Blackfin嵌入式媒體處理器的體系結構

引言
針對高級媒體處理要求高速信號處理和控制功能并舉的應用需求，美國模擬器件公司（簡(jiǎn)稱(chēng)adi）開(kāi)發(fā)出了兼備上述功能的單芯片blackfin系列媒體處理器，主要用于對多媒體應用中很普遍的實(shí)時(shí)數據流和通常由mcu操縱的控制任務(wù)進(jìn)行處理。blackfin處理器通過(guò)把信號處理模塊［例如雙mac和視頻運算器（alu）］和典型的mcu功能（例如操作模式和內存管理單元）結合起來(lái)，提供了一種設計嵌入式多媒體系統的集成方法。本文主要介紹blackfin處理器能在一個(gè)復雜的多媒體系統中完成dsp和mcu兩種任務(wù)的體系結構和功能特點(diǎn)。

全面的外圍設備

因為mcu本來(lái)就是系統控制器，所以它們通常會(huì )提供多種多樣的用于連接其他子系統的外圍設備。這些外圍設備包括低速的串行端口［例如串行外圍接口（spi）和通用異步收發(fā)器（uart）］、可編程通信接口（pci）、通用串行總線(xiàn)（usb）以及一些外圍設備。此外，為了進(jìn)行事件控制，它們通常還包含可以作為事件捕獲設備或者脈寬調制（pwm）輸出節點(diǎn)的可編程定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、監視定時(shí)器以及大量有用的可編程輸入輸出（i/o）標志。

blackfin媒體處理器系列不僅包含這些mcu類(lèi)型的外圍設備，還包含用于發(fā)送和接收多媒體信息的高速接口（見(jiàn)圖1）。例如，其中異步串行端口可連接到高分辨率的音頻編解碼器和高性能電信接口，而并行外圍接口（ppi）可連接到視頻編解碼器和數據轉換器。

與大多數mcu一樣，blackfin處理器有片內硬件支持用于軟件異常、硬件斷點(diǎn)、性能計數器和執行跟蹤，而且它還支持通過(guò)一個(gè)jtag口對目標硬件的完整控制。

dsp應用強調盡可能用最少的時(shí)鐘周期執行盡可能多的算術(shù)計算(如mac操作)。為了達到這個(gè)目的，它們經(jīng)常采用vliw（超長(cháng)指令字）指令，因而為了提高計算效率而犧牲代碼密度。另一方面，mcu主要執行的控制功能包含許多條件操作，在程序流程中頻繁跳轉。這些程序一般都采用c或c++語(yǔ)言編寫(xiě)，并且常常使用實(shí)時(shí)操作系統(rtos)。因為可能需要大量的控制功能，所以代碼密度至關(guān)重要，從而使可變長(cháng)度指令集成為一個(gè)突出的特點(diǎn)。

blackfin處理器的軟件開(kāi)發(fā)模式使得同一架構內的高性能dsp功能可與典型的risc設備相匹配。系統層和產(chǎn)品層應用代碼可用c/c++語(yǔ)言編寫(xiě)，并且位于用戶(hù)選擇的標準實(shí)時(shí)操作系統的頂層。底層代碼，例如原始數據搬移和處理，可以用混合匯編代碼和c/c++代碼來(lái)編寫(xiě)，需要時(shí)還可采用手工調整的匯編庫。

應該認識到blackfin處理器既不是帶有增強指令集的dsp，也不是擴展了dsp功能的mcu，這一點(diǎn)很重要。該處理器既是一種高性能的媒體處理器，也是支持編譯器的處理器，兩類(lèi)開(kāi)發(fā)工程師都能認可這種處理器。因為blackfin處理器在一個(gè)統一平臺上利用一個(gè)工具鏈開(kāi)發(fā)代碼，所以開(kāi)發(fā)工程師只要學(xué)會(huì )一個(gè)指令集就能維護在同一個(gè)操作系統上運行的一個(gè)代碼集。這種協(xié)同作用實(shí)際上創(chuàng )造了一個(gè)新的“媒體指令集計算”領(lǐng)域，可大大縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。

數據搬移

dsp是數據量很大的應用，所以讓它們自己參與多的數據總線(xiàn)和dma引擎以便降低數據搬移對核心處理器的負擔。另一方面，mcu通常不支持足夠快的存儲器數據傳輸速率以適應流媒體數據。 嵌入式媒體處理器必須有全面的dma能力以便將數據塊移進(jìn)或移出芯片。因為在芯片上集成足夠的存儲器用于存儲多個(gè)解壓縮視頻幀很不切實(shí)際，所以必須以一種高度集成的方法采用dma來(lái)管理流動(dòng)數據，以便有效地完成視頻處理?？紤]到媒體處理應用需要大量的數據搬移，所以數據搬移不允許引起處理器中斷，因為中斷會(huì )影響實(shí)時(shí)性能。另外，因為進(jìn)行數據搬移時(shí)經(jīng)過(guò)核心處理器會(huì )降低效率，所以該dma引擎必須有自主權并且有足夠的能力以便降低處理器內核的負擔。實(shí)質(zhì)上，該dma控制器允許處理器內核把數據搬移與系統控制過(guò)程分離開(kāi)。 在典型的應用中，原始數據首先從視頻端口或串行端口等外圍設備直接經(jīng)過(guò)dma進(jìn)入媒體處理器；然后，在媒體數據處理期間，中間數據直接經(jīng)過(guò)dma送到外部存儲器或者從外部存儲器獲??；最后，處理過(guò)的數據直接經(jīng)過(guò)dma送回到外圍設備或系統存儲器。blackfin處理器除了提供具有不同優(yōu)先級的高速dma通道外，還具有“二維”dma功能（見(jiàn)圖2），使其能以很低的軟件開(kāi)銷(xiāo)就可搬移任意矩形區域內的數據（例如，一幅圖像中的一個(gè)像素塊）。

存儲器的組織和管理

blackfin體系結構包含一個(gè)多級存儲器層次，用于數據存取和指令讀?。ㄒ?jiàn)圖3）。這些結構適合于支持硬件實(shí)時(shí)確定性操作和非實(shí)時(shí)大代碼尺寸的有效應用。通過(guò)把blackfin處理器先進(jìn)的數據搬移能力和它的多級數據存儲器層次結合到一起，可以高效地處理面向流的數據和面向控制的數據。l2存儲器和l3存儲器都是線(xiàn)性的（包括指令和數據）而且該處理器的可設定地址空間很大，允許處理器訪(fǎng)問(wèn)大程序和數據集。

資源的保護

因為mcu要控制一個(gè)完整的復雜系統，所以它們必須有一組完整的安全特性，例如具有定義獨立的、可自由存取的應用開(kāi)發(fā)代碼區，同時(shí)又能夠保持不同的代碼區沒(méi)有受覆蓋危險的存儲器管理能力。blackfin處理器以受保護（“用戶(hù)”）和未受保護（“管理員”）兩種操作模式支持上述操作系統的安全功能。這些保護功能防止了用戶(hù)無(wú)意或有意地訪(fǎng)問(wèn)或破壞系統的共享部分。像許多mcu一樣，blackfin處理器也允許異步中斷和同步異常。這兩類(lèi)事件都會(huì )引起流水線(xiàn)指令掛起正在執行的任務(wù)以便處理中斷事件。blackfin處理器的可映射中斷優(yōu)先級是一項在mcu中很普遍的功能，但在dsp中不常見(jiàn)。該芯片的異常處理能力保護了系統免遭錯誤或非法的程序侵害。

動(dòng)態(tài)電源管理

為了滿(mǎn)足嵌入式媒體處理器對計算復雜度和性能的要求，需要很快的時(shí)鐘頻率，功耗將是設計中要考慮的一個(gè)重要因素。blackfin處理器的動(dòng)態(tài)電源管理能力可以針對具體的任務(wù)來(lái)優(yōu)化性能和功耗的關(guān)系，它支持一種多層次的電源管理方法，可以根據系統需求調整性能。如圖4所示，其內核電壓可隨著(zhù)頻率的變化而一致地變化，所以當以低頻率和低電壓運行某一代碼段時(shí)可以降低功耗。

開(kāi)發(fā)工具

為了支持媒體處理應用的開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境必須同時(shí)能支持兩類(lèi)開(kāi)發(fā)—密集型環(huán)路的媒體和信號處理，以及基于高速緩存的控制處理。crosscore開(kāi)發(fā)工具套件支持blackfin系統開(kāi)發(fā)。這些開(kāi)發(fā)工具包括評估系統、在線(xiàn)仿真器以及一個(gè)visualdsp++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，具有支持兩類(lèi)系統開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)。

為了調整位于低速l2或l3存儲器中的控制代碼和數據，系統開(kāi)發(fā)工程師必須了解和觀(guān)察高速緩存在系統中是如何工作的。精確到時(shí)鐘周期的仿真程序收集了與執行序列和高速緩存操作有關(guān)的高速緩存統計數據。例如總的高速緩存存取次數、存取成功次數以及存取失敗次數等統計數據會(huì )被制成表格并直觀(guān)地顯示出來(lái)（見(jiàn)圖5）。此信息會(huì )在應用狀況統計觀(guān)察窗和動(dòng)態(tài)高速緩存內容觀(guān)察窗中顯示出來(lái)。利用這種高速緩存觀(guān)察窗，開(kāi)發(fā)工程師可以確保系統按照所有要求的配置正確地運行。

因為信號處理算法的開(kāi)發(fā)與提高內部環(huán)路效率的關(guān)系十分密切，所以visualdsp++包含了一個(gè)指令流水線(xiàn)觀(guān)察窗（見(jiàn)圖6），它直觀(guān)地顯示出經(jīng)過(guò)定序器的流水線(xiàn)的指令流。阻塞[s]、冒泡[b]、多周期指令[m]、取消指令[k]以及其他的流水線(xiàn)事件都有圖形化顯示。每一個(gè)經(jīng)過(guò)該流水線(xiàn)的具體事件的直觀(guān)顯示，允許系統開(kāi)發(fā)工程師能更好地了解一個(gè)算法中在何處以及為什么引起等待和阻塞，以便優(yōu)化算法，減小無(wú)效的流水線(xiàn)指令數量。

結語(yǔ)

在多媒體應用中應用blackfin處理器系列產(chǎn)品，較之雙處理器解決方案具有成本低、復雜性小、產(chǎn)品上市時(shí)間短等明顯的優(yōu)勢。特別是blackfin處理器能以出色的性?xún)r(jià)比實(shí)現音頻、視頻、圖像等媒體處理功能。