嵌入式設計30年，聚焦匯聚式處理器應用

　　如果將上世紀70年代末單片機的出現作為嵌入式系統技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)的話(huà)，其發(fā)展歷程幾乎與中國社會(huì )改革開(kāi)放同步，已經(jīng)走過(guò)30年的歷程。與Windows操作系統和Intel處理器占壟斷地位的計算機平臺不同的是，嵌入式系統的技術(shù)發(fā)展呈現出百家爭鳴的態(tài)勢，設計工程師可以針對其目標要求選擇多種不同的硬件平臺方案和操作系統軟件。

　　從嵌入式處理器來(lái)看，從最初的4位處理器，目前仍在大規模應用的8位單片機，到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器已經(jīng)逾千種，數十種常用的體系架構。廣闊的市場(chǎng)應用前景吸引了大量的半導體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來(lái)異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來(lái)越快、性能越來(lái)越強，而功耗和價(jià)格卻越來(lái)越低。隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器的性能日新月異，已經(jīng)廣泛應用到從國防、工業(yè)、汽車(chē)到醫療設備和消費電子等幾乎所有的行業(yè)和領(lǐng)域。

　　匯聚式處理器解決嵌入式設計技術(shù)挑戰

　　盡管嵌入式設計經(jīng)過(guò)數十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統和開(kāi)發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著(zhù)市場(chǎng)競爭加劇、系統日益復雜化，目標應用對系統的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設計挑戰似乎并沒(méi)有隨著(zhù)半導體技術(shù)的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進(jìn)行方案選擇時(shí)必須正確評估應用面臨的挑戰。

　　處理能力要求越來(lái)越高。系統本身的復雜功能、友好的界面設計要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統MCU或ASIC很多時(shí)候都難以滿(mǎn)足系統高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來(lái)的高設計復雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當前嵌入式系統設計，特別是一些新產(chǎn)品和功能復雜的嵌入式產(chǎn)品設計，要在設計周期很緊的條件下完全從零開(kāi)始實(shí)現設計已經(jīng)變得不現實(shí)，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開(kāi)發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設計、系統設計支持，以及是否有完整的設計生態(tài)系統等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統設計非常關(guān)鍵。事實(shí)上，并不是所有平臺方案提供商都能提供這些支持。

　　標準的多樣性和不確定性帶來(lái)產(chǎn)品升級換代的顧慮。當前在各個(gè)行業(yè)都面臨一些創(chuàng )新型應用，例如智能電表和智能視頻監控等，這些應用都具有一定開(kāi)創(chuàng )性，目前沒(méi)有或尚未形成行業(yè)統一的標準，如何在保證搶占市場(chǎng)窗口期的先機，同時(shí)確保當前的設計滿(mǎn)足未來(lái)變化的市場(chǎng)和技術(shù)需求，必須考慮方案的可擴展性和性能裕量。

　　低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來(lái)越高，而系統功耗要求越來(lái)越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實(shí)際設計過(guò)程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著(zhù)半導體工藝技術(shù)、嵌入式處理器架構優(yōu)化以及設計技術(shù)的改進(jìn)，低功耗設計技術(shù)日新月異，電壓、工作頻率自適應調整技術(shù)、多工作模式的節能技術(shù)、數字電源管理技術(shù)，以及低功耗的最新半導體工藝技術(shù)應用層出不窮。在眾多方案中選擇滿(mǎn)足設計功率預算要求的系統方案也是系統設計成功的關(guān)鍵因素之一。

　　選擇具有廣泛嵌入式系統支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統的支持能力是進(jìn)行方案選型的考慮要點(diǎn)之一。

　　以MCU或ASIC為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統設計要求上正面臨挑戰，有限的處理能力通常難以滿(mǎn)足很多應用的高處理能力需求，或者缺乏進(jìn)行功能擴展和產(chǎn)品升級換代的設計靈活性，某些設計為了滿(mǎn)足系統的處理能力要求而增加DSP或協(xié)處理器，從而增加系統的復雜性、功耗和成本。

　　結合MCU和DSP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器有效解決了上述設計挑戰，而Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。Blackfin是ADI公司基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號架構(MSA)，它將一個(gè)32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。該架構很適合于全信號處理/分析能力，同時(shí)還可在單內核器件或雙內核器件上提供高效RISC MCU控制任務(wù)執行能力。這種匯聚架構非常符合當前大多數系統需要進(jìn)行數據處理、各種算法的實(shí)現、通信功能的軟件實(shí)現以及對各種系統控制功能的支持。