32位处理器推动多媒体的发展

随着嵌入式系统朝着越来越复杂的方向快速发展，设计工程师必须面对如何选择处理器的新挑战。在许多先进的应用中，灵活、低成本的8位和16位微控制器（MCU）正在逐渐地被32位的系统芯片（SOC）所取代。当然，8位和16位处理器在嵌入式系统中仍然保持其应有的地位。但是，发展32位处理器的理由很多，如考虑系统成本、产品可扩缩性和性能要求等，这仅是几个例子。下面我们以多媒体市场为背景来讨论转向32位MCU的主要原因。
    要了解为什么32位MCU在多媒体领域中如此流行，首先要考虑到8位MCU不具备保证多媒体系统进行实时操作所需的带宽和计算能力。16位MCU毕竟能提高速度和性能，另外，它们还比8位 MCU消耗更低的待机电流并且通常能提供更大的片内存储器。
一个很明显的问题是，为什么不转向16位MCU？答案很简单。采用32位MCU系统的实际成本与当前可提供的许多16位MCU解决方案相当，但性能却比16 位 MCU提高很多。下面简要指出造成这种成本相近的几种原因。

制造工艺
    随着半导体制造工艺几何尺寸不断缩小，32位MCU结构变得越来越便宜。芯片几何尺寸减小，引起管芯尺寸变小，从而使每个圆片上可提供更多的管芯。这直接降低了每颗芯片的成本。另外，随着32位MCU的制造工艺减小到0.18μm或0.13μm (而8位MCU一般为0.25μm工艺)，能够提高运行速度。例如，大多数8位和16位MCU的正常工作速度低于100MHz，而0.13μm工艺的32位MCU能够比这个速度高出许多倍。
    有两个主要原因可以解释为何以较小的工艺尺寸设计8位MCU是不经济有效的。首先，由于8位MCU带宽总体来说不够高，因此工艺尺寸减小所带来的任何速度提高都是无用的。第二，通常8位MCU的价格目标为2美元左右，这个价格太低，无法支持某些更小工艺尺寸的实现。
    更小工艺尺寸虽然不适合8位MCU的价格目标，但对32位MCU来说却是个优势，因为减小其工艺尺寸能给适合SOC的一组外围电路留出余量。更重要的是，大约为5美元的价格与16位MCU的价格相当，但性能却产生了飞跃。

编程模式
    另外一个与价格有关的考虑是32位MPU结构的编程模式。由于增加了处理器的数据总线位数，还增加了一个由32位数据寄存器和地址寄存器组成的寄存器文件，所以大大提高了编译器的支持能力。另外，32位MCU通常均支持16位和32位操作码，从而增强了指令集结构的灵活性，提高了代码密度，并且使许多操作在单个内核时钟周期内就可完成。
以上两个特点都减少了对手工编制汇编代码的依赖性，因此程序设计师主要使用诸如C语言的高级语言进行编程。基于C语言的编程模式直接降低了开发和维护成本。32位MPU能够将公司现有的应用转变成以前从未想到的MCU环境。

扩展的外围支持
    如前所述，MCU在多媒体系统中通常起到系统控制器的作用。它们不适合用于大量的数据处理，这是数字信号处理器（DSP）做的工作。实际上，MCU控制DSP的运行，并且管理人机界面、操作系统和与其它系统组成的连接。
    正是这种与外围电路的连接推动了32位MCU的发展，许多广泛应用的外围电路（高速USB2.0、PCI等等）都支持高速率数据传送，但是用8位或16位MCU很难或无法处理这些数据流。例如，在网络连通领域中，如果数据寄存器最大长度为8位或16位，则无法支持全套的网络协议。
    8位和16位MCU的根本问题在于，以其有限的处理能力和很小的存储器寻址范围无法支持高速运行。有些8位MCU只有几个数据寄存器，没有单独的累加器。提供完整的寄存器文件非常重要，因为它不需要在存储器和累加器之间频繁地传送数据。另外，利用多个32位数据地址产生寄存器，能够使性能得到极大地提高。32位MCU的这些特点带来更密集的编译码、更宽的连续带宽、以及如前所述的更灵活的编程模式。
    作为一种与32位MCU竞争的一种自然“策略”，16位MCU供应商一直试图扩展16位MCU的内部数据位数，以达到不增加解决方案的最终成本而提高运行速度的目的。这种方法可以起一些作用，但无法弥补性能的根本差距。

32位MCU系统的发展趋势
    与32位MCU平行发展的一个趋势是将多种DSP功能集成在单芯片上。尽管当前的大多数多媒体设计中使用一个MCU来控制一个DSP，但出于成本、尺寸和功耗的考虑，开发商一直试图将这种功能性集成到单芯片上。另外提高32位MCU的时钟速度，这有助于推动这一趋势：时钟速度越高意味着为完成信号处理提供更多的余量。
    然而，MCU本身不适合有效的信号处理。因此，制造商一直试图采用一些技术来弥补这一不足。
    一种方法是采用多芯片模块（MCM），即将DSP和MCU组合在单个封装内。这种方法的不足是，设计工程师必须按"50/50"的时间比例分配控制功能和处理功能；例如，一旦DSP超出时间，MCU将不能完成计算任务。另外，由于DSP内核和MCU内核相互独立，需要两套开发工具。
    另外一种方法是使MCU具备DSP功能。这种方法只适合直接的信号处理应用。MCU的时钟速度和计算结构本质上不适合大量的数据计算。有些MCU试图通过增加一个DSP的乘法累加器（MAC）来补偿这种不足。但这种方法仍缺乏更先进应用所需要基本的“自下而上 ”结构设计 。
    最后一种方法是将MCU和DSP功能集成到单个处理器中，这些处理器采用了统一的结构，它不仅适于数字计算，而且也适于控制任务。这就是ADI公司Blackfin处理器系列的设计思想，即同时具备16位DSP和32位MCU的功能。通过平衡执行控制任务和复杂运算能力的需求，这种方法根据系统实时处理的需要可以实施100%的控制或100%的计算。
    今后，32位MCU将继续以低价格提供更高的处理速度和更多的功能。SOC技术将继续把MCU功能和统一的连通性及强大的计算能力同时集成在一起，从而实现真正的单片解决方案。很明显，这些32位SOC已经对多媒体领域提出它们的要求，并且其变革这些市场的能力日趋明朗。各种MCU的比较如图1所示，图1示出了支持多媒体应用的一般发展趋势，SOC具有集成的32位MCU高性能，适合多媒体应用。低性能的8位和16位MCU适合控制应用。

图1