嵌入式系統的發(fā)展特點(diǎn)及架構詳解

MIPS 的多發(fā)射體系為MIPS34K系列，此為32位架構處理器，從架構上來(lái)看，其實(shí)多發(fā)射核技術(shù)只是為了盡量避免處理單元閑置浪費而為的折衷手段，就是將處理器中的閑置處理單元，分割出來(lái)虛擬為另一個(gè)核心，以提高處理單元的利用率。在技術(shù)上，為了實(shí)現硬件多重處理，多核心與多發(fā)射兩者對于軟件最佳化的復雜度方面同樣都比單核心架構來(lái)得復雜許多。 34K核心能執行現有的對稱(chēng)式二路SMP操作系統（OSes）與應用軟件，通過(guò)操作系統的主動(dòng)管理，現有的應用軟件也能善用多發(fā)射處理能力。它亦能應用在多個(gè)執行線(xiàn)程各自有不同角色的（AMP或非對稱(chēng)式多重處理）環(huán)境下。此外，34K核心能設定一或兩個(gè)虛擬處理組件（VPE）以及多至5個(gè)線(xiàn)程內容（Thread Content），提供相當高的設計彈性。MIPS的多發(fā)射在任務(wù)切換時(shí)，有多余的硬件緩存器可以記錄執行狀態(tài)，避免切換任務(wù)時(shí)，因為必須重新加載指令，或者是重新執行某部分的工作，造成整個(gè)執行線(xiàn)程的延遲。不過(guò)即便能夠達到同時(shí)執行多個(gè)任務(wù)的能力，多發(fā)射處理器本質(zhì)上仍然是單核心處理器，在單一執行緒面臨高負載時(shí)，其它執行緒的處理時(shí)間就有可能會(huì )被壓縮，甚至被暫停。而不同執行緒在執行的過(guò)程中，諸如內存鎖定、解鎖以及同步等處理過(guò)程在多發(fā)射體系上也會(huì )發(fā)生，因此在極端情況下，多發(fā)射的性能是明顯比不上原生多核心架構的（以?xún)蓚€(gè)執行緒對兩個(gè)核心的比較而言）。 不過(guò)多發(fā)射體系的優(yōu)點(diǎn)在于硬件效率高，理論上功耗也能有效降低。部分IC設計公司也推出了基于MIPS架構的平行架構多核心，形成兼具多核與多發(fā)射的應用架構，相信在未來(lái)這種體系將會(huì )納入MIPS的原生架構當中，以應付更復雜的應用。

3、RISC家族之PowerPC PowerPC 是一種RISC多發(fā)射體系結構

二十世紀九十年代，IBM（國際商用機器公司）、Apple（蘋(píng)果公司）和Motorola（摩托羅拉）公司開(kāi)發(fā) PowerPC芯片成功，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC架構的特點(diǎn)是可伸縮性好、方便靈活。第一代PowerPC采用 0.6微米的生產(chǎn)工藝，晶體管的集成度達到單芯片300萬(wàn)個(gè)。Motorola公司將PowerPC內核設計到SOC芯片之中，形成了 Power QUICC（Quad Integrated Communications Controller）， Power QUICC II和 Power QUICC III家族的數十種型號的嵌入式通信處理器。 Motorola的基于PowerPC體系結構的嵌入式處理器芯片有MPC505、821、850、860、8240、8245、8260、8560等近幾十種產(chǎn)品，其中MPC860是Power QUICC 系列的典型產(chǎn)品，MPC8260是Power QUICC II系列的典型產(chǎn)品，MPC8560是Power QUICC III系列的典型產(chǎn)品。 Power QUICC 系列微處理器一般有三個(gè)功能模塊組成，嵌入式PowerPC核（EMPCC）， 系統接口單元（SIU）以及通信處理器（CPM）模塊，這三個(gè)模塊內部總線(xiàn)都是32位。除此之外Power QUICC中還集成了一個(gè)32位的RISC內核。Power PC核主要執行高層代碼，而RISC則處理實(shí)際通信的低層通信功能，兩個(gè)處理器內核通過(guò)高達8K字節的內部雙口RAM相互配合，共同完成MPC854強大的通行控制和處理功能。CPM以RISC控制器為核心構成，除包括一個(gè)RISC控制器外，還包括七個(gè)串行DMA（SDMA）通道、兩個(gè)串行通信控制器（SCC）、一個(gè)通用串行總線(xiàn)通道（USB）、兩個(gè)串行管理控制器（SMC）、一個(gè)I2C接口和一個(gè)串行外圍電路（SPI），可以通過(guò)靈活的編程方式實(shí)現對Ethemet、USB、T1/E1，ATM等的支持以及對UART， HDLC等多種通信協(xié)議的支持。 Power QUICCII 完全可以看作是Power QUICC的第二代，在靈活性、擴展能力、集成度等方面提供了更高的性能。Power QUICC 11同樣由嵌入式的PowerPC核和通信處理模塊CPM兩部分集成而來(lái)。這種雙處理器器的結構由于CPM承接了嵌入式Power PC核的外圍接口任務(wù)，所以較傳統結構更加省電。CPM交替支持三個(gè)快速串行通信控制器 （FCC），二個(gè)多通道控制器（MCC），四個(gè)串行通信控制器（SCC），二個(gè)串行管理控制器（SMC），一個(gè)串行外圍接口電路（SPI）和一個(gè)12C接口。嵌入式的Power PC核和通信處理模塊（CPM）的融和，以及Power QUICCII的其他功能、性能縮短了技術(shù)人員在網(wǎng)絡(luò )和通信產(chǎn)品方面的開(kāi)發(fā)周期。 同Power QUICCII相比，Power QUICCIII集成度更高、功能更強大、具有更好的性能提升機制。Power QUICCIII中的CPM較Power QUICCII產(chǎn)品200MHz的CPM的運行速度提升了66%，達到333MHz，同時(shí)保持了與早期產(chǎn)品的向后兼容性。這使得客戶(hù)能夠最大范圍的延續其現有的軟件投入、簡(jiǎn)化未來(lái)的系統升級、又極大的節省開(kāi)發(fā)周期。Power QUICCIII通過(guò)微代碼具有的可擴展性和增加客戶(hù)定制功能的特性，能夠使客戶(hù)針對不同應用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出各具特色的產(chǎn)品。這種從Power QUICC II開(kāi)始就有的微代碼復用功能，已經(jīng)成為簡(jiǎn)化和降低升級成本的主要設計考慮。 PowerPC一般應用在服務(wù)器或運算能力強大的專(zhuān)用計算機上，以及游戲機上。

4、RISC家族之ARC架構

與其它RISC處理器技術(shù)相較起來(lái)，ARC的可調整式（Configurable）架構，為其在變化多端的芯片應用領(lǐng)域中爭得一席之地。其可調整式架構主要著(zhù)眼于不同的應用，需要有不同的功能表現，固定式的芯片架構或許可以面面俱到，但是在將其設計進(jìn)入產(chǎn)品之后，某些部分的功能可能完全沒(méi)有使用到的機會(huì )，即使沒(méi)有使用，開(kāi)發(fā)商仍需支付這些多余部分的成本，形成了浪費。 由于制程技術(shù)的進(jìn)步，芯片體積的微縮化，讓半導體廠(chǎng)商可以利用相同尺寸的晶圓切割出更多芯片，通過(guò)標準化，則是有助于降低芯片設計流程，單一通用IP所設計出來(lái)的處理器即可應用于各種用途，不需要另辟產(chǎn)能來(lái)生產(chǎn)特定型號或功能的產(chǎn)品，大量生產(chǎn)也有助于降低單一芯片的成本，而這也是目前嵌入式處理器的共通現象。 在A(yíng)RC的設計概念中，是追求單一芯片成本的最小化，量體裁衣，這需要在設計階段依靠特定EDA軟件才能做到。

ARC 近期也推出了基于700系列的多媒體應用加速處理器，其中整合了ARC 700通用處理核心，以及高速SIMD處理單元，可以在低時(shí)鐘下輕松進(jìn)行諸如藍光光盤(pán)的H.264編譯碼處理，此架構稱(chēng)為VideoSubsystem，基本上該應用處理器就可以擔任通用運算工作，不過(guò)也可以與其它諸如ARM或 MIPS體系進(jìn)行連結，以滿(mǎn)足應用程序的兼容性與影音數據流的加速。

5、RISC家族之Tensilica架構

Tensilica公司的 Xtensa 處理器是一個(gè)可以自由配置、可以彈性擴張，并可以自動(dòng)合成的處理器核心。Xtensa 是第一個(gè)專(zhuān)為嵌入式單芯片系統而設計的微處理器。為了讓系統設計工程師能夠彈性規劃、執行單芯片系統的各種應用功能，Xtensa 在研發(fā)初期就已鎖定成一個(gè)可以自由裝組的架構，因此我們也將其架構定義為可調式設計。