嵌入式設(shè)計(jì)30年，聚焦匯聚式處理器

如果將上世紀(jì)70年代末單片機(jī)的出現(xiàn)作為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的起點(diǎn)的話，其發(fā)展歷程幾乎與中國社會(huì)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(jì)算機(jī)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(jì)工程師可以針對其目標(biāo)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(jī)，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(diǎn)的處理器已逾千種，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?yàn)榻Y(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(qiáng)，而功耗和價(jià)格卻越來越低。目前。豐富的嵌入式處理器已經(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(fèi)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(jì)技術(shù)挑戰(zhàn)

　　盡管嵌入式設(shè)計(jì)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(biāo)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(jì)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(jìn)行方案選擇時(shí)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(jì)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(shí)候難以滿足系統(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(jì)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(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(jì)，要在設(shè)計(jì)周期很有限的條件下完全從零開始實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)已經(jīng)變得不現(xiàn)實(shí)，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(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持，以及是否有完整的設(shè)計(jì)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(jì)非常關(guān)鍵。

　　標(biāo)準(zhǔn)的多樣性和不確定性帶來產(chǎn)品升級換代的顧慮。當(dāng)前在各個(gè)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(biāo)準(zhǔn)，如何在保證搶占市場窗口期的先機(jī)，同時(shí)確保當(dāng)前的設(shè)計(jì)滿足未來變化的市場和技術(shù)需求，必須考慮方案的可擴(kuò)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(shí)際設(shè)計(jì)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(jì)技術(shù)的改進(jìn)，低功耗設(shè)計(jì)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(jì)功率預(yù)算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行方案選型的考慮要點(diǎn)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(jì)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(jìn)行功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級換代的設(shè)計(jì)靈活性，某些設(shè)計(jì)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)勢的匯聚式處理器是有效解決上述設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的方案之一，而ADI公司Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。匯聚式處理器典型應(yīng)用有電力應(yīng)用的智能電表，安防應(yīng)用的視頻監(jiān)控，醫(yī)療設(shè)備的便攜式房顫監(jiān)測儀，工業(yè)應(yīng)用的3DLevelScanner三維曲面測量儀等。