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。

　　到近為止，解決這個(gè)問(wèn)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",控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類(lèi)電子、游戲設(shè)備、電話(huà)、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。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，數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing,簡(jiǎn)稱(chēng)DSP）是一門(mén)涉及許多學(xué)科而又廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的新興學(xué)科。20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并得到迅速的發(fā)展。數(shù)字信號(hào)處理是一種通過(guò)使用數(shù)學(xué)技巧執(zhí)行轉(zhuǎn)換或提取信息，來(lái)處理現(xiàn)實(shí)信號(hào)的方法，這些信號(hào)由數(shù)字序列表示。在過(guò)去的二十多年時(shí)間里，數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)在通信等領(lǐng)域得到極為廣泛的應(yīng)用。然而，它們的用途不可互相替代，更確切地說(shuō)，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，

　　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(kāi)發(fā)工具組以及有待學(xué)習(xí)和調(diào)試的不同種類(lèi)架構(gòu)的復(fù)雜性。

　　為減輕這些問(wèn)題，芯片廠商嘗試過(guò)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(lèi)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)。

　　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，MCU（Micro Control Unit）中文名稱(chēng)為微控制單元，又稱(chēng)單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）或者單片機(jī)，是指隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制  常見(jiàn)存儲(chǔ)器件。MCU按其存儲(chǔ)器類(lèi)型可分為無(wú)片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無(wú)片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EPROM型（典型芯片為87C51）、MASK片內(nèi)掩模ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型（典型芯片為89C51）等類(lèi)型允許在控制和信號(hào)處理需求方面進(jìn)行靈活地劃分。

　　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(guò)了化以便16位的操作碼代表常用的指令。RISC（reduced instruction set computer,精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）是一種執(zhí)行較少類(lèi)型計(jì)算機(jī)指令的微處理器，起源于80 年代的MIPS主機(jī)（即RISC 機(jī)），RISC機(jī)中采用的微處理器統(tǒng)稱(chēng)RISC處理器。這樣一來(lái)，它能夠以更快的速度執(zhí)行操作（每秒執(zhí)行更多百萬(wàn)條指令，即MIPS）。因?yàn)橛?jì)算機(jī)執(zhí)行每個(gè)指令類(lèi)型都需要額外的晶體管和電路元件，計(jì)算機(jī)指令集越大就會(huì)使微處理器更復(fù)雜，執(zhí)行操作也會(huì)更慢。

　　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(hù)訪(fǎng)問(wèn)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(kāi)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)。為使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個(gè)級(jí)別，稱(chēng)作中斷優(yōu)先級(jí)。多級(jí)中斷的處理原則：當(dāng)多級(jí)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，CPU按照由高到低的順序響應(yīng)。中斷可以打斷低級(jí)中斷處理程序的運(yùn)行，轉(zhuǎn)而執(zhí)行中斷處理程序。當(dāng)同級(jí)中斷同時(shí)到時(shí)，則按位響應(yīng)。因此，EMP非常適合于嵌入式操作系統(tǒng)。

　　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。

 圖1:單內(nèi)核嵌入式媒體處理器BF533的框圖

　　單內(nèi)核開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)一些實(shí)現(xiàn)技巧來(lái)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(lái)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。通常，在系統(tǒng)集成層面，兩種方法的組合是理想的。

　　一直以來(lái)，MCU和DSP開(kāi)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(lái)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(hù)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。為此，我們假定在服務(wù)程序開(kāi)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(yǔ)言編寫(xiě)并且以為庫(kù)基礎(chǔ)，而實(shí)時(shí)DSP代碼通常采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并由手動(dòng)設(shè)計(jì)為給定應(yīng)用提取可能的性能。C語(yǔ)言是一種計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它既具有語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫(xiě)不依賴(lài)計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開(kāi)發(fā)上，而且各類(lèi)科研都需要用到C語(yǔ)言，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。不幸的是，這種化也限制了應(yīng)用程序的可移植性，并因此也限制了在未來(lái)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(kāi)發(fā)者利用以前開(kāi)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)行了化，編譯器可以產(chǎn)生同時(shí)滿(mǎn)足"緊湊"（從代碼密度來(lái)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(guò)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。

　　盡管轉(zhuǎn)向采用EMP可以大大地降低用匯編寫(xiě)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(guò)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。這就允許開(kāi)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(guò)存儲(chǔ)器分頁(yè)機(jī)制，被另外一個(gè)任務(wù)屏蔽存儲(chǔ)器或指令訪(fǎng)問(wèn)。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(fǎng)問(wèn)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(huà)這種維護(hù)要支配產(chǎn)品生命周期的成本。一點(diǎn)，對(duì)于可擴(kuò)展的EMP架構(gòu)，可能在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)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(lái)說(shuō)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(jiàn)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(jiàn)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。

　　這種模式受到采用分開(kāi)的軟件開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的開(kāi)發(fā)商青睞。將這些功能類(lèi)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(lài)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(chēng)的與非對(duì)稱(chēng)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(chēng)多處理（SMP）".這是指一種通過(guò)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。平時(shí)所說(shuō)的雙CPU系統(tǒng)，實(shí)際上是對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)系統(tǒng)中常見(jiàn)的一種，通常稱(chēng)為2路對(duì)稱(chēng)多處理，它在普通  AMD Athlon 64 X2的商業(yè)、家庭應(yīng)用之中并沒(méi)有太多實(shí)際用途，但在制作，如3DMaxStudio、Photoshop等軟件應(yīng)用中獲得了非常良好的性能表現(xiàn)，是組建廉價(jià)工作站的良好伙伴。隨著用戶(hù)應(yīng)用水平的提高，只使用單個(gè)的處理器確實(shí)已經(jīng)很難滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，因而各服務(wù)器廠商紛紛通過(guò)采用對(duì)稱(chēng)多處理系統(tǒng)來(lái)解決這一矛盾。在中國(guó)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上這類(lèi)機(jī)型的處理器一般以4個(gè)或8個(gè)為主，有少數(shù)是16個(gè)處理器。SMP架構(gòu)沒(méi)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(chēng)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(kāi)發(fā)工具，而且針對(duì)單一開(kāi)發(fā)平臺(tái)培訓(xùn)開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)的負(fù)擔(dān)較小。

　　圖3: BF5601就是對(duì)稱(chēng)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(fǎng)問(wèn)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(jiàn)圖4）可以總結(jié)性地稱(chēng)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(lèi)"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(huà)，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(zhuān)門(mén)用于應(yīng)用的高密度DSP功能。例如，壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)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(kāi)發(fā)的公司。擁有"控制團(tuán)隊(duì)"和"DSP團(tuán)隊(duì)"可以使開(kāi)發(fā)并行實(shí)施，減少項(xiàng)目對(duì)關(guān)鍵路徑的依賴(lài)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(wú)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，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，然后傳個(gè)中間數(shù)據(jù)流到第二個(gè)內(nèi)核進(jìn)行的處理。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，直到獲得的結(jié)果。

　　"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(chēng)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個(gè)內(nèi)核處理，而另外一半由第二個(gè)內(nèi)核處理。

　　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(lái)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。