原创 可配置处理器将逐渐取代硬连线处理器

今天的便携式电子正经历着在性能增强和设备融合方面日益加剧的螺旋式变化。从前只能拍照的数码相机，现在不仅分辨率提高了四倍，而且还能摄像以及播放MP3文件。如今的手机拥有蓝牙技术及彩屏，也可以拍照并播放MP3文件。所有这类性能增强的窍门在于，必须了解消费者也期望这些新型设备的电池寿命能够得到延长。

　　有一种方法可以使设计人员既能提供附加功能，而又不影响其功率预算，即从传统的硬连线处理器转向可配置、可扩展的处理器。硬连线处理器要求设计人员使系统适应处理器的要求，结果通常形成一种不够优化的系统。而采用可配置、可扩展的处理器，诸如ARC国际公司的产品，设计人员能使处理器满足应用需求，最终获得即可提供附加特性，又能降低功耗的系统。

     图1：带与不带定制扩展与接口的ARC

     600处理器扩展指令及所测指令数比较。

    

     　　本文将分析可配置处理器在为设计人员减少系统功耗方面所能提供的自由度。选项一般分成三类：可配置性，或者说挑选标准处理器特性的能力；可扩展性，或者说为处理器增加独特的专用设计资源的能力；可根据具体应用调整的存储器。

　　可配置性 　　可配置性是减少传统处理器功率的最显著的方式。固定配置处理器必须包含一组可满足其90%潜在客户群要求的特性。这意味着对于除了最复杂的应用以外的所有应用，处理器都会包含一些不需要的资源。

　　与此相反，可配置处理器是从提供通用计算所需的最小功能开始，然后设计人员再从特性表中挑选所需的其他功能，这样就只增加系统必要的部分。例如，缓存大小、复杂指令、DSP资源、存储器管理单元(MMU)、定时器以及中断特性等，全都能在需要时增加，不需要时去掉。因此这种附加控制总能获得更小、更低功耗、更低成本的设计。

　　与几种运行相同标准音频编解码器(如AAC或MP3)的常见处理器架构相比，这种可配置性能够提供具有相当可观的尺寸和功率的节省。

　　所有这三种处理器都能提供完全相同的音频处理，可支持任何MPEG音频标准。不过ARC 600处理器的功耗及面积比其他两种处理器要小很多，因为它已针对音频处理应用进行了最佳配置。另一个优势在于，ARC 600处理器还具有音频扩展性能，这使其能在比硬连线处理器内核更低的频率上执行标准音频处理。

　　可扩展性 　　前面提及的音频扩展是一个理想的例子，虽不太明显，但可扩展性也许是提供功率优化系统的更为强大的工具。可扩展性使设计人员能够分析应用的软件需求，并为那些被软件运行占用大部分系统时间的部分提供硬件加速指令/特性。其结果通常是减少了整个系统的工作频率并直接降低了功耗。

　　例如，联网应用可能一秒钟需要检查50万次输入数据包的头文件，以确保数据完整性，还要将数据包分类。此时要求处理器执行循环冗余校验(CRC)计算、提取几个位字段，并将所提取的数据与一组选项进行比较。每检查一个头文件，这种处理就要用到多达60条典型的RSIC指令。

　　而采用可扩展处理器，一条定制指令就能在一个时钟周期内同时完成所有这些检查。因此，对于同样的应用，需要占用一个典型RISC引擎大约3千万个周期(50万个数据包头文件x每个头文件60个周期)，而在可扩展处理器上则仅需50万个周期。所以对于功率敏感的应用，可配置处理器系统在更低的时钟频率(29.5 MHz)上能获得同样的性能。这种频率的减少又可转变为整个系统逻辑功率的节省。

　　存储器优化

     图2：音频处理器比较显示出ARC

     600、ARM946及MIPS 4k处理器的尺寸，

     以平方毫米为单位，采用0.18微米工艺、

     包括所需存储器在内。

    

     　　在大多数IC的功率预算中，存储器访问占主导地位，尤其当存储器资源在片外时。鉴于此，在低功率设计中，用可配置处理器进行存储器优化受到特别关注。采用可配置、可扩展的处理器，有多种方法可减少高功率的片内和片外存储器访问。

　　最直接的例子就是削减处理器内存。系统中的每个高速缓存器都能够准确地调整到应用软件所需的大小。运行在ARC 600上的AAC音频编解码器就是一个很好的范例分析。指令缓存器的大小可由用户选择，容量在2k到32k字之间。

　　ARC还提供软件剖析工具，可使用户快速评价不同大小的高速缓存器的命中率。当在ARC 600处理器上运行AAC解码器时，ARC公司的Metaware剖析工具显示，32k字节指令缓存（I-cache）的命中率大约为99.9%。

　　在一个相同的但只带有2k字节指令缓存的ARC 600处理器上运行相同的解码器，缓存命中率可达99.1% 左右。缓存越小，每次缓存访问所需的功率就越低。不过，较小的缓存也会导致更多的高功率外部存储器访问。99.1%的缓存命中率导致的功率节省可以平衡增加的0.8%外部存储器访问产生的功率消耗，从而可为该应用提供一种功率优化解决方案。

　　定制指令被认为是提高性能的一种方法，它也是减少存储器访问的关键。一个数据包校验的例子可表明，定制指令如何减少通往指令存储器的通信量。典型的RISC处理器将不得不从指令缓存中取回大约60条指令，每次都需要消耗标记RAM和指令RAM的有效存取功率。

　　定制指令能够取代这60条指令，只需要一次RAM访问。根据代码位置及缓存大小，可能还需要访问片外RAM，而不仅是指令缓存，这进一步增加了采用硬连线处理器内核所需的功率。

　　头两个例子都集中在指令存储器的功率节省方面，而可配置处理器在数据转移方面也能提供同样的功率优势。数据缓存可以像指令缓存那样通过按钮改变容量大小，因此在应用剖析后优化缓存大小方面，两者享有同样的优势。　 （来源　电子工程专辑）