同時處理MCU和DSP的任務(wù)的嵌入式媒體處理器

現(xiàn)在一種嵌入式媒體處理器能夠同時處理MCU和DSP的任務(wù)，從而將那些熟悉用MCU方式進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)的C程式師帶入一個新的領(lǐng)域，其中對代碼和資料流程的智慧管理會顯著提高系統(tǒng)的性能。這對于采用“已經(jīng)掌握”的編程方法和簡單的使用指令高速緩沖記憶體(cache, 簡稱快取記憶體)和資料快取記憶體來管理這些資料流程的程式師很有吸引力。然而，對媒體處理器的高性能直接記憶體訪問(DMA)能力應(yīng)認(rèn)真地考慮。因爲(wèi)懂得在這些應(yīng)用中對使用快取記憶體和DMA進(jìn)行權(quán)衡將有助于更好地理解如何編程來優(yōu)化系統(tǒng)。

記憶體結(jié)構(gòu)——對記憶體管理的要求

當(dāng)今的媒體處理器具有分級的記憶體結(jié)構(gòu)，用來平衡幾種不同容量和性能等級的記憶體。通常，離核心處理器最近的記憶體(稱爲(wèi)“1級”或“L1”記憶體)以全時鐘速率工作，通常支援單時鐘周期指令的運(yùn)行了高效地利用記憶體匯流排的帶寬，L1記憶體一般分爲(wèi)指令段和資料段。通常，該記憶體被配置成SRAM或快取記憶體。對于那些許可權(quán)最高的應(yīng)用，在一個單時鐘周期內(nèi)就能夠訪問片內(nèi)SRAM。對于要求較長代碼的系統(tǒng)，則可以提供附加的片內(nèi)和片外記憶體——同時增加了等待時間。

這種層次結(jié)構(gòu)本身作用有限了適應(yīng)僅配合低速外部記憶體的大部分應(yīng)用，當(dāng)今的高速處理器卻以很低的速度降級使用了提高性能，程式師可以人工地選擇將關(guān)鍵代碼移入或移出內(nèi)部SRAM。另外，將資料快取記憶體和指令快取記憶體加入這種結(jié)構(gòu)使程式師能夠更方便地人工管理外部記憶體?？烊∮洃涹w減少了將指令和資料流程送入處理器內(nèi)核的人工管理傳送。這樣程式師無需考慮如何把資料和指令流送入處理器內(nèi)核，從而極大地簡化了編程模式。

指令記憶體管理——快取記憶體還是DMA?

對嵌入式媒體處理器市場的快速調(diào)查表明，核心處理器的速度大于或等于600 MHz。盡管這種性能可以開辟許多新應(yīng)用，但只有在從內(nèi)部L1記憶體中讀取代碼時才能達(dá)到這種最高速度。當(dāng)然，理想嵌入式處理器可以具有無限容量的L1記憶體，但這不切實(shí)際。因此，程式師在爲(wèi)其實(shí)際系統(tǒng)優(yōu)化記憶體和資料流程時，必須考慮幾種可選方案以充分利用置于處理器內(nèi)的L1記憶體。讓我們來考慮一下其中的一些方案。

第一種方案同時也是最直接的方案，目標(biāo)應(yīng)用代碼可以完全放入L1指令記憶體。對于這種情況，程式師只需將應(yīng)用代碼直接映射到該記憶體空間，無需特殊操作。這就是爲(wèi)什麼包含MCU和DSP兩種功能的媒體處理器必然在這種體系架構(gòu)支援的代碼密度方面具有獨(dú)特優(yōu)勢的原因。

第二種方案，采用一種快取記憶體機(jī)構(gòu)允許程式師訪問更大容量、較低成本的外部記憶體。根據(jù)需要，這種快取記憶體可以作爲(wèi)一種將代碼自動送入L1指令記憶體的方法。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是程式師無需管理代碼移入和移出快取記憶體。當(dāng)執(zhí)行線性代碼時，這種方法達(dá)到最好的效果。當(dāng)執(zhí)行非線性代碼時，快取記憶體線可能會被替換得太頻繁，以致于不能提高即時性能。

指令快取記憶體實(shí)際上具有兩個作用。第一，它以更有效率的方式從外部記憶體中預(yù)取指令。第二，由于快取記憶體一般使用某種“最近使用的指令”的演算法，所以那些用得最頻繁的指令往往就被保持在快取記憶體中。這樣做很有好處，因爲(wèi)存在L1快取記憶體中的指令能夠在一個單時鐘周期內(nèi)完成，就像指令在L1 SRAM中一樣。也就是說，如果該代碼一旦被取走，并且還沒有被覆蓋，即準(zhǔn)備在下一個指令周期執(zhí)行該代碼。

大多數(shù)嚴(yán)格的即時程式師一般不相信這種快取記憶體能帶來最佳的系統(tǒng)性能。他們的理由是如果一系列指令在需要執(zhí)行的時候卻沒有在快取記憶體內(nèi)，將導(dǎo)致影響性能。采用快取記憶體鎖定機(jī)構(gòu)能彌補(bǔ)這個問題。一旦將關(guān)鍵的指令裝入快取記憶體，快取記憶體線就被鎖住，因此指令不會被覆蓋。這樣，程式師就能夠在快取記憶體中保持他們所需指令，并且使該快取記憶體機(jī)構(gòu)管理次要指令。

最后一種方案，通過使用一個獨(dú)立于處理器內(nèi)核的DMA通道將代碼移入或移出L1記憶體。當(dāng)該處理器內(nèi)核在記憶體的一個存儲塊運(yùn)行時，該DMA將代碼送入下一個存儲塊去執(zhí)行。這種方案通常被稱爲(wèi)一種覆蓋技術(shù)。

雖然通過DMA將覆蓋代碼送入L1指令記憶體可以比快取記憶體方式提供更多的關(guān)鍵指令，但其代價是要增加程式師的工作量。換句話，程式師需要預(yù)先安排一種覆蓋代碼的方法和恰當(dāng)?shù)嘏渲肈MA通道。對于一種能夠做有價值的額外管理程式的詳細(xì)計(jì)劃，這種性能仍然會提高。

資料記憶體管理

嵌入式媒體處理器的資料記憶體結(jié)構(gòu)對于整個系統(tǒng)性能的重要性等同于指令時鐘速度的重要性。因爲(wèi)在多媒體應(yīng)用中的任一時間經(jīng)常會有多個資料傳送任務(wù)同時進(jìn)行，所以其匯流排結(jié)構(gòu)必須支援內(nèi)核和DMA對所有外部和內(nèi)部記憶體塊的訪問。對DMA控制器和內(nèi)核之間的沖突進(jìn)行自動處理是非常關(guān)鍵的，否則性能將大大降低。首先要求在內(nèi)核與DMA之間的建立DMA控制器，然后當(dāng)要進(jìn)行處理的資料已經(jīng)準(zhǔn)備時再應(yīng)該回應(yīng)中斷。