關于SoC處理單元性能評估及功能劃分

有多個處理單元的SoC器件目前是產(chǎn)品設計鏈上的重要一環(huán)。本文綜合各種因素評估了不同處理單元的優(yōu)缺點，并通過衛(wèi)星無線電接收器的設計實例幫助開發(fā)人員理解SoC所涉及處理任務之間的復雜平衡并有效掌握系統(tǒng)功能的劃分。

在準備開發(fā)目前越來越復雜的便攜式系統(tǒng)時，設計人員面對的最大挑戰(zhàn)之一就是采用什么樣的處理器組合來實現(xiàn)最優(yōu)化的“3P”指標，即系統(tǒng)性能最高、價格最低及功耗最小。系統(tǒng)級芯片(SoC)集成使得今日的創(chuàng)新成為可能，但它常常涉及把不同的處理器單元結合在單一的器件之上。這些單元可以包括可編程功能，如通用微處理器(通常是RISC)、DSP、FPGA和加速器，而且還可能有固定功能的加速器。由于這些單元都可以專用器件形式獲得，因此對設計人員來說，在它們之中進行全面的性能評估，進而決定以最有效的方式組合使用它們，有可能是一項相當困難的工作。

處理單元的優(yōu)缺點分析

在實現(xiàn)多內(nèi)核處理器之前，在RISC和DSP之間進行挑選曾相對較為簡單。如果大量的系統(tǒng)處理工作和數(shù)據(jù)有關，那么采用RISC，即使信號處理會受些損失。如果大量的處理工作和信號有關，那么采用DSP，并力爭獲得差強人意的控制和數(shù)據(jù)處理性能。但對多內(nèi)核集成而言，考慮到要添加其它處理單元，這類選擇變得非常復雜。正確的答案不完全是技術性的，而是要基于優(yōu)化靈活性、便于使用、成本、功耗和性能多方面來考慮。

各種處理單元的基本優(yōu)點和缺點概括在表1之中。通用RISC處理器專為數(shù)據(jù)處理而優(yōu)化，很容易使用而且很靈活，其成本、功耗和性能都可接受。DSP為實時信號而優(yōu)化，它們處理實時信號所需的功耗和成本通常比RISC低，不過，它們常常更難使用。

可編程加速器或半可編程處理器可設計用來數(shù)據(jù)或信號處理。一個例子就是用于通信系統(tǒng)的Viterbi處理器，對Viterbi編碼或解碼來說它是完全可編程的，但對任何其它功能來說毫無用處。就其功能而言，一個可編程加速器的成本、功耗總是比RISC或DSP要低，而性能要高，但從本質(zhì)上講，它稍欠靈活、更難使用，而且對缺陷(bug)的容忍度低，不容易更改。

表1處理器單元優(yōu)缺點對比

用于數(shù)據(jù)或信號處理的固定功能加速器(一般為ASIC)只能完成一種特定的功能。固定功能加速器總是一種成本最低、功耗最低、性能最高的解決方案，但它們?nèi)鄙偃魏纬潭鹊撵`活性。一旦ASIC設計出來并調(diào)試通過，到了系統(tǒng)開發(fā)人員手里，它會變得非常易用。但是其設計和調(diào)試與可編程器件相比非常困難，而且以后不可能進行再編程。

劃分系統(tǒng)處理功能

盡管在各種處理單元之中做決定是一件復雜的工作，但有一個可行的選擇程序，就是把各種系統(tǒng)功能劃分到各種處理單元之中。把一個系統(tǒng)的處理需求映射到一個現(xiàn)有的多內(nèi)核SoC之中，與通過映射處理需求創(chuàng)建一個新多內(nèi)核SoC有所不同。然而，其過程是類似的。

為了把該系統(tǒng)映射到一個現(xiàn)有的SoC之中，系統(tǒng)設計人員必須確定該系統(tǒng)方案以及它所針對市場的幾個細節(jié)。在這當中包括產(chǎn)品特性和算法組件，以及添加特性和解決bug的策略，不管是在設計期間還是在整個產(chǎn)品壽命期內(nèi)。一旦這些細節(jié)確定，系統(tǒng)功能必須確定成信號或數(shù)據(jù)處理任務，隨后再分成三個性質(zhì)不同的類。

明確并將保持不變的功能：這些功能包括離散余弦變換(DCT)或快速傅立葉變換(FFT)，它們將不會再有任何變化，而且已問世足夠長的時間，因此所有bug都已消除。這些功能使用固定功能加速器或最優(yōu)化。

明確但會有一定變化的功能：這些功能有一定程度的靈活性。例如，盡管單一的FFT可以由一個ASIC來處理，但將多個相關的FFT重新組合成一系列實現(xiàn)方案的能力會需要一種可編程的加速器。

不確定且可變化的新功能：滿足這些需求的處理器單元是可編程的RISC、DSP和FPGA。雖然設計人員也許不知道這些不確定或新特性是什么，但有必要測度應對預計需求所需的大致性能和存儲器。

當系統(tǒng)功能已經(jīng)被分解成這三大類別時，系統(tǒng)可以映射到一個現(xiàn)有的SoC器件。整個程序分成以下步驟：

1.確定最終系統(tǒng)完整的特性和功能清單。如果可能的話，包括對新特性和功能的估計，它們可以在采用該SoC產(chǎn)品的壽命期內(nèi)隨時加入。

2.把該特性和功能清單分成數(shù)據(jù)處理部分和信號處理部分。

3.把每個清單(數(shù)據(jù)和信號)中的功能分成三類：a.在產(chǎn)品的壽命期內(nèi)明確并將保持不變的功能;b.在產(chǎn)品的壽命期內(nèi)明確但允許某些變化的功能;c.不確定且可變化的新功能。

4.估計每個清單中每項所需的性能。

5.估計每個清單中每項所需的存儲器。

6.分配：a.適當?shù)拿鞔_功能給可行的固定功能加速器;b.其余的明確功能給可行的可編程加速器;c.不確定且可變化的新功能給適當?shù)目删幊唐骷?RISC用于數(shù)據(jù)處理，DSP用于信號處理)。

最后一步的目標是盡可能多地利用加速器，并把靈活性和裕度留給可編程單元處理。顯然，對明確的、可有一些變化的和不確定功能的分配在一定程度上取決于相關SoC能提供什么硬件。把一個系統(tǒng)映射到一個新的SoC，而不是一個現(xiàn)有的SoC，有可能會引起較長的產(chǎn)品規(guī)劃時間，所以該設計人員必須解決的問題將經(jīng)常和一系列基于該新器件的產(chǎn)品有關。設計人員需要確定哪些算法組件更好理解，沒有缺陷也不需要改變;還需要確定在整個設計期間或產(chǎn)品系列中，系統(tǒng)的哪些部分有可能改變。在涉及到功能分配(步驟6)時，一個新方案的設計人員可以非常肯定地將明確功能(步驟3的a)分配給固定功能單元，可有些變化的功能(步驟3的b)分配給可編程加速器，把不確定的、變化的新功能(步驟3的c分配給處理數(shù)據(jù)的RISC和處理信號的DSP)。

SoC設計范例：衛(wèi)星無線電

一個數(shù)字廣播衛(wèi)星無線電接收器就是一個系統(tǒng)如何劃分并如何用一個現(xiàn)有SOC上不同處理單元來實現(xiàn)的很好例子。在美國，衛(wèi)星無線電以S波段頻率2.3GHz來廣播，采用一個地面同步衛(wèi)星提供海岸到海岸覆蓋。還有一些地面中繼器，它們可以在主衛(wèi)星被阻斷時從另一個衛(wèi)星接收信號并傳播出去。所用的調(diào)制系統(tǒng)或者是QPSK(正交相移鍵控)，或者是針對衛(wèi)星的TDM(時分多址)，這取決于廣播公司，而對地面站來說總是采用OFDM(正交頻分多址)。

衛(wèi)星無線電的主要優(yōu)點是它能夠向客戶提供數(shù)百條無靜電干擾的音頻和消息信道。由于傳輸帶寬窄，衛(wèi)星無線電依靠新的感覺音頻編碼器(PAC)算法進行音頻壓縮和解壓縮。PAC的某些特性，如對信道損傷有一定適應能力，使得它很適合廣播無線電應用。該音頻編碼利用人耳的一些特性，隱藏部分信號失真，而且一旦該信號數(shù)字化，剩下的冗余通過無噪音編碼被除去。因其高壓縮率和優(yōu)異質(zhì)量，PAC音頻編碼已經(jīng)成為一種事實上的衛(wèi)星和數(shù)字無線電廣播標準。圖1顯示了一種衛(wèi)星無線電接收器架構。