選擇嵌入式處理器必須考慮哪些更突出的領(lǐng)域

選擇嵌入式處理器曾經(jīng)是一項(xiàng)非常簡(jiǎn)單的任務(wù)。當(dāng)然，這又回到了“過(guò)去”，當(dāng)時(shí)的重點(diǎn)是一組有限的功能，用戶(hù)界面和連接性并不重要，功耗也不是一個(gè)首要問(wèn)題。在當(dāng)今的融合處理領(lǐng)域，單個(gè)設(shè)備可以執(zhí)行控制、信號(hào)處理和應(yīng)用級(jí)任務(wù)，因此需要考慮的因素很多（圖 1）。雖然處理器選擇過(guò)程有太多方面需要在此處詳細(xì)說(shuō)明，但讓我們來(lái)看看系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮的一些更突出的領(lǐng)域。

圖 1：當(dāng)今的融合處理范例使選擇處理器成為比以往更加復(fù)雜的決定。

處理器性能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員會(huì)反射性地將設(shè)備的處理速度視為其性能的主要指標(biāo)。這不是一個(gè)糟糕的開(kāi)始，但它是一個(gè)不完整的評(píng)估。評(píng)估處理器每秒可以執(zhí)行的指令數(shù)量顯然很重要，而且評(píng)估在每個(gè)核心時(shí)鐘周期內(nèi)完成的操作數(shù)量和計(jì)算單元的效率也很重要。使用多核處理器作為極大擴(kuò)展設(shè)備計(jì)算能力（尤其是在同質(zhì)內(nèi)核的情況下）或明確區(qū)分控制處理與信號(hào)處理活動(dòng)（通常使用異構(gòu)內(nèi)核）的方式已不再罕見(jiàn)。

硬件加速

當(dāng)然，這不僅僅是關(guān)于處理器內(nèi)核。為了執(zhí)行明確指定的功能，硬件加速器幾乎總是最省電的方法來(lái)執(zhí)行它旨在加速的功能。在使用加速器方面可以發(fā)揮作用的一個(gè)方面是它在軟件算法中使用的友好程度。對(duì)于全算法類(lèi)型的加速器，例如 H.264 編碼器，通常不存在問(wèn)題，因?yàn)樗旧鲜仟?dú)立的。然而，對(duì)于像 FFT 這樣的內(nèi)核類(lèi)型的加速器，在更大的算法中使用加速器可能更具挑戰(zhàn)性。看看硬件功能如何執(zhí)行以及它需要如何配置。

帶寬要求

帶寬估計(jì)是一個(gè)很容易過(guò)度簡(jiǎn)化的過(guò)程，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生不幸的結(jié)果。系統(tǒng)中的所有單個(gè)數(shù)據(jù)流必須相加（考慮方向性和時(shí)間窗口），以確保內(nèi)核能夠在分配的窗口內(nèi)完成其數(shù)據(jù)處理，并且各種處理器總線(xiàn)不會(huì)過(guò)載，導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或系統(tǒng)故障。例如，對(duì)于視頻解碼器，設(shè)計(jì)人員首先需要考慮讀取需要解碼的數(shù)據(jù)。然后，有必要合并創(chuàng)建解碼幀序列所需的許多數(shù)據(jù)傳遞。這可能涉及內(nèi)部和外部存儲(chǔ)器之間的多個(gè)緩沖區(qū)傳輸。最后，設(shè)計(jì)人員必須考慮到顯示緩沖區(qū)到輸出設(shè)備的流式傳輸。

在考慮了所有數(shù)據(jù)流之后，需要構(gòu)建整體系統(tǒng)預(yù)算。此預(yù)算受多種因素影響，包括 DRAM 訪(fǎng)問(wèn)模式（以及由此導(dǎo)致的性能下降）、內(nèi)部總線(xiàn)仲裁、內(nèi)存延遲等。

能源管理

將功耗限制在與臨時(shí)操作要求相稱(chēng)的水平的能力對(duì)于保持電池壽命以及主電源供電系統(tǒng)的總體能源成本至關(guān)重要。處理器可以提供多種選項(xiàng)來(lái)優(yōu)化應(yīng)用程序的電源配置。其中一項(xiàng)功能是動(dòng)態(tài)電源管理——能夠調(diào)整核心頻率和工作電壓以滿(mǎn)足一定的性能水平。另一個(gè)是多種電源模式的可用性，可在特定時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)閉各種不需要的資源，包括存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備。系統(tǒng)喚醒（通過(guò)通用 I/O、實(shí)時(shí)時(shí)鐘或其他激勵(lì)）是此電源模式控制的一個(gè)組成部分。電源管理的另一個(gè)靈活性是內(nèi)核、I/O 和存儲(chǔ)器的多個(gè)電壓域的存在，

安全需求

在過(guò)去幾年中，處理器安全性變得越來(lái)越重要。無(wú)論這樣的方案是否是系統(tǒng)的基線(xiàn)要求，在決定最終方向之前，必須從多個(gè)有利位置查看安全問(wèn)題。安全需求通常采取平臺(tái)保護(hù)、IP 安全或數(shù)據(jù)安全的形式——或三者的某種組合。

需要平臺(tái)保護(hù)來(lái)確保在應(yīng)用程序中只運(yùn)行經(jīng)過(guò)身份驗(yàn)證的代碼。換句話(huà)說(shuō)，是否必須主動(dòng)阻止“流氓代碼”運(yùn)行？通過(guò)“流氓代碼”，我們指的是試圖訪(fǎng)問(wèn)處理器上受保護(hù)信息或“劫持”處理器并獲得對(duì)更大系統(tǒng)的控制權(quán)的程序。平臺(tái)保護(hù)可以通過(guò)多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)，在選擇時(shí)總是需要權(quán)衡取舍。與任何權(quán)衡一樣，隨著保護(hù)級(jí)別的提高，也會(huì)產(chǎn)生成本影響。另一個(gè)重要的考慮因素是整體安全方案在開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中的易用性。

驗(yàn)證代碼的能力對(duì)于保護(hù) IP 和數(shù)據(jù)也至關(guān)重要。IP 安全需要一種方法來(lái)加密帶入處理器執(zhí)行的代碼映像，或者通過(guò)嵌入式閃存或無(wú)法通過(guò)外部機(jī)制訪(fǎng)問(wèn)的內(nèi)部 ROM 將此 IP 存儲(chǔ)在處理器內(nèi)部。需要某種形式的數(shù)據(jù)安全性來(lái)確保數(shù)據(jù)進(jìn)出系統(tǒng)而不會(huì)受到損害。在某些情況下，特別是在低端微控制器中，安全性可能完全由嵌入式閃存處理，但在高端處理器上，應(yīng)用程序通過(guò)引導(dǎo)加載程序加載，該方案可能更復(fù)雜。

安全和容錯(cuò)

在許多應(yīng)用中，安全顯然是主要關(guān)注點(diǎn)，例如汽車(chē)駕駛員輔助系統(tǒng)或閉環(huán)電源控制系統(tǒng)。然而，目前其他不那么明顯的應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)人員開(kāi)始更加關(guān)心提高操作穩(wěn)健性水平。尤其是處理器內(nèi)置于較小的硅幾何尺寸（例如 28 納米或 40 納米）中，其中內(nèi)存中的軟錯(cuò)誤可能會(huì)因?yàn)樽匀话l(fā)生的事件（包括 α 和 γ 粒子）而影響操作。在處理器選擇過(guò)程中，重要的是檢查處理器如何處理這些類(lèi)型的錯(cuò)誤，以及它如何響應(yīng)一般的意外事件。發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)可以采取哪些步驟？它如何向其他系統(tǒng)組件發(fā)出出現(xiàn)問(wèn)題的信號(hào)？

調(diào)試能力

隨著應(yīng)用程序變得越來(lái)越復(fù)雜，開(kāi)發(fā)過(guò)程也變得越來(lái)越復(fù)雜。當(dāng)處理器和應(yīng)用程序子組件的數(shù)量呈指數(shù)增長(zhǎng)時(shí)，過(guò)去有效的捷徑可能不起作用。考慮使用操作系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)內(nèi)核的基于軟件的大型系統(tǒng)的系統(tǒng)級(jí)調(diào)試。處理器及其工具鏈?zhǔn)欠裼修k法在不影響應(yīng)用程序的情況下檢查處理器狀態(tài)？是否可以剖析和追蹤處理器所在的位置，或者捕獲所有感興趣的事件？在熟悉可用的調(diào)試級(jí)別之前，應(yīng)該回答所有這些問(wèn)題以及更多問(wèn)題。

系統(tǒng)成本

有時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員關(guān)注處理器價(jià)格標(biāo)簽而不是整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。不僅要考慮設(shè)備本身的成本，還要考慮所需的支持電路的成本——電平轉(zhuǎn)換器、接口芯片、膠合邏輯等。此外，封裝選項(xiàng)也起著至關(guān)重要的作用：一個(gè)處理器的封裝可能允許四層板設(shè)計(jì)，而另一個(gè)處理器的封裝可能需要昂貴的六層或八層板，因?yàn)榇嬖诓季€(xiàn)挑戰(zhàn)。最后，不要忽視額外的處理空間的價(jià)值，它可以允許未來(lái)的可擴(kuò)展性，而不會(huì)導(dǎo)致昂貴的處理器更換或電路板旋轉(zhuǎn)。

信號(hào)鏈

最后一點(diǎn)：處理器選擇應(yīng)與系統(tǒng)信號(hào)鏈要求的研究同步進(jìn)行。處理器供應(yīng)商是否也銷(xiāo)售連接到處理器的外圍設(shè)備？從同一個(gè)供應(yīng)商處購(gòu)買(mǎi)多個(gè)系統(tǒng)組件通常是有利的——對(duì)于互操作性、客戶(hù)支持和整體定價(jià)優(yōu)勢(shì)。

準(zhǔn)備好選擇處理器了嗎？

如前所述，在處理器選擇階段還有許多其他方面需要考慮，但這里描述的注意事項(xiàng)應(yīng)該為開(kāi)始這一關(guān)鍵過(guò)程提供良好的基礎(chǔ)。ADI 公司等供應(yīng)商提供各種符合所述選擇標(biāo)準(zhǔn)的處理器和其他組件。

作者：David Katz，Rick Gentile

審核編輯：郭婷