【软件系统架构】系列四：嵌入式微处理器

 目录

一、嵌入式微处理器体系结构

1.1 冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture）

1.2 哈佛结构（Harvard Architecture）

二、嵌入式微处理器分类

2.1 按字长分类

2.2 按集成度分类

2.3 按应用功能分类

三、典型嵌入式处理器类型详解

3.1 MCU（嵌入式微控制器）

3.2 MPU（嵌入式微处理器）

3.3 DSP（数字信号处理器）

3.4 SoC（片上系统）

四、多核处理器架构与调度

4.1 多核结构

4.2 多核调度方式

a. 全局队列调度（Global Scheduling）

b. 局部队列调度（Local Scheduling）

五、总结

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一、嵌入式微处理器体系结构

1.1 冯·诺依曼结构（Von Neumann Architecture）

冯·诺依曼结构是传统计算机体系结构，又称普林斯顿结构，其特点为：

• 程序和数据共用一个存储空间；

• 程序指令和数据地址存储在同一个存储器的不同物理位置；

• 使用单一的地址总线和数据总线；

• 指令和数据宽度相同；

• 指令执行必须按顺序依次完成（取指 → 解码 → 取数 → 执行），这导致存在**“瓶颈效应”**，尤其在高性能计算中表现明显。

冯·诺依曼结构的关键缺点是 指令和数据访问冲突（带宽瓶颈），因此在现代嵌入式处理器中较少采用。

冯·诺依曼结构

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1.2 哈佛结构（Harvard Architecture）

哈佛结构的特点是程序和数据存储物理分离，即：

• 独立的程序存储器和数据存储器；

• 拥有两套地址总线和数据总线；

• 支持一个机器周期内同时访问指令和数据，显著提高吞吐率；

• 适合对效率要求高的嵌入式系统。

哈佛结构的优势在于避免总线冲突、提升并发性能，在DSP（数字信号处理器）和多数MCU中广泛使用。

哈佛结构

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二、嵌入式微处理器分类

2.1 按字长分类

• 4/8/16位：通常称为嵌入式微控制器 MCU

• 32/64位：一般称为嵌入式微处理器 MPU

16位以下适用于轻量级控制系统，32位以上适合需要较强处理能力的系统。

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2.2 按集成度分类

类型	特点
一般用途微处理器	仅包含CPU，外设需外挂
单芯片微控制器（Single Chip MCU）	将CPU、RAM、ROM、I/O等集成在同一芯片上，低功耗、高可靠性、成本低

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2.3 按应用功能分类

• MCU（Microcontroller Unit）：片上资源丰富，适合控制，应用广泛于工业控制、家电等；

• MPU（Microprocessor Unit）：处理能力强，适合高端嵌入式场景，如智能设备、车载系统；

• DSP（Digital Signal Processor）：擅长信号处理；

• SoC（System on Chip）：集成度最高，适用于移动设备、智能终端等。

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三、典型嵌入式处理器类型详解

3.1 MCU（嵌入式微控制器）

MCU是“控制导向”的器件，强调低功耗、小尺寸、低成本。

内含：

• ROM/Flash、RAM

• I/O接口、定时器、PWM、ADC/DAC

• 看门狗、串口、SPI、I²C等外设资源

适用场景：

• 工业控制、智能仪表、消费电子、汽车电子等

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3.2 MPU（嵌入式微处理器）

MPU侧重于“处理能力”，适合需要高运算性能的嵌入式系统。

特点：

• 多为32位或64位；

• 通常运行精简操作系统（RTOS、Linux）；

• 不含 Flash/RAM，需外挂内存；

常见架构：

• ARM Cortex-A/R、MIPS、PowerPC

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3.3 DSP（数字信号处理器）

适用于音视频处理、语音识别、FFT、图像变换等高效实时运算任务。

技术特性：

• 哈佛结构 + 多总线架构；

• 硬件乘加器（MAC）；

• 支持流水线操作，执行速度远超通用CPU（10~50倍）；

应用领域：

• 图像识别、声学识别、医疗电子、通信系统、雷达信号分析等

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3.4 SoC（片上系统）

SoC 是当前嵌入式设计主流形式，实现“一芯多能”。

特点：

• 集成CPU、GPU、DSP、NPU、I/O接口、内存控制器等；

• 软件和硬件的无缝结合（片上运行操作系统）；

• 功耗与面积极优，适合移动终端、可穿戴设备、AI边缘计算设备；

典型代表：Qualcomm Snapdragon、Apple A系列、华为麒麟、Rockchip RK系列等。

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四、多核处理器架构与调度

4.1 多核结构

多核处理器指：在同一芯片内集成多个处理器内核（Core）

优势：

• 性能提升（并行计算）

• 功耗降低（相比多个独立CPU）

• 更小空间、更高系统集成度

结构形式：

类型	描述
对称多核（SMP）	多核结构完全对称，核心功能一致
非对称多核（AMP）	核心功能不同，任务功能区分，如ARM big.LITTLE

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4.2 多核调度方式

a. 全局队列调度（Global Scheduling）

• 所有任务集中在一个队列中

• 任一空闲核心可从全局队列中取任务

• 优点： CPU利用率高，负载均衡

• 缺点： 多核间需频繁通信、切换上下文成本高

b. 局部队列调度（Local Scheduling）

• 每个核心维护自己的任务队列

• 空闲时就从自己的队列调度任务

• 优点： 上下文切换开销小，局部缓存命中率高

• 缺点： 核心间任务分布可能不均，易形成瓶颈

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五、总结

类型	典型代表	优势	应用场景
MCU	STM32、AVR、51	低功耗、丰富外设	工业控制、家电、低功耗设备
MPU	ARM Cortex-A、MIPS	高性能、支持操作系统	高级嵌入式、AI边缘计算
DSP	TI C6000、ADI	快速乘加、并行处理	图像语音处理、雷达、音视频
SoC	Qualcomm、Apple A	高集成、软硬结合	手机、平板、物联网设备
多核	Cortex-A78、RISC-V 多核	并行计算	高负载任务、AI推理、多媒体处理

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