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2004中国计算机科学技术年度发展报告(节选四)

-嵌入式系统部分

中国计算机学会微机专业委员会(2005.6)

 

三、32位嵌入式处理器的发展趋势

32位嵌入式MPU都是RISC结构。RISC MPU有突出的高速度、低能耗、小尺寸、低价位的优势,适合生产手持和移动式设备。用作通信和多媒体设备的不足之处在于运算速度差距很大,这正是需要与DSP结成双核结构的根据。

RISC MPU的构造特点如下:
* 采用Load/Store指令模式。凡数据的流向为由外存到内存、内存到寄存的统一用Load指令,而反方向的操作都用Store。
* 使用多寄存器指令集。基本上都是单周期指令,执行简单快速。
* 采用指令流水线。从根本上克服CISC指令周期数长短不一造成的运行中偶发性不确定性,表现为调试时正常,运行时偶发难以捉摸的失常。
* 一般RISC程序较CISC占用内存大,应采取措施克服。
* 需要解决多任务环境下实时响应和环境切换的快速性。
* 需要解决条件转移时流水线的重装问题。
* 需要解决位处理能力。
* 需要解决灵活的优先级中断系统。
* 应有硬件乘法或乘累加功能。
* 应考虑支持HLL(高级语言)和OCD(片上调试)。

与32位MCU平行发展的一个趋势是将多种DSP功能集成在单芯片上。尽管当前的大多数多媒体设计中使用一个MCU来控制一个DSP,但出于成本、尺寸和功耗的考虑,开发商一直试图将这种功能性集成到单芯片上。另外提高32位MCU的时钟速度,有助于推动这一趋势;时钟速度越高意味着为完成信号处理提供更多的余量。

然而,MCU本身不适合有效的信号处理。因此,制造商一直试图采用一些技术来弥补这一不足。
一种方法是采用多芯片模块(MCM),即将DSP和MCU组合在单个封装内。这种方法的不足是,设计工程师必须按"50/50"的时间比例分配控制功能和处理功能;例如,一旦DSP超出时间,MCU将不能完成计算任务。另外,由于DSP内核和MCU内核相互独立,需要两套开发工具。

另外一种方法是使MCU具备DSP功能。这种方法只适合直接的信号处理应用。MCU的时钟速度和计算结构本质上不适合大量的数据计算。有些MCU试图通过增加一个DSP的乘法累加器(MAC)来弥补这种不足。但这种方法仍缺乏更先进应用所需要基本的“自下而上”结构设计。

最后一种方法是将MCU和DSP功能集成到单个处理器中,这些处理器采用了统一的结构,它不仅适于数字计算,而且也适于控制任务。如ADI公司Blackfin处理器系列的设计思想,同时具备16位DSP和32位MCU的功能。能够平衡执行控制任务和复杂运算能力的需求,这种方法根据系统实时处理的需要可以实施100%的控制或100%的计算。

今后,32位MCU将继续以低价格提供更高的处理速度好及更多的功能。SOC技术将继续把MCU功能和统一的连通性及强大的计算能力同时集成在一起,从而实现真正的单片解决方案。很明显,这些32位SOC已经对多媒体领域提出它们的要求,并且其变革这些市场的能力日趋明朗。

Hyperstone是一家德国的小厂,是最早将RISC-DSP彻底融合并坚持到现在的厂家。E1-32X使用单一时钟指令集,其中含有13条DSP专用指令。它具有指令缓冲(供近处LOOP使用)和硬件堆栈(为单周期现场保护使用),设有防止递归调用堆栈溢出的保护,内部总线宽128位,支持分组数据,采用Q格式的31位伪浮点运算。设计精良,总共只用20万只晶体管。

ARM是一家不生产器件只提供IP授权的公司。它的产品已经成为32位嵌入式的事实标准。DSP生产厂家买它的RISC核, MPU生产厂家买它的含DSP的核,PLD厂家买它的RISC-DSP核。ARM最早在自己的32位RISC上加单周期DSP的MAC,快速运算多媒体的算法,实现手机上的MP3解码,并努力实现手机上的视频功能。ARM不断为32位嵌入式核做出杰出贡献。ARM的成功在于它坚持简易取胜和善于巡游于阴阳界之间。

TI将ARMv6结构的RISC无缝地接入TI的DSP,并改进数据的同步、存储管理和操作系统的共享,提高最终系统的功能和追求极低的功耗。将它用于实时音、视频的最终产品。

Motorola使用200MHz 的ARM 920T RISC核,生产龙珠系列的32位MX-1无线接入的移动产品,包括MP3和JPEG的解码播放器、静态及视频数码相机,集成包括SONY存储棒、电源管理器、LCD控制器等的外设部件,外设不用时即被关断,整个设备在1.8V电池下工作。龙珠系列的Super vz 更支持彩色TFT显示,A/D转换,USB以及SRAM的功能,时钟频率66MHz。从Motorola分离出来的Freesale后来又生产了廉价的16位多媒体为控制器。

MIPS Technology在其RISC-DSP的MIPS32新结构上引用了64位MIPS R4K和R5K的存储器管理和特权管理机制,形成与MIPS64相兼容的MPU。

Toshiba公司购买了MIPS32 4KC核,开发了自己的TX19系列的嵌入式产品,旨在将Toshiba原有的16位CISC结构转型为32位RISC结构,开发数码相机/视频数码摄像机和CD-ROM播放器等产品。
Palmchip公司也购买了MIPS32 4KC核,开发可编程的SoC平台,瞄准移动通信/计算和存储设备的嵌入式市场。

ARC Cores的32位 ARC Tangent A4是低功耗、可编程的RISC-DSP核结构,可根据用户的要求灵活增减功能。DSP的新增功能有语音压缩与解压、改进的高速缓存、高效电源等。有的IP厂商,以ARC的Tangent A4 为中心部件,研制可编程的低功耗RISC-DSP平台。Tangent A4的核小到低于10000个门以下,中断系统也是可编程的,其数据存储器存在4级流水线,非常适合集成片上外设。伴随DSP硬件被融于RISC MPU的同时,相关的软件和工具也被移植。

Hitachi的SH7727新型RISC核含有16x32位通用寄存器,5x32位控制寄存器和4x32位系统寄存器,再增加SH-3的 DSP核,片上集成可寻址4 Gbyte的MMU和LCD控制器,时钟频率在16MHz以上。CPU部分工作电压为1.35?2.05V,I/O工作电压为3?3.6V。

Intel公司为插足移动设备市场,也生产了RISC-DSP结构的名为Strong ARM的SA-1110微处理器。Intel公司的奋斗目标是生产低功耗、高性能的ASSP,包括袖珍、无线接入、具有多媒体特色的产品。SA-1110有8Kbyte数据高速缓存、MMU、读/写缓冲和512字节增强高速缓存(供频繁使用的结构变量所用),软件与ARM V4兼容,电池供电的优化是靠专利的低电压工艺技术和电源管理器来保证,当前不用部分停止供电。SA-1110支持MP3音频解码、MPEG-4视频解码、语音和手写输入的识别、软件Modem和Java解释程序的运行。Intel随后又从Strong ARM派生出来Xsale MPU,以Xsale为基础做出用于无线手机的基带和多媒体应用处理器等多种ASSP产品。

Infineon的TriCore是32位 三核结构的嵌入式处理器(即DSP、MPU和MCU集于一片)。TC10GP是TriCore 核的第一款微控制器,LOAD/STORE结构, 双16×16MAC, 超标量3流水线, 4-GB寻址范围,高速环境切换, 66~80MHz,8KB/16KB指令SRAM/指令高速缓存,32 KB/16KB 数据SRAM/数据高速缓存,以及丰富的外围设备(4类6个定时器、2类3个串口、3×8位并口),还有1个PCP(外设控制处理器)用于生成DMA/条件jump等等外设和其他辅助功能。

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