從架構(gòu)到RTOS，詳解DSP和MCU的區(qū)別與聯(lián)系

一、區(qū)別

兩則的分流造成的主要原因是數(shù)字信號(hào)處理的簡(jiǎn)便性，考慮一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)例，比如有限沖擊響應(yīng)濾波器（FIR）。用數(shù)學(xué)語言來說，F(xiàn)IR濾波器是做一系列的點(diǎn)積。取一個(gè)輸入量和一個(gè)序數(shù)向量，在系數(shù)和輸入樣本的滑動(dòng)窗口間作乘法，然后將所有的乘積加起來，形成一個(gè)輸出樣本。

類似的運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理過程中大量的重復(fù)發(fā)生，使得為此設(shè)計(jì)的器件必須提供專門的支持，促進(jìn)了DSP器件與通用處理器（GPP）的分流：

1. 對(duì)密集乘法的支持

2. 存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)

此外，DSP處理器幾乎都不具備數(shù)據(jù)的高速緩存。這是因?yàn)镈SP的典型數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)流。也就是說，DSP處理器對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)樣本做計(jì)算后，就丟棄，幾乎不再重復(fù)使用。

3. 零開銷循環(huán)

DSP算法的一個(gè)共同的特點(diǎn)，即大多數(shù)處理時(shí)間都花在執(zhí)行較小的循環(huán)上，也就容易理解，為什么大多數(shù)的DSP都有專門的硬件，用于零開銷循環(huán)。所謂的零開銷循環(huán)是指處理器在執(zhí)行循環(huán)時(shí)，不用花時(shí)間去檢查循環(huán)計(jì)數(shù)器的值，條件轉(zhuǎn)移到循環(huán)大額頂部，將循環(huán)計(jì)數(shù)器減1.

與此相反，GPP的循環(huán)使用軟件來實(shí)現(xiàn)。某些高性能的GPP使用轉(zhuǎn)移預(yù)報(bào)硬件，幾乎達(dá)到與硬件支持零開銷循環(huán)同樣地效果。

二、聯(lián)系

按照傳統(tǒng)方式，嵌入式應(yīng)用中的數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）相對(duì)于主微控制器起到從屬的作用。在這些應(yīng)用中，MCU用作系統(tǒng)控制器，而大量的數(shù)據(jù)處理留給DSP。例如，在音頻或視頻處理器應(yīng)用中有可能需要人機(jī)界面管理，或則是整個(gè)系統(tǒng)的控制。

為完成這些任務(wù)，有幾種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇。

第一種方案是將DSP和MCU芯片組合在印制電路板上。這種方案成本高并且占用面積大，但是可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整每個(gè)芯片的尺寸以最大限度的滿足系統(tǒng)需要。

第二種方案是將DSP功能合并到一個(gè)MCU中。這種方案只適合于直接的信號(hào)處理應(yīng)用。MCU的時(shí)鐘頻率和計(jì)算體系結(jié)構(gòu)根本上不太適合大量的數(shù)字處理。有些ＭＣＵ試圖通過增加一個(gè)乘法和累加器（ＭＡＣ）（ｄｓｐ的一個(gè)特點(diǎn)）來補(bǔ)償上述不足。但是這種方案任然缺乏高級(jí)應(yīng)用所需要的基本的“由上至下”的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

第三種方案是一種將ｄｓｐ和ｍｃｕ組合在單個(gè)封裝內(nèi)的多芯片模塊（ｍｃｍ）．這種方案的局限性是，設(shè)計(jì)工程師必須按“５０／５０”的時(shí)間比例分配給控制和DSP功能；例如，一旦DSP超出時(shí)間，MCU不能完成計(jì)算任務(wù)。像第一種方案選擇一樣，當(dāng)DSP和MCU內(nèi)核獨(dú)立存在的時(shí)候，需要兩套開發(fā)工具。

已經(jīng)出現(xiàn)第四種方案它是將MCU的功能合并到一個(gè)DSP中。這類方案的一個(gè)例子是美國(guó)模擬器件公司（Anolog Device Inc.,簡(jiǎn)稱ADI）的Blackfin 處理器系列。這些新型處理器具有統(tǒng)一的經(jīng)過優(yōu)化的體系結(jié)構(gòu)，不僅適于數(shù)據(jù)計(jì)算，而且也適于有關(guān)的控制任務(wù)。通過平衡執(zhí)行控制任務(wù)與復(fù)雜計(jì)算的要求，這種方案可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)處理的需要，完成100%的控制或者100%的計(jì)算任務(wù)。完成所有這一切任務(wù)不需要在DSP模式和MCU模式之間的模式轉(zhuǎn)換。

DSP & MCU

首先讓我們回顧一下DSP和MCU的典型功能。DSP主要是在一單個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)盡可能完成多個(gè)MAC（乘法和累加）操作。為了這一點(diǎn)，指令的操作代碼通常是可變的超長(zhǎng)的指令字（VLIW）。DSP也適于工作在緊密、高效的環(huán)路中。另外，為了達(dá)到性能指標(biāo)通常需要編寫優(yōu)化的匯編代碼。由于DSP的算法程序一般裝在小容量、短等待時(shí)間的內(nèi)置存儲(chǔ)器中，所以代碼密度通常不是大問題。像DSP主要用于完成計(jì)算一樣，MCU主要用于完成控制功能。同樣地，典型的MCU應(yīng)用包括許多條件操作，在程序流程中頻繁地跳轉(zhuǎn)。通常使用C或者C＋＋語言編寫程序。代碼密度極為重要，并且根據(jù)編譯代碼的長(zhǎng)度來評(píng)估算法。存儲(chǔ)器系統(tǒng)是基于高速緩存從而允許該系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師用較長(zhǎng)等待時(shí)間從較大的存儲(chǔ)器中調(diào)用較大程序。利用基于高速緩存系統(tǒng)，程序員不需要考慮如何以及何時(shí)將指令輸入到內(nèi)核去執(zhí)行。

統(tǒng)一的DSP和MCU兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)點(diǎn)。它的指令集由16 bit，32 bit和64 bit操作碼組成，但是由于最常用的指令采用16 bit編碼，所以編譯代碼密度大小與那些流行的MCU相同。另外，它包括一個(gè)存儲(chǔ)器保護(hù)功能以及指令高速緩存和數(shù)據(jù)高速緩存，作為整個(gè)存儲(chǔ)器管理單元（MMU）的一部分。此外，容易提供一套完整的C/C＋＋開發(fā)工具，提供可選匯編語言或者全部匯編語言適合算法優(yōu)化的編程。

RTOS

系統(tǒng)控制的一個(gè)重要方面是任務(wù)管理。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）逐漸地用于控制復(fù)雜系統(tǒng)中多種正在進(jìn)行的和同時(shí)發(fā)生的任務(wù)。通過提供對(duì)任務(wù)調(diào)度與管理的支持，RTOS簡(jiǎn)化了編程模式，這通常是由MCU控制的，由于普通的DSP不具備支持RTOS需要的所有功能以便有效地控制。

然而，統(tǒng)一的DSP和MCU促進(jìn)了RTOS幾個(gè)重要功能的發(fā)展。第一個(gè)是限制訪問功能以保護(hù)或者保留存儲(chǔ)單元。第二個(gè)是配備單獨(dú)的堆棧和幀指針以減少操作系統(tǒng)（OS）請(qǐng)求以及中斷和異常處理所需的等待時(shí)間。第三個(gè)是具備單獨(dú)的用戶操作模式和管理員操作模式。過去，DSP按照等效于管理員操作模式工作，從而允許在任何時(shí)間完全訪問所有的系統(tǒng)資源。然而MCU提供類似的在用戶操作模式，它允許在OS的頂層運(yùn)行應(yīng)用軟件。現(xiàn)在，在一個(gè)統(tǒng)一的體系結(jié)構(gòu)下提供兩種操作模式，因?yàn)樵鰪?qiáng)的DSP系統(tǒng)能夠限制用戶應(yīng)用軟件僅通過OS訪問系統(tǒng)資源。

MCU的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是包含使用靈活和種類齊全的外圍設(shè)備。作為通用的嵌入式控制器，它們通常具備可編程輸入輸出（I/O）標(biāo)志、定時(shí)器、串行接口和日益增加越來越復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)接口。MCU外圍設(shè)備的主要作用是嵌入式控制，而不是大量計(jì)算。例如，一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘信號(hào)可以喚醒一只溫度傳感器用以采集環(huán)境溫度并且將一個(gè)延遲的信息通過I/O引腳反饋到MCU。然后，一個(gè)定時(shí)器的脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出相應(yīng)地能夠增加或者減小風(fēng)扇電機(jī)的轉(zhuǎn)速。像MCU一樣，統(tǒng)一的DSP和MCU具備一套系統(tǒng)控制外圍設(shè)備（例如，實(shí)時(shí)時(shí)鐘、多功能定時(shí)器、監(jiān)視定時(shí)器、雙向標(biāo)志位引腳）。然而，它還包括一些高速接口（例如，PCI、異步或者同步存儲(chǔ)器控制器、USB、并行視頻接口）以便通過這些接口，與許多DMA通道配合快速搬移數(shù)據(jù)，從而有助于有效利用高速DSP內(nèi)核的信號(hào)處理能力。

功耗控制一直是嵌入式控制器的一項(xiàng)功能。但是，當(dāng)系統(tǒng)要求DSP具有優(yōu)良的性能時(shí)，對(duì)其電源的選擇就不太理想。如果將獨(dú)立的MCU和DSP芯片應(yīng)用于電源敏感的場(chǎng)合，通常必須為每個(gè)芯片提供一個(gè)單獨(dú)的開關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)檫@兩個(gè)器件的內(nèi)核電壓經(jīng)常不一致。這會(huì)導(dǎo)致降低電源變換效率和增加設(shè)計(jì)器件的引腳數(shù)目，最終增加布線的復(fù)雜程度和解決方案的成本。此外，當(dāng)MCU和DSP的內(nèi)核集成到一個(gè)芯片上時(shí)，電源解決方案本質(zhì)上不是最佳的，因?yàn)樗仨殱M足2個(gè)完全獨(dú)立并具有不同負(fù)載特性處理器的需求。將這種情況與統(tǒng)一的DSP和MCU相比較，它包含一個(gè)集成動(dòng)態(tài)電源管理（DPM）控制器。由于它是只有一個(gè)處理器的體系結(jié)構(gòu)，所以該控制器能夠完全適合給定應(yīng)用的需求。它提供幾種固有的電源模式以支持多種系統(tǒng)性能等級(jí)。另外，對(duì)于未使用的時(shí)鐘和L2存儲(chǔ)器可選擇性地禁止。該P(yáng)LL的頻率可在一個(gè)寬范圍（通常1倍～31倍）進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足在DSP和MCU內(nèi)部多層次的處理需求。最后能夠調(diào)節(jié)電壓（外部或者通過一個(gè)集成的開關(guān)控制器）以提供指數(shù)式的節(jié)省功耗。由于系統(tǒng)成本、開發(fā)容易、器件采購(gòu)和升級(jí)能力的原因，設(shè)計(jì)工程師正趨向采用一種單芯片解決方案用于嵌入式信號(hào)處理解決方案。這種單芯片解決方案必須能夠同樣好地完成DSP和MCU的功能，所以有必要提出一種統(tǒng)一的處理器體系結(jié)構(gòu)。面對(duì)MCU的挑戰(zhàn)，比較簡(jiǎn)單的解決方案是將MCU的功能合并到一個(gè)高性能的DSP內(nèi)核，而不是與此相反。當(dāng)今一個(gè)統(tǒng)一的DSP和MCU平臺(tái)（由BlackfinDSP系列產(chǎn)品說明）已經(jīng)投放市場(chǎng)，它將在MCU和DSP目前應(yīng)用領(lǐng)域提供許多應(yīng)用。

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審核編輯 黃昊宇