嵌入式多媒體處理器：選擇雙內(nèi)核或單內(nèi)核？

針對(duì)嵌入式多媒體應(yīng)用選擇一個(gè)處理器是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，涉及到對(duì)處理器內(nèi)核架構(gòu)以及外設(shè)的全面分析，需要完全掌握視頻、音頻數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中傳輸方式，以及正確評(píng)價(jià)在一個(gè)可接受的功耗水平下可達(dá)到什么樣的處理能力。

到最近為止，解決這個(gè)問題的標(biāo)準(zhǔn)方法是將其劃分成由微控制器(MCU)芯片處理的“控制域”，以及由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)處理的“計(jì)算域”。RISC MCU和DSP傳統(tǒng)上適合于媒體豐富的嵌入式應(yīng)用，然而，它們的用途不可互相替代，更確切地說，它們要協(xié)調(diào)一致地工作。MCU架構(gòu)非常適合于高效率的異步控制流，而DSP架構(gòu)的“生存之道”是同步恒定速度數(shù)據(jù)流(例如，濾波和變換操作)。

因?yàn)樵诋?dāng)今的媒體處理應(yīng)用中，兩種功能集都是必需的，工程師通常使用獨(dú)立的MCU和DSP芯片。這種組合為廣泛的多媒體應(yīng)用提供了很好的處理引擎，但是增加了多媒體處理設(shè)計(jì)、多種開發(fā)工具組以及有待學(xué)習(xí)和調(diào)試的不同種類架構(gòu)的復(fù)雜性。

為減輕這些問題，芯片廠商嘗試過不同的解決方案。不同的MCU廠商都集成了某些信號(hào)處理功能，例如指令集擴(kuò)展以及乘法累加(MAC)單元，但是這種努力通常缺乏針對(duì)先進(jìn)信號(hào)處理應(yīng)用所要求的基本架構(gòu)基礎(chǔ)。類似地，DSP生產(chǎn)商已經(jīng)包含了有限的MCU功能，但是不可避免地在系統(tǒng)控制方面有所妥協(xié)。

最近，出現(xiàn)了另外的選擇——單內(nèi)核以及雙內(nèi)核的嵌入式媒體處理器(EMP)架構(gòu)，這種架構(gòu)在一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)中提供了MCU和DSP功能，允許在控制和信號(hào)處理需求方面進(jìn)行靈活地劃分。如果應(yīng)用需要的話，EMP可以作為100%的MCU(代碼密度與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一致)、100%的DSP(時(shí)鐘速度達(dá)到DSP技術(shù)的前沿)、或兩者之間的某種組合。

單內(nèi)核EMP架構(gòu)評(píng)估

圖1顯示了一個(gè)單內(nèi)核EMP架構(gòu)，這個(gè)架構(gòu)融合了一個(gè)32位RISC指令集、雙16位MAC單元和一個(gè)8位視頻處理引擎。其可變長(zhǎng)指令集擴(kuò)展到DSP內(nèi)部環(huán)路所使用的64位操作碼，但是經(jīng)過了最優(yōu)化以便16位的操作碼代表最常用的指令。因此，編譯后的代碼密度可以與行業(yè)領(lǐng)先的MCU競(jìng)爭(zhēng)，而其互鎖流水線和代數(shù)指令語法能促進(jìn)在C/C++和匯編兩種環(huán)境中的開發(fā)。

像MCU一樣，EMP具有受保護(hù)和未受保護(hù)的兩種操作模式，防止用戶訪問或影響系統(tǒng)的共享部分。此外，它們提供定義不同應(yīng)用開發(fā)空間的存儲(chǔ)器管理功能，同時(shí)防止截然不同的代碼部分被覆蓋。它們還允許異步中斷以及同步異常兩種功能，以及可編程的中斷優(yōu)先級(jí)。因此，EMP非常適合于嵌入式操作系統(tǒng)(此前是MCU的天下)。

在DSP方面，EMP結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)的流動(dòng)有效率且性能非常高，所配備的外設(shè)支持高速串行和并行數(shù)據(jù)搬移。此外，EMP包含先進(jìn)的電源管理功能，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師、架構(gòu)師以最低的動(dòng)態(tài)功耗曲線精心設(shè)計(jì)。

圖1：?jiǎn)蝺?nèi)核嵌入式媒體處理器BF533的框圖

單內(nèi)核開發(fā)方法

在當(dāng)今的設(shè)計(jì)范例中，MCU和DSP程序員通常被分成兩個(gè)完全獨(dú)立的組，兩方面的交互工作只發(fā)生在他們的功能范圍相交的“系統(tǒng)邊界”層面。這具有一定意義，因?yàn)閮蓚€(gè)開發(fā)組都形成了他們自己的設(shè)計(jì)習(xí)慣。例如，信號(hào)處理開發(fā)工程師可能熟知處理器架構(gòu)的細(xì)節(jié)本質(zhì)，能通過一些實(shí)現(xiàn)技巧來提高設(shè)計(jì)性能。

另一方面，MCU程序員可能更愿意采用這樣的模式：只須啟動(dòng)器件，它就能完成所有的工作。這就是為什么EMP支持DMA和緩存存儲(chǔ)器控制器來在系統(tǒng)中搬移數(shù)據(jù)的原因。多個(gè)高速DMA通道在外設(shè)和存儲(chǔ)器系統(tǒng)中往返搬移數(shù)據(jù)，允許在不耗盡寶貴的內(nèi)核處理器時(shí)鐘周期的條件下，對(duì)控制進(jìn)行精細(xì)地調(diào)整，這正是DSP設(shè)計(jì)工程師所追求的。相反地，片上可編程指令和數(shù)據(jù)緩存允許對(duì)管理代碼和數(shù)據(jù)采用一種傳遞方法，這種方式類似于MCU程序員的做法。通常，在系統(tǒng)集成層面，兩種方法的組合是最理想的。

一直以來，MCU和DSP開發(fā)團(tuán)隊(duì)劃分的另一個(gè)原因是兩個(gè)處理器具有兩套不同的設(shè)計(jì)規(guī)則。從技術(shù)的角度來看，負(fù)責(zé)構(gòu)建系統(tǒng)的工程師某些時(shí)候不愿意在同一個(gè)處理器上將“控制”應(yīng)用與信號(hào)處理應(yīng)用混在一起。他們通常擔(dān)心非實(shí)時(shí)的任務(wù)將影響到硬實(shí)時(shí)任務(wù)。例如，負(fù)責(zé)處理圖形用戶界面(GUI)或聯(lián)網(wǎng)堆棧的程序員不應(yīng)該擔(dān)心妨礙系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)處理。當(dāng)然，“實(shí)時(shí)”的定義會(huì)根據(jù)特定應(yīng)用而變化。在某種嵌入式應(yīng)用中，關(guān)鍵是在于服務(wù)一個(gè)中斷需要的時(shí)間。為此，我們假定在服務(wù)程序開始時(shí)，在發(fā)生中斷和系統(tǒng)環(huán)境被保存之間的時(shí)間幀小于十毫秒。

盡管MCU控制代碼通常用C語言編寫并且以為庫基礎(chǔ)，而實(shí)時(shí)DSP代碼通常采用匯編語言編寫，并由手動(dòng)設(shè)計(jì)為給定應(yīng)用提取最可能的性能。不幸的是，這種最優(yōu)化也限制了應(yīng)用程序的可移植性，并因此也限制了在未來項(xiàng)目上兩個(gè)編程團(tuán)隊(duì)之間對(duì)不同技巧和工具集的傳播。

然而，在引入EMP后，可以實(shí)現(xiàn)以C/C++為中心的統(tǒng)一代碼。這允許開發(fā)者利用以前開發(fā)的現(xiàn)成的大量應(yīng)用程序代碼。因?yàn)镋MP同時(shí)針對(duì)控制和信號(hào)處理操作兩種功能進(jìn)行了最優(yōu)化，編譯器可以產(chǎn)生同時(shí)滿足“緊湊”(從代碼密度來看)和高效率的代碼(對(duì)于計(jì)算密集的信號(hào)處理應(yīng)用)。EMP高的工作頻率(超過750MHz)可以彌合編譯器之間的性能差距，這個(gè)頻率位于當(dāng)前主流DSP的前沿。此外，針對(duì)目標(biāo)應(yīng)用匯編代碼依然是最優(yōu)化關(guān)鍵處理環(huán)的一個(gè)選項(xiàng)。

盡管轉(zhuǎn)向采用EMP可以大大地降低用匯編寫代碼的需求，但僅僅這一點(diǎn)還不足以證明轉(zhuǎn)換到這種統(tǒng)一平臺(tái)就是正確的，支持操作系統(tǒng)(OS)也很關(guān)鍵。通過OS或?qū)崟r(shí)內(nèi)核，可以實(shí)現(xiàn)幾層任務(wù)。為確保依然能達(dá)到目標(biāo)性能，有必要采用支持多個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制器。環(huán)境切換必須通過基于硬件的堆棧和對(duì)幀指針的支持來實(shí)現(xiàn)。這就允許開發(fā)者在同一個(gè)器件中創(chuàng)建包含控制和實(shí)時(shí)信號(hào)處理的系統(tǒng)。

此外，EMP的存儲(chǔ)器管理工具允許OS支持存儲(chǔ)器保護(hù)。這允許一個(gè)任務(wù)通過存儲(chǔ)器分頁機(jī)制，被另外一個(gè)任務(wù)屏蔽存儲(chǔ)器或指令訪問。當(dāng)對(duì)一個(gè)受保護(hù)的存儲(chǔ)器區(qū)域被未授權(quán)訪問時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)異常。

EMP能獲得的高處理速度可以轉(zhuǎn)換成幾種實(shí)實(shí)在在的好處。首先是上市時(shí)間-如果存在大量的剩余處理能力，在降低或免除代碼最優(yōu)化上可以節(jié)省大量的時(shí)間。第二個(gè)關(guān)鍵的好處是減少軟件維護(hù)，否則的話這種維護(hù)要支配產(chǎn)品生命周期的成本。最后一點(diǎn)，對(duì)于可擴(kuò)展的EMP架構(gòu)，可能在最具處理能力的系列器件上設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，然后針對(duì)最終應(yīng)用的計(jì)算規(guī)模設(shè)定“合理大小”的處理器。

當(dāng)單內(nèi)核EMP不足時(shí)

隨著處理需求的不斷增加，出現(xiàn)了這樣的觀點(diǎn)：即使一個(gè)600MHz的EMP對(duì)于某些應(yīng)用來說都是不夠的。這就是考慮采用雙內(nèi)核EMP的一個(gè)原因，例如ADSP-BF561(見圖2)。

圖2：雙內(nèi)核嵌入式媒體處理器ADSP-BF561的框圖

增加另外一個(gè)處理器內(nèi)核，不僅僅能將處理能力相對(duì)于單處理器的能力倍增，而且還有某些令人吃驚的結(jié)構(gòu)好處，這種好處并不是立竿見影的。

傳統(tǒng)的雙內(nèi)核處理器的應(yīng)用采用了離散的且通常在每個(gè)內(nèi)核上運(yùn)行不同的任務(wù)。例如，一個(gè)內(nèi)核可能執(zhí)行所有的與控制相關(guān)的任務(wù)，例如圖形和覆蓋功能、網(wǎng)絡(luò)連接、與大存儲(chǔ)器的接口以及整體流控制。該內(nèi)核還是操作系統(tǒng)或核(kernel)很可能駐留的地方。與此同時(shí)，第二個(gè)內(nèi)核可能專門用于應(yīng)用中的高密度處理功能。例如，壓縮數(shù)據(jù)包可能通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸?shù)降谝粋€(gè)內(nèi)核，該內(nèi)核對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，并遞交到第二個(gè)內(nèi)核進(jìn)行音頻和視頻解碼。

這種模式受到采用分開的軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)的開發(fā)商青睞。將這些功能類型進(jìn)行劃分的能力允許并行設(shè)計(jì)處理，消除項(xiàng)目中對(duì)關(guān)鍵路徑依賴性。這種編程模式還對(duì)項(xiàng)目中的測(cè)試和驗(yàn)證階段有所幫助。例如，如果一個(gè)內(nèi)核上的代碼發(fā)生變化，不一定會(huì)使另外一個(gè)內(nèi)核上已經(jīng)完成的測(cè)試工作付之東流。

對(duì)稱的與非對(duì)稱的多內(nèi)核處理

為理解是什么讓這種雙內(nèi)核方法令人興奮，我們需要首先討論“對(duì)稱多處理(SMP)”。這是指一種通過高速路經(jīng)相連接的兩個(gè)相似(或相同)的處理器，并共享一組外設(shè)和存儲(chǔ)器空間。它與“非對(duì)稱多處理(AMP)”方法形成對(duì)比，其中結(jié)合了兩顆不同的處理器，通常是在一個(gè)混合的架構(gòu)中集成一個(gè)MCU和一個(gè)DSP。AMP方法的一種局限性在于，設(shè)計(jì)工程師必須對(duì)控制和DSP功能的共享部分進(jìn)行“50/50”劃分；例如一旦DSP“勝出”，MCU將不能進(jìn)行計(jì)算處理。SMP架構(gòu)沒有這種局限性，因?yàn)閮蓚€(gè)處理器內(nèi)核是相同的，可以按照應(yīng)用要求進(jìn)行劃分，甚至劃分為100%的DSP或100%的MCU工作。此外，對(duì)稱處理器還具有提供一種普通的集成設(shè)計(jì)環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)。只需要一組開發(fā)工具，而且針對(duì)單一開發(fā)平臺(tái)培訓(xùn)開發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)擔(dān)較小。

圖3： BF5601就是對(duì)稱多處理的很好體現(xiàn)

作為一種SMP友好的器件，BF561(圖3)包含屬于每個(gè)內(nèi)核的高速L1指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，以及在兩個(gè)內(nèi)核之間的一種共享128KB L2存儲(chǔ)器。每個(gè)內(nèi)核都能同等地訪問范圍廣闊的外設(shè)-視頻端口、串行口、定時(shí)器等等。這樣的安排擴(kuò)展了器件的可配置性，允許其工作在幾種相同的有效架構(gòu)下。這些模式(見圖4)可以總結(jié)性地稱為“MCU/DSP分離”、“串行處理”和“分離處理”。

圖4：雙內(nèi)核編程模式舉例

選擇合適的數(shù)據(jù)模式

“MCU/DSP分離”模式涉及到分離的以及通常運(yùn)行在每個(gè)內(nèi)核上的不同任務(wù)。一個(gè)內(nèi)核被分配給所有的“MCU類”行為，例如圖形覆蓋、聯(lián)網(wǎng)管理以及流控制。此外，如果是用了操作系統(tǒng)的話，該內(nèi)核還支持操作系統(tǒng)。與此同時(shí)，第二個(gè)內(nèi)核專門用于應(yīng)用的高密度DSP功能。例如，壓縮數(shù)據(jù)通過第一個(gè)內(nèi)核從網(wǎng)絡(luò)傳遞。接收到的數(shù)據(jù)包然后提供給第二個(gè)內(nèi)核，該內(nèi)核再進(jìn)行音頻和視頻的處理(圖4)。

這種模式非常適合那些采用分離的基于任務(wù)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行軟件開發(fā)的公司。擁有“控制團(tuán)隊(duì)”和“DSP團(tuán)隊(duì)”可以使開發(fā)并行實(shí)施，減少項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵路徑的依賴性。這種編程模式還能促進(jìn)設(shè)計(jì)的測(cè)試和驗(yàn)證階段。例如，在一個(gè)內(nèi)核上的代碼改變未必使另一個(gè)內(nèi)核上已經(jīng)完成的測(cè)試工作變得無效。此外，擁有兩個(gè)相同的內(nèi)核還允許重新分配在任何內(nèi)核上任何“未用”的處理帶寬，以在不同的功能和任務(wù)上再分配。

在“串行處理”使用模式中，第一個(gè)內(nèi)核在輸入數(shù)據(jù)組上執(zhí)行若干中間級(jí)控制和計(jì)算，然后傳第一個(gè)中間數(shù)據(jù)流到第二個(gè)內(nèi)核進(jìn)行最后的處理。這種方法的一個(gè)變化方法是：將任務(wù)在每個(gè)內(nèi)核上進(jìn)行劃分，在這種方式中，中間數(shù)據(jù)實(shí)際上在內(nèi)核之間搬移幾次，直到獲得最后的結(jié)果。非常適合這種使用模式的算法是MPEG編碼或解碼。

“分離處理”模式為每個(gè)內(nèi)核提供了更均衡的使用。因?yàn)樵趯?duì)稱處理器中有兩個(gè)相同的內(nèi)核，傳統(tǒng)的計(jì)算密集應(yīng)用可以在每個(gè)內(nèi)核之間平均劃分。架構(gòu)功能，像豐富的片上存儲(chǔ)器、很寬的內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑和高帶寬DMA控制器都有助于基于“分離處理”的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功。在這種模式中，運(yùn)行在每個(gè)內(nèi)核上的代碼是相同的；只有被處理的數(shù)據(jù)不同。在一個(gè)通道流應(yīng)用中，這意味著一半的通道由第一個(gè)內(nèi)核處理，而另外一半由第二個(gè)內(nèi)核處理。作為另外一個(gè)實(shí)例，在視頻或成像應(yīng)用中，可能由每個(gè)內(nèi)核處理交替幀。

即使當(dāng)某個(gè)應(yīng)用適合某個(gè)單內(nèi)核處理器，也可以利用雙內(nèi)核系統(tǒng)來降低整體的能耗。例如，如果一個(gè)應(yīng)用需要600MHz的時(shí)鐘速度以在一個(gè)單內(nèi)核處理器(如ADSP-BF533)上運(yùn)行，它還必須工作在更高的電壓下(1.2V)以達(dá)到這個(gè)速度。然而，如果相同的應(yīng)用在一個(gè)雙內(nèi)核器件(BF561)上進(jìn)行劃分，每個(gè)內(nèi)核可以運(yùn)行在大約300MHz的速度下，每個(gè)內(nèi)核的電壓可以極大地降低到0.8V。因?yàn)楣呐c頻率呈正比并與工作電壓的平方成正比，電壓從1.2V降低到0.8V(同時(shí)頻率從600MHz降低到300MHz)能對(duì)功耗產(chǎn)生顯著的影響，與單內(nèi)核解決方案相比實(shí)際上節(jié)省了能耗。