32位處理器推動(dòng)多媒體的發(fā)展

隨著(zhù)嵌入式系統朝著(zhù)越來(lái)越復雜的方向快速發(fā)展，設計工程師必須面對如何選擇處理器的新挑戰。在許多先進(jìn)的應用中，靈活、低成本的8位和16位微控制器（MCU）正在逐漸地被32位的系統芯片（SOC）所取代。當然，8位和16位處理器在嵌入式系統中仍然保持其應有的地位。但是，發(fā)展32位處理器的理由很多，如考慮系統成本、產(chǎn)品可擴縮性和性能要求等，這僅是幾個(gè)例子。下面我們以多媒體市場(chǎng)為背景來(lái)討論轉向32位MCU的主要原因。
要了解為什么32位MCU在多媒體領(lǐng)域中如此流行，首先要考慮到8位MCU不具備保證多媒體系統進(jìn)行實(shí)時(shí)操作所需的帶寬和計算能力。16位MCU畢竟能提高速度和性能，另外，它們還比8位 MCU消耗更低的待機電流并且通常能提供更大的片內存儲器。
一個(gè)很明顯的問(wèn)題是，為什么不轉向16位MCU？答案很簡(jiǎn)單。采用32位MCU系統的實(shí)際成本與當前可提供的許多16位MCU解決方案相當，但性能卻比16 位 MCU提高很多。下面簡(jiǎn)要指出造成這種成本相近的幾種原因。

制造工藝
隨著(zhù)半導體制造工藝幾何尺寸不斷縮小，32位MCU結構變得越來(lái)越便宜。芯片幾何尺寸減小，引起管芯尺寸變小，從而使每個(gè)圓片上可提供更多的管芯。這直接降低了每顆芯片的成本。另外，隨著(zhù)32位MCU的制造工藝減小到0.18μm或0.13μm (而8位MCU一般為0.25μm工藝)，能夠提高運行速度。例如，大多數8位和16位MCU的正常工作速度低于100MHz，而0.13μm工藝的32位MCU能夠比這個(gè)速度高出許多倍。
有兩個(gè)主要原因可以解釋為何以較小的工藝尺寸設計8位MCU是不經(jīng)濟有效的。首先，由于8位MCU帶寬總體來(lái)說(shuō)不夠高，因此工藝尺寸減小所帶來(lái)的任何速度提高都是無(wú)用的。第二，通常8位MCU的價(jià)格目標為2美元左右，這個(gè)價(jià)格太低，無(wú)法支持某些更小工藝尺寸的實(shí)現。
更小工藝尺寸雖然不適合8位MCU的價(jià)格目標，但對32位MCU來(lái)說(shuō)卻是個(gè)優(yōu)勢，因為減小其工藝尺寸能給適合SOC的一組外圍電路留出余量。更重要的是，大約為5美元的價(jià)格與16位MCU的價(jià)格相當，但性能卻產(chǎn)生了飛躍。

編程模式
另外一個(gè)與價(jià)格有關(guān)的考慮是32位MPU結構的編程模式。由于增加了處理器的數據總線(xiàn)位數，還增加了一個(gè)由32位數據寄存器和地址寄存器組成的寄存器文件，所以大大提高了編譯器的支持能力。另外，32位MCU通常均支持16位和32位操作碼，從而增強了指令集結構的靈活性，提高了代碼密度，并且使許多操作在單個(gè)內核時(shí)鐘周期內就可完成。
以上兩個(gè)特點(diǎn)都減少了對手工編制匯編代碼的依賴(lài)性，因此程序設計師主要使用諸如C語(yǔ)言的高級語(yǔ)言進(jìn)行編程?；贑語(yǔ)言的編程模式直接降低了開(kāi)發(fā)和維護成本。32位MPU能夠將公司現有的應用轉變成以前從未想到的MCU環(huán)境。

擴展的外圍支持
如前所述，MCU在多媒體系統中通常起到系統控制器的作用。它們不適合用于大量的數據處理，這是數字信號處理器（DSP）做的工作。實(shí)際上，MCU控制DSP的運行，并且管理人機界面、操作系統和與其它系統組成的連接。
正是這種與外圍電路的連接推動(dòng)了32位MCU的發(fā)展，許多廣泛應用的外圍電路（高速USB2.0、PCI等等）都支持高速率數據傳送，但是用8位或16位MCU很難或無(wú)法處理這些數據流。例如，在網(wǎng)絡(luò )連通領(lǐng)域中，如果數據寄存器最大長(cháng)度為8位或16位，則無(wú)法支持全套的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。
8位和16位MCU的根本問(wèn)題在于，以其有限的處理能力和很小的存儲器尋址范圍無(wú)法支持高速運行。有些8位MCU只有幾個(gè)數據寄存器，沒(méi)有單獨的累加器。提供完整的寄存器文件非常重要，因為它不需要在存儲器和累加器之間頻繁地傳送數據。另外，利用多個(gè)32位數據地址產(chǎn)生寄存器，能夠使性能得到極大地提高。32位MCU的這些特點(diǎn)帶來(lái)更密集的編譯碼、更寬的連續帶寬、以及如前所述的更靈活的編程模式。
作為一種與32位MCU競爭的一種自然“策略”，16位MCU供應商一直試圖擴展16位MCU的內部數據位數，以達到不增加解決方案的最終成本而提高運行速度的目的。這種方法可以起一些作用，但無(wú)法彌補性能的根本差距。

32位MCU系統的發(fā)展趨勢
與32位MCU平行發(fā)展的一個(gè)趨勢是將多種DSP功能集成在單芯片上。盡管當前的大多數多媒體設計中使用一個(gè)MCU來(lái)控制一個(gè)DSP，但出于成本、尺寸和功耗的考慮，開(kāi)發(fā)商一直試圖將這種功能性集成到單芯片上。另外提高32位MCU的時(shí)鐘速度，這有助于推動(dòng)這一趨勢：時(shí)鐘速度越高意味著(zhù)為完成信號處理提供更多的余量。
然而，MCU本身不適合有效的信號處理。因此，制造商一直試圖采用一些技術(shù)來(lái)彌補這一不足。
一種方法是采用多芯片模塊（MCM），即將DSP和MCU組合在單個(gè)封裝內。這種方法的不足是，設計工程師必須按"50/50"的時(shí)間比例分配控制功能和處理功能；例如，一旦DSP超出時(shí)間，MCU將不能完成計算任務(wù)。另外，由于DSP內核和MCU內核相互獨立，需要兩套開(kāi)發(fā)工具。
另外一種方法是使MCU具備DSP功能。這種方法只適合直接的信號處理應用。MCU的時(shí)鐘速度和計算結構本質(zhì)上不適合大量的數據計算。有些MCU試圖通過(guò)增加一個(gè)DSP的乘法累加器（MAC）來(lái)補償這種不足。但這種方法仍缺乏更先進(jìn)應用所需要基本的“自下而上 ”結構設計 。
最后一種方法是將MCU和DSP功能集成到單個(gè)處理器中，這些處理器采用了統一的結構，它不僅適于數字計算，而且也適于控制任務(wù)。這就是ADI公司Blackfin處理器系列的設計思想，即同時(shí)具備16位DSP和32位MCU的功能。通過(guò)平衡執行控制任務(wù)和復雜運算能力的需求，這種方法根據系統實(shí)時(shí)處理的需要可以實(shí)施100%的控制或100%的計算。
今后，32位MCU將繼續以低價(jià)格提供更高的處理速度和更多的功能。SOC技術(shù)將繼續把MCU功能和統一的連通性及強大的計算能力同時(shí)集成在一起，從而實(shí)現真正的單片解決方案。很明顯，這些32位SOC已經(jīng)對多媒體領(lǐng)域提出它們的要求，并且其變革這些市場(chǎng)的能力日趨明朗。各種MCU的比較如圖1所示，圖1示出了支持多媒體應用的一般發(fā)展趨勢，SOC具有集成的32位MCU高性能，適合多媒體應用。低性能的8位和16位MCU適合控制應用。
圖1