采用集成DSP與微處理器內核的嵌入式應用

嵌入式應用包括信號處理算法與控制算法，在多種實(shí)時(shí)嵌入式系統中，這兩種算法共同執行必需的功能，因此我們應了解控制算法與數字信號處理器 (DSP) 算法是如何實(shí)現互操作性的。在手機和 MP3 播放器等應用中，要解決上述互操作性問(wèn)題，傳統做法是分別用 RISC 處理器和DSP來(lái)處理控制算法與信號處理算法。例如，在手機中，信號處理功能負責處理音視頻應用中的回聲消除與編解碼工作。由于DSP 架構是專(zhuān)門(mén)設計用于執行信號處理算法的，因此信號處理算法在 DSP 上的 運行效率很高；而手機中的控制軟件則負責執行狀態(tài)機，即控制用戶(hù)界面、鍵盤(pán)及其它非信號處理功能。

開(kāi)發(fā)包括信號處理與控制算法且要求這兩種算法間實(shí)現互操作性的嵌入式應用時(shí)，我們要面臨幾大挑戰。舉例來(lái)說(shuō)，當我們將桌面應用或其它復雜應用連接到嵌入式設備上時(shí)，讓該嵌入式設備的DSP/RISC 內核實(shí)時(shí)工作并適當地進(jìn)行代碼分組(code partitioning)會(huì )相當困難，因為要這兩種不同內核實(shí)現同步操作需要進(jìn)行大量的工作。視頻或協(xié)議處理等眾多高級嵌入式應用會(huì )增加多內核上代碼分組的難度，而且大多數代碼分組工作都要由編程人員完成。以采用德州儀器 (TI)TMS320C55x DSP 與 ARM RISC 處理器的雙內核架構為例來(lái)說(shuō)，DSP 執行信號處理任務(wù)，而 ARM 9 則執行控制功能 (如圖 1 所示)。  

圖 1  傳統的雙內核 DSP/RISC 處理架構

另一種方法是在單個(gè)設備中集成 DSP 與微處理器，我們可向 RISC 內核添加類(lèi)似于 DSP 的指令(如乘法或累加指令)或向 DSP 內核添加類(lèi)似的控制指令(如執行特定尋址任務(wù)的指令)，從而實(shí)現上述目的。憑借相關(guān)工具的支持，這種“集成化”技術(shù)具有一定的優(yōu)勢，如在操作系統上僅運行唯一的原生應用，這樣就能簡(jiǎn)化設計方案，便于集成，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。

在傳統嵌入式應用中，分別采用通用微處理器(或微控制器)和DSP內核來(lái)執行通用功能與信號處理算法。上述方法的合理性在于：
*SP 內核專(zhuān)門(mén)運行信號處理算法，效率較高；
*SP 架構共享一系列常見(jiàn)功能，如并行計算與移動(dòng)、快速乘法累加 (MAC) 運算以及Harvard 架構等，支持多個(gè)運算的同時(shí)存??； 
*SP處理器通常不采用RISC設計原理；
*SP架構是在電信及多媒體領(lǐng)域的視頻、影像與語(yǔ)音處理等應用以及數據壓縮與解壓縮功能的驅動(dòng)下應運而生的；
*SP 指令集以存儲器為導向，并針對過(guò)濾與轉換等信號處理算法的執行進(jìn)行了精心優(yōu)化。為了支持上述運算，DSP 采用專(zhuān)用寄存器、地址單元、乘法累加單元及片上存儲器等。

系統應用分組的最大挑戰在于，每個(gè)內核都需要自己的外部存儲器子系統，這會(huì )增加功耗。除了控制獨立存儲器子系統所需的功耗之外，通常每個(gè)內核還要控制自己的一套外設，以實(shí)現處理內核數據的存取(如圖1所示，DSP 及 ARM 與各自可能互不相同的一套外設及存儲器子系統相連)，這也會(huì )增加功耗，而且還會(huì )加大整體系統通信開(kāi)銷(xiāo)。

向 RISC 內核添加 DSP 指令

在 RISC 架構中集成 DSP 單元不僅能夠實(shí)現更多并行操作，而且還更有效地共享資源(如外設及存儲器等)。因此，采用速度更快的 RISC 架構，DSP算法的執行速度也相應地提高了。

不過(guò)，RISC 架構采用負載／存儲原理，指令集的通用性較強，因此會(huì )對性能造成負面影響。有關(guān)設備的高速緩存技術(shù)比較復雜且大量使用管線(xiàn)處理，從而需要較高的時(shí)鐘頻率?；?RISC 的微處理器添加增強型 DSP 功能與特性后，可支持乘法累加指令等 DSP 算法，也能支持圖像或影像處理等專(zhuān)門(mén)單元。

由于帶 RISC/DSP 雙內核的處理器能夠完成兩個(gè)單核處理器的工作，因此不存在處理器間通信的問(wèn)題。利用集成內核，我們可在 DSP 與控制器上動(dòng)態(tài)進(jìn)行代碼分組，以適應系統要求或環(huán)境的變化。這種模式不僅能夠加快環(huán)境轉換，而且由于無(wú)需兩套外設或存儲器，因此進(jìn)一步降低了資源占用。此外，這種方法還提高了系統的集成度，這不僅有助于降低功耗，而且還能通過(guò)在單個(gè)設備上集成更多功能而實(shí)現成本降低、性能提高及芯片尺寸縮減等其它多種優(yōu)勢。

如前所述，現代 DSP 處理器本身具備一些通用特性，如配置用于 DSP 運算的專(zhuān)用數據路徑、以DSP 為中心的運算所需的專(zhuān)用指令集、滿(mǎn)足多個(gè)時(shí)序存儲器存取所需的多個(gè)存儲體與總線(xiàn)，以及DSP 的專(zhuān)用外設等。

另一方面，通用處理器也在自身內核中集成了類(lèi)似 DSP 的功能。我們可采用多種方法來(lái)為通用處理器添加 DSP 功能。設計人員可添加專(zhuān)用的單指令、多數據指令以及諸如多媒體擴展指令集 (MMX)指令等，也可為多個(gè)取操作數在現有 CPU內核(如瑞薩SH-DSP)上集成類(lèi)似于定點(diǎn) DSP 處理器的數據路徑及其它相關(guān)資源。與ARM 公司的 NEON 架構類(lèi)似，我們還可向 CPU 添加 DSP協(xié)處理器。設計人員也可創(chuàng )建三內核處理器等混合架構。

帶有集成 DSP 功能與特性的架構

NEON SIMD 指令能并行處理 16 個(gè)元件，這加速了媒體及 DSP 應用。有關(guān)指令與內核密切配合(如圖 2 所示)，這種集成技術(shù)使我們能統一查看與 ARM 內核共享的存儲器的情況，從而能使用統一的指令流，明確統一的平臺目標，進(jìn)而加速整體應用開(kāi)發(fā)進(jìn)程。

圖 2  ARM NEON 架構

這種架構對 3G 手機等特定應用而言非常適用。就這種應用來(lái)說(shuō)，DSP 數據引擎可用于視頻編碼等專(zhuān)門(mén)的處理工作，而集成了NEON DSP 功能的 ARM 內核則可用于音視頻解碼，RISC 處理引擎則可用于用戶(hù)界面及協(xié)議棧處理等。

三內核架構(如圖 3 所示)將類(lèi)似于 MCU 的 RISC 負載/存儲型架構與類(lèi)似 DSP 的 Harvard 存儲器架構結合在一起，地址總線(xiàn)均為 32 位寬。程序與數據存儲器總線(xiàn)為 64 位寬。內核本身不包含任何存儲器，不過(guò)可由設計人員定制。超標量架構包括 32 位定點(diǎn)數據通路、負載/存儲單元及程序控制單元等。該設備每個(gè)循環(huán)能執行多達三個(gè)指令(數據通路指令、負載/存儲指令以及指定回路的指令)，這適合高性能DSP應用的需求。

圖3 三內核構架

有關(guān)設備還支持各種 DSP 尋址模式，其中包括帶前后增量的寄存器間接尋址、索引尋址、循環(huán)(自動(dòng)模數)尋址及位翻轉尋址等。位翻轉技術(shù)對譯出FFT算法的輸入輸出很有用，這是常見(jiàn)的DSP操作。此外還支持零開(kāi)銷(xiāo)硬件循環(huán)。

總之，采用集成 RISC/DSP 處理器支持實(shí)時(shí)嵌入式系統的優(yōu)勢在于：
*不影響DSP與微控制器性能的條件下，單個(gè)架構完美集成了DSP與微控制器的功能與特性；
*速任務(wù)切換功能使集成內核能像虛擬處理器一樣工作，并在DSP與微控制器任務(wù)間實(shí)現快速切換，有時(shí)僅需幾個(gè)時(shí)鐘周期；
*大的片上存儲器塊(RAM 與 ROM)有助于提高系統性能并降低功耗；
*成架構無(wú)需額外的粘接邏輯便可直接控制片上外設。