針對復雜嵌入式應用的創(chuàng)新處理器實現方法

隨著流媒體、寬帶網絡以及各種高速接口的廣泛應用，消費類電子產品開始向三重播放(triple play)甚至四重播放(quab play)的領域演進。對嵌入式處理器的要求也變得越來越高，一方面要處理大量的人機交互、外設控制等任務，另一方面還要對不同接口的聲音、視頻、圖像等數據進行數字信號處理，與此同時，嵌入式系統還要應對功耗更低，體積更小的挑戰(zhàn)。

　　傳統的應對方法是不斷研發(fā)更寬數據流、更快頻率的處理器，數據寬已經由最初的4位、8位、發(fā)展到現在的16位、32位，頻率也由最初的mhz級到發(fā)展到現在的ghz級，相應的存儲器容量、速度也在不斷增加。但是繼續(xù)沿著高帶寬、高主頻的摩爾定律方向發(fā)展，工藝上的受限已經初顯端倪，更加難以應對低功耗、小體積的需求。眾多廠商也意識到，對于新的應用而言，速度已經不再是唯一因素，提升性能才是更好的選擇。同一化多核處理器結構
　　單芯片的多核解決方案是個好的嘗試，也是現在的嵌入式應用的熱點之一。interllasys公司seaforth系統芯片是從自已的可擴展嵌入式陣列scalable embedded array (sea)平臺發(fā)展而來的，與將通用處理器和若干dsp核嵌入單芯片的方法不同，該平臺使用了相同的處理器核，每個核既具有通用處理器的功能，同時內部集成高速乘法器 ，經過妥善設計，就可以把復雜的計算任務分配給各個處理器核共同進行。

　　工作時，可以簡單地指定各個處理器核完成需要執(zhí)行的不同任務。比如，在三重播放應用中，可以讓1個處理器核去管理外接存儲器，讓8個處理器核負責fft變換，完成多媒體算法，再用幾個處理器核帶動應用系統中的各種i/o子系統(見圖1)。這樣，每個處理器都會專心運行自己的任務，避免了執(zhí)行不同任務時任務切換之間的開銷，單個處理器在執(zhí)行流媒體解碼過程中，也不會出現由于處理器等待別的外設而造成的圖像抖動不暢等現象，同時，我們可以根據具體的應用選擇具有不同數量內核的處理器，極大地增強了設計和選擇的靈活性。目前在這一體系下，已經有40核的處理器解決方案。

本地化ram/rom存儲器
和時鐘發(fā)生器
　　當設計中使用了多個處理器時，存儲器存取的問題就出來了。大多數多核芯片設計把幾個處理器核和一個共用存儲器放在一起。這樣做簡化了設計，因為每一個核只是處理器本身，問題轉到多個處理器核如何共同使用一個存儲器，以及存儲器存取的仲裁，這是一個難題。通常用到某種仲裁網絡或者交叉點切換開關，在只有3個到4個處理器核時，這個方法是可行的。但是，在芯片上需要幾十個處理器核時，共用存儲器的問題變得很復雜，令人望而卻步。此外，由于越來越多處理器核需要對存儲器進行存取，共用存儲器的效率變得越來越低，很快就成為致命的瓶頸，把多核結構在處理方面的優(yōu)點都淹沒了。

　　seaforth多核處理器使用了本地化存儲器設計，即為每個處理器核設計了自己的ram/rom存儲器。這有兩個好處，一方面避免了存儲器仲裁，也不需要交叉切換開關；另一方面可以分配給每個處理器核所需要的存儲容量。分析典型算法的源代碼，需要的存儲器容量有兩種，一種是1000字節(jié)或者少一些，一種是容量很大，幾兆字節(jié)，甚至幾百兆字節(jié)。大多數應用屬于前者，后者則在少數應用中需要，實現上也不切實際。所以seaforth多核處理器為每一個處理器核都用小一些的本地存儲器，1000字節(jié)的數量級，用于存放程序源代碼和數據，rom中固化每個處理器核的bios，再用一個大得多的外接存儲器，作為緩沖存儲器滿足多媒體的需要。

　　與采用公共外部時鐘的方式不同，seaforth多核處理器為每個核內建一個時鐘——一個簡單的環(huán)形振蕩器。它的速度和硅半導體的速度一樣快，只有在該處理器核工作時，它的時鐘才工作。這種設計方式為下面介紹的核間通訊提供了可能，同時，任一時刻由于只有部分處理器核在工作也大大降低了功耗。seaforth多核處理器有很低的功耗水平，每個處理器以1ghz的頻率運行，而40核的整體功耗為250mw。高效的處理器核間通訊
　　seaforth多核處理器允許計算量很大的算法由幾個核協作完成，這時，不同核間需要大量的交換數據，通訊方式的優(yōu)劣影響整個系統的性能。

　　完成一項復雜的任務時，傳統的做法是由操作系統自行指定參與的核，離的很遠的核間通訊需要處理器內有大量的通訊電路，往往設計復雜，效率偏低。在seaforth多核處理器應用中，由工程師自己指定完成特定任務的處理器核，這需要工程師了解哪些任務需要交換更多的數據，然后指定相鄰的核完成這項任務。對于要求大量訪問核外存儲器的任務，同樣可以指定距離最近的核去完成。

　　seaforth 多核處理器相鄰的核間通訊通過共用寄存器傳輸。

　　通過共用寄存器這種方式避免了沖突電路和優(yōu)先權網絡的問題，具體傳輸過程中，傳統的處理方法需要利用讀取、檢測、寫入等狀態(tài)位信息建立握手協議，耗費的時間多于實際傳送數據所用的時間。該處理器由于內建一個電路，可以在一個指令周期內