嵌入式設(shè)計30年，聚焦匯聚式處理器應(yīng)用

　　如果將上世紀70年代末單片機的出現(xiàn)作為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的起點的話，其發(fā)展歷程幾乎與中國社會改革開放同步，已經(jīng)走過30年的歷程。與Windows操作系統(tǒng)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(tǒng)的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢，設(shè)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(tǒng)軟件。

　　從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)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的處理器已經(jīng)逾千種，數(shù)十種常用的體系架構(gòu)。廣闊的市場應(yīng)用前景吸引了大量的半導(dǎo)體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強，而功耗和價格卻越來越低。隨著半導(dǎo)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(yīng)用到從國防、工業(yè)、汽車到醫(yī)療設(shè)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(shè)計技術(shù)挑戰(zhàn)

　　盡管嵌入式設(shè)計經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統(tǒng)日益復(fù)雜化，目標應(yīng)用對系統(tǒng)的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)似乎并沒有隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進行方案選擇時必須正確評估應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

　　處理能力要求越來越高。系統(tǒng)本身的復(fù)雜功能、友好的界面設(shè)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(tǒng)MCU或ASIC很多時候都難以滿足系統(tǒng)高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設(shè)計復(fù)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(tǒng)設(shè)計，特別是一些新產(chǎn)品和功能復(fù)雜的嵌入式產(chǎn)品設(shè)計，要在設(shè)計周期很緊的條件下完全從零開始實現(xiàn)設(shè)計已經(jīng)變得不現(xiàn)實，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計支持，以及是否有完整的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。事實上，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產(chǎn)品升級換代的顧慮。當前在各個行業(yè)都面臨一些創(chuàng)新型應(yīng)用，例如智能電表和智能視頻監(jiān)控等，這些應(yīng)用都具有一定開創(chuàng)性，目前沒有或尚未形成行業(yè)統(tǒng)一的標準，如何在保證搶占市場窗口期的先機，同時確保當前的設(shè)計滿足未來變化的市場和技術(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越高，而系統(tǒng)功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實際設(shè)計過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)、嵌入式處理器架構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計技術(shù)的改進，低功耗設(shè)計技術(shù)日新月異，電壓、工作頻率自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、多工作模式的節(jié)能技術(shù)、數(shù)字電源管理技術(shù)，以及低功耗的最新半導(dǎo)體工藝技術(shù)應(yīng)用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設(shè)計功率預(yù)算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵因素之一。

　　選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一。

　　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(tǒng)設(shè)計要求上正面臨挑戰(zhàn)，有限的處理能力通常難以滿足很多應(yīng)用的高處理能力需求，或者缺乏進行功能擴展和產(chǎn)品升級換代的設(shè)計靈活性，某些設(shè)計為了滿足系統(tǒng)的處理能力要求而增加DSP或協(xié)處理器，從而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、功耗和成本。

　　結(jié)合MCU和DSP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器有效解決了上述設(shè)計挑戰(zhàn)，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)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，它將一個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(gòu)很適合于全信號處理/分析能力，同時還可在單內(nèi)核器件或雙內(nèi)核器件上提供高效RISC MCU控制任務(wù)執(zhí)行能力。這種匯聚架構(gòu)非常符合當前大多數(shù)系統(tǒng)需要進行數(shù)據(jù)處理、各種算法的實現(xiàn)、通信功能的軟件實現(xiàn)以及對各種系統(tǒng)控制功能的支持。