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流水线操作,应用处理器,应用处理器的结构和原理是什么?

2010年03月26日 15:03 www.elecfans.co 作者:佚名 用户评论(0

流水线操作,应用处理器,应用处理器的结构和原理是什么?


与哈佛结构相关,DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间.从而增强了处理器的处理能力。要执行一条DSP指令需要通过取指令、译码、取操作数和执行等几个阶段、DSP的流水线是指它的几个阶段在程序执行过程中是重叠的,即在执行本条指令的同时,下面的3条指令也依次完成了取操作数、译码、取指令的操作。换句话说,在每个指令周期内。4条不同的指令处于激活状态.每条指令处于不同的阶段。正是利用这种流水线机制、保证DSP的乘法、加法以及乘加运算可以在一个单周期内完成。这对提高DSP的运算速度具有重要意义,特别是当设计的算法需要进行连续的乘加运算时.这种结构的优越性就得到了充分的友现。也正是这种结构。决定了DSP的指令基本上都是单周期指令。衡量一个DSP的速度也基本上以单周期指令时间为标准.其倒数就是MIPS。

应用处理器的产生来源和基本原理
在下一代多功能手机中,DSC、MP3、游戏和视频等应用百花齐放。如果只用基带芯片实现这些功能,那么将显著增加CPU的负荷并影响通信处理性能。应用处理器(AP)适合于扩展手机功能,而且采用模块化架构的AP子系统可重复用在不同移动系统制式的手机。

应用处理器是SoC解决方案的重要补充,今天的低功耗设计要考虑每兆赫兹毫瓦(mW/MHz)等级的功耗性能。某些应用处理器最低可以达到0.08mW/MHz,最高到0.42mW/MHz。为了支持更多的节电功能,还可以采用集成的智能LCD显示屏,它有内置存储器,用于缓存图像,并有一个独立的控制器,可以节省用于屏幕刷新的CPU周期。其它方法是通过0.13微米晶圆工艺实现的,既降低了内部I/O和核心电压,又控制着泄漏电流。其它技术包括采用电源管理软件来减少CPU工作周期和频率。该技术的一个应用实例是基于ARM的Intel PXA27x XScale®处理器架构。


模块化架构
这种双处理器方案把基带工作和AP工作分开,一个处理器实现基本的电话功能,另一个处理器实现多媒体功能。基带处理器实现目前手机所做的呼叫/接听等基本的电话功能,AP处理器专用于处理高负荷的多媒体应用。


应用处理器子系统的要求
1.连接简单;连接的最简单方式是采用一个SRAM接口。

2.“穿过”(pass through)特性

由于LCD连到AP而不是基带处理器上,因此从基带提取图像送往LCD成为间接的动作。AP处理器上的“穿过”特性使得基带处理器可以访问LCD,即使该AP处于节电模式下。在这种模式下,不管是主LCD还是子LCD,基带处理器都可访问。可以“穿过”的最大器件数目设定为4。这为未来的扩展预留了空间。功耗在节电状态下达到最低。因而手机的待机时间可以最大化。有了这种直接访问特性,现有代码无需修改就可重复使用。它减轻了工程师的工作负荷并缩短了开发时间。

3.基带引导功能

通过利用这种特性,主程序可以存储在不昂贵的NAND/AND闪存上。引导加载器将主程序从数据闪存加载到SDRAM,并最终在该SDRAM上运行它。一个不同的引导加载器可用来重写/更新主程序。即使在重写期间发生异常中断,对最终产品也没有任何损害。

4.视频I/O

将YUV转换成RGB或者将RGB转换成YUV是靠硬件实现,不是靠软件计算。这带来速度和效率。例如:一个SXGA分辨率照相机传感器的输出YUV格式为4:2:2,每秒15帧,这意味着每秒可处理1,280×1,024×8×15=157,286,400字节。

5.集成基带与AP

基带系统和AP子系统的集成类似于把一个SRAM加到基带处理器上。基带应该最多保留7个I/O端口和一个中断来控制AP。除去某些AP功能,如“基带引导”和“穿过”,可以降低对I/O的需求。

应用处理器设计上分三大流派,一大流派是单ARM内核加阵列处理器,另一大流派为ARM内核+DSP。还有一大流派就是采用门级逻辑电路设计。还有极少数厂家使用RISC结构。

ARM内核最大的优点是软件操作平台易于建设,同时性能也算不错。缺点是性能功耗比不如DSP,因此ARM内核的运算单元适合与上层软件链接而灵活控制手机中的多个设备,DSP就比较适合进行固定模式的运算。ARM性能和运行频率关系很大。需要获得比较强的性能就必须提高时钟频率,提高时钟频率就意味着功耗增大,德州仪器多媒体应用处理器使用的TMS320C55x DSP内核要比ARM11的效率也要高不少。

应用处理器的分类与发展
嵌入式系统主要由嵌入式处理器,嵌入式系统软件和嵌入式应用软件组成。但是嵌入式系统有不同的应用形式,不同的形式决定了不同的嵌入式系统架构。目前主要有三种嵌入式系统的架构。

1.IP 级的架构。

IP级的架构是系统级芯片的形式(SOC)。该架构把不同的IP单元根据应用的要求集成在一块芯片上面,并且嵌入式软件也可以集成在这个芯片上面。

2.芯片级的架构。

嵌入式系统中最常见的是芯片级的架构。芯片级的架构是根据应用的要求,可以选择相应的处理器芯片,内存组件,1O接口芯片等组成相应的嵌入式系统。相应的系统软件和应用软件也固化在ROM中。

3.模块级的架构。

模块级的架构是以X86处理器沟通的计算机系统模块嵌入到应用系统中。把操作系统改造为嵌入式操作系统,把应用软件固化在固态盘中。这样这种系统体积小,可靠性好,具备了常用PC的通用性和便利性。这种嵌入式系统多用于工业控制系统中。

Intel公司在2000年9月推出了基于StrongARM/XScale处理器的面向互联网的嵌入式系统的架构,即Intel个人互联网用户架构PCA(Personal Internet ClientArchitecture)。PCA架构由应用子系统,通信子系统和内存子系统组成。PCA 的应用子系统是由StrongARM/XScale处理器组成的。该处理器在嵌入式系统的支持下,管理扩充设备内存,用户输入输出,电源管理及通信子系统之间的交互。PCA子系统是由一个或者多个处理器构成完成通信协议的处理。为了提高实时处理的性能,也可以增加DSP。内存子系统提供低电压,低功耗,高级程度的Flash/SRAM/DRAM的管理。支持分级存储体系,告诉缓存,片上内存,系统内存等。

我们可以认为Intel公司提出的PCA架构是嵌入式系统的第四种架构,作为该架构中的应用子系统的嵌入式处理器,Intel公司推出了XScale处理器。XScale和是采用ARM VSTE架构的处理器,使Intel公司的StrongARM的换代产品。XScale是以核的形式作为ASSP(Application Specific Standard Product) .Intel公司的PXA250和PXA210应用处理器就是为手持设备设计的ASSP。

Intel PXA250/210微处理器是F一代手持多媒体应用处理器,基于Xscale结构的高性能低功耗微处理器,广泛应用于无线、手持和Internet设备当中。Intel PXA250内核是一个32-bit的微处理器,但是在他的结构设计中,处理器内核部分仅占了整个芯片的15%。绝大部分区域是为了提高其性能的集成程度和增强电源管理,降低芯片甚至是系统的功耗。 Intel PXA250内核是一个Intel Xscale内核微处理器。Intel Xscale本身是一个32-bit的RISC为结构。采用先进的ARM技术,是目前世界上交流行得32-bit嵌入式CPU。在技术_FARM和Intel Xscale两者完全兼容。因此在采用Intel PXA250应用处理器进行软件开发时,原来为ARM开发的代码完全可以进行移植,或直接在基于Intel Xscale的微处理器上运行。

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