单内核及双内核的嵌入式媒体处理器架构评估介绍.doc
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1、单内核及双内核的嵌入式媒体处理器架构评估介绍针对嵌入式多媒体应用选择一个处理器是一项复杂的工作,涉及到对处理器内核架构以及外设的全面分析,需要完全掌握视频、音频数据在系统中传输方式,以及正确评价在一个可接受的功耗水平下可达到什么样的处理能力。到最近为止,解决这个问题的标准方法是将其划分成由微控制器(MCU)芯片处理的控制域,控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期,经过20多年的发展,其成本越来越低,而性能越来越强大,这使其应用已经无处不在,遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器/扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全
2、与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电(洗衣机、微波炉)等。以及由数字信号处理器(DSP)处理的计算域.RISC MCU和DSP传统上适合于媒体丰富的嵌入式应用,数字信号处理(Digital Signal Processing,简称DSP)是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。20世纪60年代以来,随着计算机和信息技术的飞速发展,数字信号处理技术应运而生并得到迅速的发展。数字信号处理是一种通过使用数学技巧执行转换或提取信息,来处理现实信号的方法,这些信号由数字序列表示。在过去的二十多年时间里,数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。然而,它们的用途不可互相替代,更确切地说
3、,它们要协调一致地工作。MCU架构非常适合于高效率的异步控制流,而DSP架构的生存之道是同步恒定速度数据流,因为在当今的媒体处理应用中,两种功能集都是必需的,工程师通常使用独立的MCU和DSP芯片。这种组合为广泛的多媒体应用提供了很好的处理引擎,但是增加了多媒体处理设计、多种开发工具组以及有待学习和调试的不同种类架构的复杂性。为减轻这些问题,芯片厂商尝试过不同的解决方案。不同的MCU厂商都集成了某些信号处理功能,例如指令集扩展以及乘法累加(MAC)单元,但是这种努力通常缺乏针对先进信号处理应用所要求的基本架构基础。类似地,DSP生产商已经包含了有限的MCU功能,但是不可避免地在系统控制方面有所
4、妥协。最近,出现了另外的选择-单内核以及双内核的嵌入式媒体处理器(EMP)架构,这种架构在一个统一的设计中提供了MCU和DSP功能,MCU(Micro Control Unit)中文名称为微控制单元,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)或者单片机,是指随着大规模集成电路的出现及其发展,将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上,形成芯片级的计算机,为不同的应用场合做不同组合控制 常见存储器件。MCU按其存储器类型可分为无片内ROM型和带片内ROM型两种。对于无片内ROM型的芯片,必须外接EPROM才能应用(典型芯片为8031
5、)。带片内ROM型的芯片又分为片内EPROM型(典型芯片为87C51)、MASK片内掩模ROM型(典型芯片为8051)、片内FLASH型(典型芯片为89C51)等类型允许在控制和信号处理需求方面进行灵活地划分。单内核EMP架构评估图1显示了一个单内核EMP架构,这个架构融合了一个32位RISC指令集、双16位MAC单元和一个8位视频处理引擎。其可变长指令集扩展到DSP内部环路所使用的64位操作码,但是经过了最优化以便16位的操作码代表最常用的指令。RISC(reduced instruction set computer,精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于80 年
6、代的MIPS主机(即RISC 机),RISC机中采用的微处理器统称RISC处理器。这样一来,它能够以更快的速度执行操作(每秒执行更多百万条指令,即MIPS)。因为计算机执行每个指令类型都需要额外的晶体管和电路元件,计算机指令集越大就会使微处理器更复杂,执行操作也会更慢。像MCU一样,EMP具有受保护和未受保护的两种操作模式,防止用户访问或影响系统的共享部分。此外,它们提供定义不同应用开发空间的存储器管理功能,同时防止截然不同的代码部分被覆盖。它们还允许异步中断以及同步异常两种功能,以及可编程的中断优先级。为使系统能及时响应并处理发生的所有中断,系统根据引起中断事件的重要性和紧迫程度,硬件将中断
7、源分为若干个级别,称作中断优先级。多级中断的处理原则:当多级中断同时发生时,CPU按照由高到低的顺序响应。高级中断可以打断低级中断处理程序的运行,转而执行高级中断处理程序。当同级中断同时到时,则按位响应。因此,EMP非常适合于嵌入式操作系统。在DSP方面,EMP结构使数据的流动有效率且性能非常高,所配备的外设支持高速串行和并行数据搬移。图1:单内核嵌入式媒体处理器BF533的框图单内核开发方法在当今的设计范例中,MCU和DSP程序员通常被分成两个完全独立的组,两方面的交互工作只发生在他们的功能范围相交的系统边界层面。这具有一定意义,因为两个开发组都形成了他们自己的设计习惯。例如,信号处理开发工
8、程师可能熟知处理器架构的细节本质,能通过一些实现技巧来提高设计性能。另一方面,MCU程序员可能更愿意采用这样的模式:只须启动器件,它就能完成所有的工作。这就是为什么EMP支持DMA和缓存存储器控制器来在系统中搬移数据的原因。多个高速DMA通道在外设和存储器系统中往返搬移数据,允许在不耗尽宝贵的内核处理器时钟周期的条件下,对控制进行精细地调整,这正是DSP设计工程师所追求的。通常,在系统集成层面,两种方法的组合是最理想的。一直以来,MCU和DSP开发团队划分的另一个原因是两个处理器具有两套不同的设计规则。从技术的角度来看,负责构建系统的工程师某些时候不愿意在同一个处理器上将控制应用与信号处理应用
9、混在一起。他们通常担心非实时的任务将影响到硬实时任务。例如,负责处理图形用户界面(GUI)或联网堆栈的程序员不应该担心妨碍系统的实时信号处理。为此,我们假定在服务程序开始时,在发生中断和系统环境被保存之间的时间帧小于十毫秒。尽管MCU控制代码通常用C语言编写并且以为库基础,而实时DSP代码通常采用汇编语言编写,并由手动设计为给定应用提取最可能的性能。C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点,又具有汇编语言的特点。它可以作为工作系统设计语言,编写系统应用程序,也可以作为应用程序设计语言,编写不依赖计算机硬件的应用程序。因此,它的应用范围广泛,不仅仅是在软件开发上,而且各类科研都需要
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