Встроенные микропроцессоры

Определение

Встроенные микропроцессоры — компьютерные микросхемы, которые используют в устройствах, не являющихся персональными компьютерами, для реализации в них дополнительных функций, зачастую связанных с управлением и мониторингом.

Вы не можете их увидеть, но они есть повсюду. Они все больше влияют на нашу жизнь, причем порой от них зависит выбор между жизнью и смертью. Речь идет о встроенных микропроцессорах: скрытых микросхемах, которые управляют всем, начиная с сотовых телефонов и микроволновых печей и заканчивая аэробусами и тормозными системами.

Процессоры для ПК, рабочих станций и серверов привлекают всеобщее внимание, но встроенные микропроцессоры остаются в тени.

Как они продаются

Что касается общего объема продаж, то согласно данным, опубликованным в бюллетене World Semiconductor Trade Statistics, на долю процессоров для ПК, таких как серия Pentium компании Intel, Athlon производства AMD, а также PowerPC корпораций IBM и Motorola, приходится всего 6% мирового рынка. Остальные 94%, а это 5 млрд. микросхем, составляют встроенные микропроцессоры.

Эти статистические данные не покажутся такими странными, если вспомнить, насколько широко сейчас применяются микропроцессоры. По некоторым оценкам, в средней американской квартире можно найти около 60 встроенных микросхем.

Некоторые встроенные микропроцессоры достались от рынка настольных систем. Это микросхемы, которые слишком устарели для современных ПК, но их все-таки можно с успехом использовать для специализированных задач. Процессоры Z80 и 6502, которые раньше устанавливались в ПК, таких как TRS-80, Apple II и Commodore 64, по-прежнему продаются с большим успехом. Фактически уровень доходов от продаж 8-разрядных процессоров в 10 раз выше, чем от продаж последних моделей 32- и 64-разрядных процессоров. Даже маломощные 4-разрядные процессоры приносят прибыли больше, чем 32-разрядные модели, такие как Pentium. Старые микропроцессоры редко выходят из строя и просто так не исчезают — они становятся встроенными.

Рынок встроенных микропроцессоров необычайно широк. В любой данный момент на рынке ПК тактовая частота самых быстрых и самых медленных микропроцессоров отличается втрое — сейчас максимальная производительность микросхем составляет 1 ГГц, в то время как самые медленные из распространенных сейчас процессоров имеют тактовую частоту около 333 МГц. С другой стороны, производительность 32-разрядных микропроцессоров превышает производительность самых медленных моделей в 500 раз. Для 4- и 8-разрядных процессоров этот разрыв достигает нескольких тысяч раз.

Несмотря на то что сейчас выпускаются тысячи готовых процессоров, многие разработчики по-прежнему хотят получить нечто уникальное. Поэтому они создают свои собственные встроенные процессоры, называемые интегральными схемами, специализированными для конкретных приложений.

Разработчики сначала лицензируют встроенные микропроцессоры таких компаний, как ARM Holdings или Mips Technologies, а затем добавляют к ним функции, специально созданные в расчете на свои приложения. Для процессора, используемого в цифровой камере, разработчик может добавить контроллер для прибора с зарядовой связью; для процессора устройства доступа в Internet — плату с интерфейсом Ethernet.

Проектировщик передает свою архитектуру на производство, то есть компании, у которой есть свои собственные «фабрики» (производство для создания микросхем) и которая продает часть своих мощностей другим компаниям. Самыми популярными из таких фабрик стали United Microelectronics и TSMC на Тайване и IBM Microelectronics в США.

Настраиваемое ядро процессора

Однако даже таких возможностей некоторым разработчикам оказывается недостаточно. И они могут обратиться к таким компаниям, как ARC Cores и Tensilica, которые лицензируют обладающие чрезвычайной степенью настраивамости ядра встроенных микропроцессоров. С помощью таких ядер можно создавать новые специализированные машинные команды.

Для процессора цифровой камеры, например, полезной окажется команда, которая ускоряет сжатие изображений в формате JPEG, а для плейера записей в формате MP3 — команда, которая позволяет быстрее выполнять декодирование. Затем измененные архитектуры передаются на производство.

Популярные операционные системы, такие как Windows, Mac OS и Linux, практически не используются на рынке встроенных систем, хотя Windows CE работает на некоторых моделях карманных компьютеров и появляются системы, рассчитанные на Linux. Здесь широко распространены такие встроенные операционные системы, как OS-9 (не имеет никакого отношения к OS/2), pSOS, VelOSity, QNX, VxWorks и VRTX.

Существуют также системы, которые называют операционными системами реального времени, поскольку они позволяют процессору в случае наступления критически важных событий (таких, как нажатие водителем на педаль тормоза) реагировать в течение нескольких микросекунд. Несмотря на большое разнообразие подобных операционных систем, около половины разработчиков всех встроенных микропроцессоров пишут свои собственные операционные системы.

По мере того как такие процессоры становятся все меньше по размеру, все дешевле и все мощнее, они используются во все более широком диапазоне продуктов. Они уже встраиваются в визитные карточки и в обувь для бега, способную измерять дистанцию, которую вы преодолели. В конце концов они станут такими же распространенными, как атомы, и такими же маленькими благодаря нанотехнологии.

Том Р. Хафхилл — технический редактор ARC Cores, который проектирует и лицензирует ядра для встроенных микропроцессоров.

Общий объем продажмикропроцессоров в 1999 году (все типы, все рынки)

Рис. 1. Вопреки распространенному мнению, 8-разрядные процессоры не устарели вместе с диско-музыкой и Commodore 64. Объем доходов от продаж 8-разрядных процессоров по-прежнему намного выше, чем от продаж 32-разрядных моделей благодаря высокому спросу на них на рынке встроенных микросхем.

Общий объем продаж микропроцессоров в 1999 году (только 32-разрядные, все рынки)

Рис. 2. Даже на высокопроизводительном рынке 32-разрядных систем доминируют встроенные процессоры, совокупный объем продаж которых превосходит число устройств, проданных в прошлом году для ПК и рабочих станций.

Источник: Microprocessor Report