通過分布式處理提升處理器效率

在剛剛過去的數(shù)年內(nèi)，我們見證了多處理系統(tǒng)日漸成為主流，事實(shí)上大多數(shù)現(xiàn)代個(gè)人計(jì)算的CPU均采用了對(duì)稱多處理系統(tǒng)（SMP），其中，相同處理器的多個(gè)實(shí)現(xiàn)例程分擔(dān)運(yùn)行在PC上的應(yīng)用程序負(fù)荷。SMP目前已相當(dāng)常見，但在嵌入式計(jì)算中，向多處理的轉(zhuǎn)移趨勢(shì)并不常見。然而，新的嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)為工程師提供了相當(dāng)?shù)淖杂啥龋軌蛟跀?shù)字子系統(tǒng)上智能化地分配處理功能。在本文中，研究了一個(gè)使用Cypress半導(dǎo)體公司PSoC 3和PSoC 5架構(gòu)的分布式處理技術(shù)示例，該架構(gòu)由一個(gè)主CPU（在本例中為8051或ARM Cortex M3）、一個(gè)DMA引擎、以及通用數(shù)字模塊（UDB）陣列構(gòu)成。UDB可高效用作微處理器陣列。通過在這類子系統(tǒng)上分配處理功能，減少計(jì)算復(fù)雜程度和處理負(fù)荷，工程師能夠提升整個(gè)系統(tǒng)的效率。

將處理功能分解到多個(gè)功能塊上具有很多優(yōu)點(diǎn)，最大的優(yōu)點(diǎn)是降低了實(shí)際功耗。通過降低CPU在處理MIPS方面的負(fù)荷，只計(jì)算簡(jiǎn)單的函數(shù)，如服務(wù)中斷，能夠以較低的頻率運(yùn)行應(yīng)用程序，這是因?yàn)椋藨?yīng)用程序的所有函數(shù)外，CPU無需在不太復(fù)雜的函數(shù)上耗費(fèi)指令周期。這樣，就能從兩個(gè)方面降低整個(gè)應(yīng)用的功耗。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)顯而易見，降低CPU時(shí)鐘，隨著時(shí)鐘速度的降低，實(shí)際功率呈線性下降。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)有些容易被忽視，但同樣重要，CPU具有的邏輯門約是UDB的10倍以上，通過將處理功能從主CPU卸載到微處理器上，可釋放大量用于完成處理功能的邏輯門，從而進(jìn)一步顯著改善實(shí)際功耗。

除了顯著降低應(yīng)用程序的實(shí)際功耗外，分布式處理還具有另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，由于CPU從更平凡的處理負(fù)擔(dān)中解脫出來，能夠?qū)⑵銶IPS更多地用在可更好發(fā)揮CPU特性的功能上，用于具有更高計(jì)算強(qiáng)度的函數(shù)上，如乘除指令。

為了理解將處理功能分解在架構(gòu)上的方式，我們將分析常見的嵌入式應(yīng)用，如無刷直流電機(jī)控制。首先我們深入實(shí)質(zhì)，了解PSoC 3和PSoC 5數(shù)字子系統(tǒng)，以便理解其能力。

PSoC 3和PSoC 5器件公用平臺(tái)架構(gòu)，這意味著在兩個(gè)系列中，基本硬件是相同的。PSoC3和5平臺(tái)架構(gòu)由四個(gè)主要功能塊構(gòu)成，它們是：

CPU子系統(tǒng)：首先是CPU子系統(tǒng)，它包含主CPU（8051或Cortex M3）以及所有支撐IP，包括中斷控制器，調(diào)試硬件，以及DMA控制器。其他系統(tǒng)功能也包含在CPU子系統(tǒng)中，如計(jì)時(shí)，電源管理，以及系統(tǒng)存儲(chǔ)器。通過CPU與DMA引擎的結(jié)合，可為我們提供實(shí)現(xiàn)分布式處理功能所需的兩個(gè)關(guān)鍵部件。

數(shù)字子系統(tǒng)：數(shù)字子系統(tǒng)是PSoC 3和PSoC 5系列架構(gòu)的另一重要部分，使用它，能夠?qū)崿F(xiàn)分布式處理系統(tǒng)。PSoC 3和PSoC 5中的數(shù)字子系統(tǒng)主要由可靈活編程的通用數(shù)字模塊（UDB）陣列構(gòu)成。正如從圖X中所見到的，UDB硬件包含數(shù)據(jù)路徑元素，它本質(zhì)上是8位微處理器，能夠執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的處理功能，如移位、加和比較。數(shù)據(jù)路徑元素（圖XX）還與PLD單元相結(jié)合，可用于實(shí)現(xiàn)定制的邏輯功能，甚至能夠查詢表以找出可用作參考的數(shù)據(jù)路徑元素。這些UDB可用于實(shí)現(xiàn)很多外圍標(biāo)準(zhǔn)功能，如PWM、定時(shí)器和SPI，它們也能用于實(shí)現(xiàn)定制的外圍功能。正因?yàn)檫@種靈活性，PSoC能夠?qū)崿F(xiàn)分布式處理功能。

圖1