列的处理器，最近还有从Motorola公司分离出来的Freescale公司生产的微处理器系列。尽管这些产品的名称不太一样，但都采用PowerPC的内核，由于PowerPC体系结构的设计比较重视对网络通讯的支持，因此这类处理器常常被用于网络相关设备的设计，并拥有非常广泛的工程师群体。
以上两类处理器都是所谓的精简指令集处理机（RISC），还有一类重要的RISC处理器就是MIPS体系结构的嵌入式处理器。MIPS处理器起源于Stanford大学，它的功耗比ARM体系结构的同类设计稍高一些，但具备从32位低端产品到64位高端产品的完整解决方案，而且知识产权的授权费用也要比ARM低得多，因此也正在逐渐被越来越多的消费类电子产品、工业控制产品的设计和制造公司所采纳。

除了RISC处理器在嵌入式领域中大放异彩，传统的X86系列CISC处理器在Intel公司的积极改进下也克服了功耗过高的问题，成为一些高性能嵌入式设备的最佳选择，这个系列的处理器被成为EIA（Embedded Intel Architecture）系列的处理器。由于EIA处理器功耗方面的大幅降低，它已经可以进行无风扇设计，提高了系统的稳定性，同时它保留了性能较高的特点，并且与原X86处理器保持交融，比较适用于机顶盒、数字电视、高速网络路由器、专用服务器等应用。

需要说明的是，其实发展到今天，CISC与RISC之间的界限已经不再是那么泾渭分明，RISC自身的设计正在变得越来越复杂（当然并不是完全依着CISC的思路变复杂），因为所有实际使用的CPU都需要不断提高性能，所以在体系结构中加入新特点就在所难免。比如超长指令字的提出让一条RISC指令可以包含更多的信息，同时完成多条传统指令的功能；再比如现在最流行的ARM处理器就包括普通指令集和Thumb指令集两套指令集，以适应嵌入式系统对低功耗、小存储的需求。另一方面，原来被认为是CISC体系结构的处理器也吸收了许多RISC的优点，比如Pentium处理器在内部的实现中也是采用的RISC的架构，复杂的指令在内部由微码分解为多条精简指令来运行，但是对于处理器外部来说，为了保持兼容性还是以CISC风格的指令集展示出来。无论是CISC还是RISC，名词都只是为了研究上的方便而设置的称谓，真正的驱动力来自应用需求，有什么样的应用需求就会有与其最适应的嵌入式处理器被设计出来，有什么样的应用需求就要求去选择最恰当的嵌入式处理器来完成任务。

未来发展趋势

嵌入式处理器正在朝着更高地集成化方向发展，现在比较具有挑战的问题是如何集成更大容量的DRAM或Flash存储器、集成模拟电路，以使单芯片设计成为主流，并进一步提高系统的性能、稳定性，加快开发周期和新产品的上市速度。其次，为了让嵌入式处理器在消费类电子和手持设备上处理更复杂的应用，满足人们的使用需求，现在已被用于高端服务器的多核处理器技术在可以预见的未来必将会逐步在嵌入式处理器中出现，带动嵌入式处理器性能的提升。此外，嵌入式处理器还将伴随着集成电路工艺水平的提高而不断降低工作电压数值，减少芯片内部单元的漏电流，从而使嵌入式处理器更为节能和省电。无论技术如何发展，由于不同应用需求的客观存在，嵌入式处理器还必将是保持百花齐放的状态，使我们的生活更加多姿多彩。