嵌入式处理芯片设计的新动向和新设计方式

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 再论软件硬件化

尽管国内已有多家公司或科研单位研制出了一些自主版权的嵌入式微处理器,但是存在着性能、功耗、软件兼容性、价格等问题,与国际水平还有较大的差距。根本原因是我们还是采用了传统、过时的嵌入式微处理器的设计方式和体系结构,没有自己创新的设计技术和体系结构。可以说,刚刚起步的国产嵌入式微处理器芯片的研发和产业化工作迫切需要采用全新的嵌入式微处理器的设计技术和体系结构。

嵌入式微处理器的发展历程

为了更好的了解嵌入式微处理器的发展趋势,简要了解一下其发展过程是必要的。嵌入式微处理器诞生于20世纪70年代末,到目前,其间经历了SCM、MCU、网络化、软件硬化四大发展阶段。

1.SCM阶段:即单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)阶段,主要是单片微型计算机的体系结构探索阶段。Zilog公司Z80等系列单片机的“单片机模式”获得成功,走出了SCM 与通用计算机完全不同的发展道路。

2.MCU阶段:即嵌入式微控制器(Micro-Controller Unit,单片机)大发展阶段,主要的技术方向是:为满足嵌入式系统应用不断扩展的需要,在芯片上集成了更多种类的外围电路与接口电路,突显其微型化和智能化的实时控制功能。80C51微控制器是这类产品的典型代表型号。

3.网络化阶段:随着互联网的高速发展,各个系统,不论是手持型还是固定式的嵌入式电子产品都希望能联接互联网。因此,网络模块集成于芯片上就成为了一个重要模块。

4.软件硬化阶段:随着市场对CPU芯片产品的使用面越来越广,对速度、性能等方面的要求越来越高,同时要求的产品开发的时间越来越短,而软件功能和系统却越来越复杂,要求实时处理的多媒体等大型文件的处理要求越来越多(如MP3、MP4播放器、GPS导航仪等),以及手持型数字电视飞速发展的需要,有的还需要实时在线快速改变逻辑功能,尤其是对低功耗的需要越来越严,仅仅采用软件的方式已远远不能满足这些市场发展的实际需要。同时,随着半导体设计和加工技术的飞速发展以及设计水平的自动化程度的提高,极大地降低了嵌入式微处理器芯片的设计难度。为软件硬化的普及发展带来了极大的促进作用。

软件硬件化思想的市场需求

我们看到越来越多的嵌入式微处理器集成了硬件的视频处理逻辑、网络处理逻辑、专用处理电路等等,不少公司已把语音、图像功能也硬件化了,并集成到嵌入式微处理器中。甚至,有的微处理器为了满足网络化的需求,不仅在其上集成了网络电路接口,更将TCP/IP协议也用硬件逻辑电路实现了。这样就大大减轻了CPU和软件开发的难度和工作量。因为嵌入式微处理器与互联网的连接越来越紧密了,需要处理多媒体信息的要求越来越强了。仅靠软件其功耗和速度越来越不能满足整个系统的要求了。

以前的嵌入式微处理器性能的提高,主要是依靠提高主频或处理器的位数来实现。随着市场对性能和速度的要求越来越高,以及处理器设计技术和生产工艺的不断发展以及对整机功耗的限制,处理器突破性的性能提升还必须依赖处理器新的体系结构及软件硬化等新的技术设计手段来实现。

传统的通用计算机芯片体系结构和设计模式,如图灵机只解决了可计算问题,不关心计算的效率。而冯•诺依曼结构虽能有效地指导算法的设计,却不能有效地指导微处理器芯片体系结构的设计。同时,目前计算机的评价系统也是越来越全面了。尤其是在评价一个嵌入式微处理器芯片或系统时,其技术指标不能只以几个单一的性能指标来评定,而是转向多方面的性能指标来评定。即不仅仅评定一个“高性能”方面就行了,而是要评定几个方面,如“高性能,高效能,高兼容性、低功耗,低成本,易开发”等等。

      另外,如按传统的嵌入式微处理器的芯片体系结构和设计方法,为了满足多方面应用的需求,往往把功能设计得面面俱到,导致芯片的逻辑电路非常复杂,却不能产生理想的效果,并导致很高的成本和功耗。为此,需要在新的原理和结构的指导下,设计出创新的微处理器芯片的新系列产品,使芯片的结构能按照应用的需求来设计,以有效地利用芯片上的逻辑资源,动态地适应不同的应用要求,从而达到大大降低微处理器芯片的成本和功耗的要求。

  另外,互联网络的发展、实时计算、多媒体播放、低功耗的便携性等新兴应用的需求,也需要更新现有的嵌入式微处理器系统的体系结构和设计技术。所以,探索嵌入式微处理器的新体系结构和技术设计方式,来指导嵌入式微处理器的设计,避免低效率的复杂系统的设计方式,成了急需解决的问题。

  软件硬件化的的热点

  笔者将市场需求和实际应用对嵌入式微处理器的发展要求概括为:“三高两低一易”,即高性能,高兼容性,高可靠性,低功耗,低成本,易开发。

  为了达到此目的,需要采取软件硬化的技术解决以下的关键技术问题:

  ①采用新的嵌入式微处理器体系结构和设计方式,解决高性能和低功耗的矛盾;②并行处理体系(如多核结构和多硬件功能模块等)在嵌入微处理芯片中的应用;③如何在嵌入式微处理器的设计中,充分高效利用软件硬化的技术设计手段;④如何低成本地把众多的外围电路与模拟电路以可裁剪的方式在微处理器中实现;⑤利用已有的IC芯片设计和加工技术如何降低芯片的整体成本;⑥如何在结构设计上避免芯片加工工艺带来的参数离散性和软失效等问题;⑦如何合理的将系统功能切分成软件和硬件部分;⑧如何同步实现系统软件和微处理器芯片同步协调设计等问题;⑨解决系统软件与芯片系统在同一开发平台同步测试和检验的问题;⑩新设计的嵌入式微处理器芯片如何与现有的系统软件高度兼容的问题。

  如果能在此阶段充分地利用了以上所提到的新式微处理器的体系结构和设计手段,如软件硬化等设计技术,就会较大提高嵌入式微处理器的性能价格比。比如,采用8位CPU完成32位CPU运算速度和功能。如用这种软件硬化的思路和方法,重新设计一款80C51微处理器,就会极大地提高以80C51为代表的此类嵌入式微处理器的运算能力,可达到32位ARM微处理器的运算性能,而只有80C51系列的价格。利用这一特点就会设计和生产出具有竞争力的整机产品。同时,也会使80C51系统嵌入式微处理器的生命力得到延伸。

  其次,80C51系列的系统和应用软件系统比ARM要丰富得多。熟悉8051的开发人员也要比ARM多得多。根据中国的国情应充分利用这部分资源。其实,80C51嵌入式微处理器的运算速度慢,不是慢在软件系统,而是慢在落后的80C51核心的芯片结构和设计技术方式上。如果采用了按全新的体系结构和设计方式,重新设计一款新的兼容80C51微处理器指令的微处理器,就会挖掘出80C51系统的巨大技术潜力和市场价值。这样就会节省大量的社会资源和人力资源以及技术资源,充分利用80C51系统的极大技术优势和人员优势。

  前两年,笔者配合北京某家知名的公司应用以上的思路和设计方法已完成一款全新的兼容80C51系列指令时钟达到200MHz的单时钟周期的嵌入式微处理器芯片的设计。并且,已经量产了该系列的微处理器芯片,成功应用在另一家知名公司的一款新型影视产品中,极大地提高了该产品的性价比和降低了整机造价,使该产品具有了比较强大的市场竞争力,占领了该系列产品市场的50%以上的市场份额,取得了极好的经济效益。
 

 

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