[原创]论述信息家电与嵌入式微处理器

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　　一、 对多任务有更强的支持

　　这是因为实时应用和应用本身都将要求应用软件具有模块化的特征。同时，不同来源的应用软件模块以及用不同方式开发的应用软件模块必须在系统一级集成在一起。正是由于这一模块化的软件结构特征使嵌入式微处理器对于多任务的要求越来越高，同时必须满足严格的实时应用要求。因此嵌入式微处理器的结构必须能完成多任务切换并且具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码以及实时内核的执行时间减少到最低限度。

　　例如西门子公司为了适应实时应用和性能价格比优越的需要，推出了把处理器、控制器和数字信号处理功能集成在一起的嵌入式微处理TriCore。这一微处理器具有超标量的特点，含16个数字寄存器和16个地址寄存器，它们连同程序计数器（PC）和处理器状态字（PSW）存放了与所有任务相关的信息。这一处理器还含有4个全局的地址寄存器为所有任务所共享。为了快速实现任务切换，这一处理器在从一个中断程序返回到原先状态之前，首先完成一次测试以确定是否有另一个中断服务请求正在等待处理，并能直接从一个中断服务程序切换到下一个，从而避免了不必要的恢复和存放操作，使有可能达到最短的中断响应时间。TriCore CPU配备有基于服务请求节点（SRN）的快速灵活的中断服务请求系统，每个SRN具有可单独编程的服务／请求优先权序号，这些优先权序号可以被分配给一个中断优先权组。所有的中断源都可以被灵活地组成到一个中断优先权组中，每个中断优先权组都指定一个进入中断向量表的入口地址，这样中断等待的时间可以大大减少，为快速任务切换提供了硬件支持。

　　二、 功能很强的存储区保护系统

　　正如前面提到的，日益复杂的系统和有效的软件再利用提出了软件结构模块化的要求。为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，在软件集成的时候必须十分小心，例如西门子的TriCore处理器提供了存储区保护的有效支持，它针对数据和程序存储器配备了4个存储器保护寄存器组，通常至少有一组处在用户模式而有一组用于中断服务。对于数据或程序中某一部分允许访问的类型（例如访问数据存储区时是只读，只写还是可读可写，对于程序存储区是否可执行等）是可以预先规定的，并在每次访问存储系统之前先检查所要访问的区域和访问类型。如果访问了预先未定义的区域或者访问的类型是不允许的时候则会引起存储区保护陷阱，另外，这一存储区保护系统还可以用来进行软件诊断。

　　三、 可扩展的处理器结构

　　嵌入式系统和面向用户应用的系统，不仅要求在较低的价格水准上具有较高的性能，而且还希望能更快地缩短投入市场的时间（time-to-market）。为此对于信息家电嵌入式微处理内核，提出了具备可扩展的结构要求，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器结构的可扩展性表现在以下四个方面：即多段流水线，可扩展的功以,可配置的Cache以及与协处理器的灵活接口。多段流水线技术的设计思想是允许把主要的流水线管段用缓冲器加以隔离，即主流水线被分解成几段较小的管线。如果发生了流水线停顿，那么不是使整条流水线停顿，而是允许其它管段仍能继续。这一技术联合宽域调度的能力，可以在流水线停顿之后迅速清除缓冲器的内容，从而有利于保证很高的数据处理量。由于多段流水线技术允许通过局部隔离来强化局部功能／性能，因此设计者和开发商能很容易地在原有处理器的结构上添加新的功能单元而不会对整个系统产生明显的影响。这样，现有的处理器结构能迅速而准确地加以调整以适合特定的用户要求。例如美国SandCraft公司设计的基于两个MIPS内核的嵌入式微处理器含有两个整数的ALU单元，其中的一个ALU单元能很容易地扩展成具有乘法累加功能，从而能支持特殊用户的需要，特别是对专门的应用指令提供了硬件（计算功能的）支持。

　　可配置的Cache是指两方面的含义，一方面Cache应当设计成为一个专利模块（IP），它具有可移植性，可以用不同的集成电路工艺技术来实现。另一方面，Cache模块的设计应当体现最新的缓存技术，例如，SandCraft公司设计的微处理器结构允许Cache的容量达到64K字节，这一Cache能支持线路锁定，hit under miss，支持256位宽的接口以达到最大的带宽，以及多种Cache管理单元。最后，这一处理器灵活的接口可以把整数流水线与任何数量的协处理器连接在一起，它不仅可以传递寄存器的内容，而且也能优化在协处理器与load-store单元之间的load和store传送过程。由于在多段流水线模式中含有隔离缓冲器，这一结构允许从流水线停顿中复原时，可以从主流水线中分配多条指令，也可以在流水线停顿发生时隔离开协处理器。这一特点有两方面的好处：首先用户可以很容易地指定自己需要的协处理器，把它连接到这个嵌入式内核上并以主流线的速率运行。其次，这一接口特点特别适合于实现系统芯片（system-on-a chip）的应用。

　　四、 低功耗

　　在今天多媒体技术蓬勃发展的时代，信息社会是以网络以及移动计算和通讯设备为基础的，在这样一些设备中的嵌入式微处理器必须消耗非常低的能量。因此，便携式和无线应用中靠电池操作的嵌入式微处理器设计的最重要的指标是功耗而不是性能。现在已经到了不是用MHz来比较处理器而是用mW或μW来比较处理器的时候了，同时功率的传送和能量的消耗已成为性能和集成度的主要限制，因此嵌入式微处理器的设计必须是低功耗的。除了以上四个主要特点而外，未来嵌入式微处理器的设计还出现了两个倾向，第一个倾向是所谓的嵌入式无线连接（Embeded wireless），这是一个数据传送的革命性变革。在今后的三至五年内，很可能在每个嵌入式微处理器的芯片上含有一个高速无线的发送接收器，从而在网络终端处看到的将不是一台台个人计算机而是一台台无线设备，这不仅使应用环境变得十分方便快捷而且还可以运用无线通信的方式从服务器下载程序到嵌入式微处理器，从而免去了硬盘，节省了功耗。包含有无线发射接收器的嵌入式微处理器将在人们的日常生活中占据越来越重要的地位。例如，现在的汽车里已经有许多个嵌入式的微处理器，如果它们之间能进行无线通信，那就会根本改变现在汽车的面貌。如果汽车的里程表和滤油器间可以交换信息，那么在它们得出结论需要更换的时候，便可以使用汽车上的无线电话与当地的汽车修理部门约时间修理，甚至在智能高速公路建成的时候，汽车还能自己驾驶到汽车修理站去。可以预见在未来的五年至十年期间，嵌入式无线将成为信息电子的一个关键部分。

　　未来嵌入式微处理器设计的另一个倾向是由美国麻省理工学院计算机科学实验室提出的所谓的"原始计算"（RAW Computation）的概念。当前的嵌入式微处理器必须采用硬件。例如，导线或总线来连接每一个存储器和每一个功能单元，而导线的长度却保持与芯片的直径成正比而不会随时钟周期的减小而减小，因此沿导线传送数据的延迟变得日益重要，并且最终将成为芯片性能的限制因素。它还将导致能量的利用率差，因为较长的导线要求更多的能量才能切换信号。同时，一旦硬布线形成就很难加以修改而适合于其它的应用，这对于蓬勃发展、品种繁多的多媒体应用来讲无疑是一个障碍。"原始计算"概念则是设计一个原始的处理器以及一个根据应用需要能自动确定布线的编译器。这一原始的处理器是一个由许多相同的单元构成的矩形阵列，每个单元包括有存放数据的存储器及处理数据的功能单元，每个单元通过一组导线与它相邻的单元连接，在导线连线处的开关则把信号沿这些导线引导到数据处理区或引导到相邻的单元。单元通路是由软件编译器通过编程决定，以满足在该处理器上运行应用的要求。这一嵌入式芯片可以同时运作多个应用，例如，它可以把视频数据流导向最适合于视频应用的路径，而同时又把音频信号导向最适合于无线电应用的路径。这一新的计算模式之所以称为原始计算是因为它把芯片上最原始的硬件，包括导线暴露给软件编译器，编译器通过逻辑门来引导和存放通过导线的信号，从而可以针对每一种应用使导线用户化。现时的嵌入式以及其它微处理器的软件只控制芯片逻辑操作，不控制芯片的布线，而"原始计算"则允许软件来设置布线，因此，这是一个全新的结构概念。由于芯片的布线是用软件来编程的，因此被称为"软导线"。这一设计的最主要优点是它可以把大量的数据流?D?D例如视频的或传感器的信息直接传送到芯片中实现计算的部分，可以通过自动地重新编程来适应各种不同任务的需要，而快速的数据输入将产生比当前要好得多的性能及能量的高效利用。例如，由麻省理工学院设计的这一处理器，可以具有1000个以上的输入输出数据引线，这一数量超过了当前处理器数据引线数量的10倍。

　　最后，未来高性能、低功耗和性能价格比优越的嵌入式微处理器的设计离不开微电子技术的发展。在深亚微米时代的今天，越来越大的计算和存储能力以及越来越快的器件（晶体管）速度正鼓励着我们进一步暴露嵌入式微处理器结构的新领域。然而导线延迟和芯片带宽仍然会限制这些新结构的具体实现。不断进取的电路技术虽允许结构和电路设计者有效地利用新工艺技术的优点，但仅仅新工艺技术本身并不能满足要求，我们还将求助于软件的帮助。为达到这个目的，采用先进的CAD工具是必不可少的。值得记住的是嵌入式微处理器的设计，至少从结构设计的观点来看，应当定位在低功耗和较低的运行速度上。而对于站在前沿的制造商来说，数字信息家电开发中的KISS原理（Keep It Simple Strpid）将会进一步发扬光大。

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