能否讓微處理器過時現(xiàn)象成為歷史
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作者：Karen Parnell#BSD# Xilinx公司汽車產(chǎn)品營銷經(jīng)理
時間：2005-09-04
來源：EDN電子設(shè)計技術(shù)
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能否讓微處理器過時現(xiàn)象成為歷史
在FPGA構(gòu)造中加入嵌入式軟處理器，是一種可有效地解決處理器過時問題的根本且穩(wěn)健的方案。
設(shè)計人員所面臨的最大的“過時”問題是微處理器和微控制器更新?lián)Q代迅速。變化快速的消費(fèi)類市場以及處理器速度的不斷提高,使得處理器的生命周期變得前所未有地短暫，而且經(jīng)常是在短暫的停產(chǎn)通告之后就中斷了生產(chǎn)和供應(yīng)。此外，在消費(fèi)類產(chǎn)品中，有時過時現(xiàn)象是故意的，目的是為了推出規(guī)劃中的平臺而鼓勵微處理器制造商放棄現(xiàn)有處理器，從而造成一種器件過時的連鎖反應(yīng)。即使對于用“C”代碼（即“可移植代碼”）編寫的設(shè)計，也總有一些結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令和功能會妨礙從過時處理器向下一代器件的轉(zhuǎn)變。制造工藝的改變使這一過程更為困難，因?yàn)樾鹿に囍圃斓钠骷鶗捎貌煌姆庋b形式和I/O布局，從而可能需要對電路板進(jìn)行重新設(shè)計。
在解決過時問題方面，傳統(tǒng)方法既耗時耗力且成本高昂，而且無法保護(hù)過去的開發(fā)投資。與傳統(tǒng)方法相比，軟處理器內(nèi)核可提供極具吸引力的替代解決方案。
傳統(tǒng)方法的問題
汽車信息設(shè)備設(shè)計人員所面臨的問題是此類問題中最具代表性的。盡管汽車信息設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)時間已經(jīng)從五年這樣的尺度縮短到兩年，但生產(chǎn)過程仍然要持續(xù)多年，而且產(chǎn)品的實(shí)際壽命則還要長十多年。只要想到汽車中的每個電子控制單元（ECU）都包括至少一個處理器，而一輛汽車可能包含多達(dá)60個ECU，我們就可以想象每次有某種處理器在時間相對很短的停產(chǎn)通告后就很快停止供應(yīng)這種情況會帶來多大的麻煩了。
通常設(shè)計人員解決處理器過時問題的方案有幾種。特定解決方案的適用性依賴于幾個因素：應(yīng)用軟件的價值、系統(tǒng)的生命周期以及解決問題所需要的時間和費(fèi)用。
最激進(jìn)也最昂貴的解決方案是圍繞新的處理器對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)代碼的規(guī)模，重新設(shè)計可能需要耗費(fèi)數(shù)百人年的時間，其中相當(dāng)大的部分會花在驗(yàn)證和測試階段。這種典型的“把孩子與洗澡水一起倒掉”的做法不僅損失了調(diào)試和優(yōu)化現(xiàn)有軟件時所做的大量投資，而且這樣獲得的解決方案本身也只能是“暫時較好地滿足了要求”。如果系統(tǒng)生命周期較長，那么同樣的問題每幾年便會重復(fù)出現(xiàn)一次。
另一種解決方案是LTB, 即最后一次購買（The Last Time Buy）.表面看起來，這好象是最經(jīng)濟(jì)的選擇。但問題是這一方法要求必須估計在整個項(xiàng)目的生命周期中需要購買多少產(chǎn)品。如果估計錯誤，可能會面臨更困難的問題，可能會損失更大的投資，即不得不為估計錯誤付出巨大的代價。
采用新的處理器，并利用軟件在新的處理器上模擬已過時的處理器也是一種方法。然而盡管這一概念看起來很有吸引力，并且確實(shí)已經(jīng)有一定的應(yīng)用歷史，但目前其實(shí)際應(yīng)用并沒有理論上看起來那么好。這種方法保護(hù)了遺留軟件，因此整個過程相對便宜和快速。但這種解決方案并非永久性的。如果系統(tǒng)的生命周期很長，那么每隔幾年都必須重復(fù)開發(fā)一種新的解決方案。
更為重要的是，軟件仿真本質(zhì)上是一個串行過程。由于運(yùn)行仿真過程需要消耗比應(yīng)用本身多得多的資源和處理能力，因此這種解決方案速度比較慢。經(jīng)驗(yàn)表明，平均來說執(zhí)行每條所仿真的過時處理器指令需要大約20個新處理器時鐘周期。
此外，仿真還會帶來進(jìn)一步的過時問題，由于用于仿真的處理器本身也會過時，因此可能需要完全重新編寫仿真器。
現(xiàn)成商用解決方案僅僅是以一種新問題代替了老的問題。假設(shè)我們需要一種處理器，要求有10個UART、一個中斷控制器并且可以訪問外部閃存模塊等功能。雖然有許多現(xiàn)成商用處理器可提供多個UART和其它所需要的外設(shè)，但通常他們擁有許多其它系統(tǒng)中用不到的外設(shè)。因此，設(shè)計人員不僅要為這些額外的外設(shè)支付更多的成本，通常還需要小心地將此類處理器中的未使用外設(shè)置于安全模式，或者通過軟件禁止掉。 禁止掉用不到的外設(shè)為軟件設(shè)計小組帶來額外的負(fù)擔(dān)，他們不僅要保證設(shè)計中用到的處理器外設(shè)正常工作，現(xiàn)在還必須為未用到的處理器外設(shè)編寫代碼。很明顯，在這種情況下購買成品解決方案不僅浪費(fèi)初始成本，還會在設(shè)計階段浪費(fèi)工程人員的時間。
解決方案：采用軟處理器
軟處理器解決方案可消除處理器過時問題并保護(hù)在遺留代碼和開發(fā)方面的多年投資。這種新方法就是采用軟處理器內(nèi)核并將其嵌入在FPGA器件中。這樣不僅可以將軟處理器內(nèi)核移植到多種FPGA平臺，而且還可‘設(shè)計’所需要的外設(shè)集合來準(zhǔn)確滿足設(shè)計要求，從而避免結(jié)構(gòu)折衷和浪費(fèi)外設(shè)資源。
Xilinx MicroBlaze軟處理器可為您提供不同方法的靈活性。首先可以從處理器內(nèi)核開始，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確滿足設(shè)計需要的外設(shè)集合。由于只需要實(shí)現(xiàn)自己所需要的部分，因此避免了芯片資源浪費(fèi)。因?yàn)椴恍枰帉懘a來關(guān)閉/禁止不需要的處理器功能，因此降低了軟件設(shè)計復(fù)雜性。創(chuàng)建專用處理器配置的工作也成為一項(xiàng)簡單的任務(wù)，而為了滿足技術(shù)規(guī)格的變化專用處理器配置隨時可能需要改變。
即使在實(shí)際應(yīng)用五到六年后，連FPGA硬件本身可能也已經(jīng)接近其生命期的終點(diǎn)時，只需要簡單的利用同樣的C代碼將軟處理器內(nèi)核移植到新的FPGA硬件中就可以了。硬件平臺或許需要一定的PCB修改，但遺留下的代碼仍然是可用的，不需要修改。
Xilinx公司同時提供32位MicroBlaze軟處理器內(nèi)核和8位PicoBlaze軟件內(nèi)核。PicoBlaze處理器運(yùn)行速度為116 MHz，但占用芯片面積很小，僅需要35個可配置邏輯模塊（CLBs）。（參看圖1）
圖1，Xilinx PicoBlaze和MicroBlaze軟件處理器性能定位
MicroBlaze 32位軟處理芯核運(yùn)行速度為150 MHz，性能達(dá)100 D-MIPS。采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的獨(dú)立32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速度執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序并訪問其中的數(shù)據(jù)。支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合為MicroBlaze設(shè)計人員提供了兼容性和重利用能力。
開發(fā)工具支持
Xilinx及其分銷合作伙伴提供包括軟處理核心和標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合在內(nèi)的Xilinx嵌入式開發(fā)套件（EDK）。該套件包括基于GNU的全套軟件工具，包括編譯器、匯編器、調(diào)試器和鏈接器。Xilinx及其分銷合作伙伴提供的MicroBlaze EDK還包括支持Virtex-E、 Virtex-II、Spartan-II和Spartan-IIE 系列FPGA的開發(fā)板。
設(shè)計人員所面臨的最大的“過時”問題是微處理器和微控制器更新?lián)Q代迅速。變化快速的消費(fèi)類市場以及處理器速度的不斷提高,使得處理器的生命周期變得前所未有地短暫，而且經(jīng)常是在短暫的停產(chǎn)通告之后就中斷了生產(chǎn)和供應(yīng)。此外，在消費(fèi)類產(chǎn)品中，有時過時現(xiàn)象是故意的，目的是為了推出規(guī)劃中的平臺而鼓勵微處理器制造商放棄現(xiàn)有處理器，從而造成一種器件過時的連鎖反應(yīng)。即使對于用“C”代碼（即“可移植代碼”）編寫的設(shè)計，也總有一些結(jié)構(gòu)相關(guān)的指令和功能會妨礙從過時處理器向下一代器件的轉(zhuǎn)變。制造工藝的改變使這一過程更為困難，因?yàn)樾鹿に囍圃斓钠骷鶗捎貌煌姆庋b形式和I/O布局，從而可能需要對電路板進(jìn)行重新設(shè)計。
在解決過時問題方面，傳統(tǒng)方法既耗時耗力且成本高昂，而且無法保護(hù)過去的開發(fā)投資。與傳統(tǒng)方法相比，軟處理器內(nèi)核可提供極具吸引力的替代解決方案。
傳統(tǒng)方法的問題
汽車信息設(shè)備設(shè)計人員所面臨的問題是此類問題中最具代表性的。盡管汽車信息設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)時間已經(jīng)從五年這樣的尺度縮短到兩年，但生產(chǎn)過程仍然要持續(xù)多年，而且產(chǎn)品的實(shí)際壽命則還要長十多年。只要想到汽車中的每個電子控制單元（ECU）都包括至少一個處理器，而一輛汽車可能包含多達(dá)60個ECU，我們就可以想象每次有某種處理器在時間相對很短的停產(chǎn)通告后就很快停止供應(yīng)這種情況會帶來多大的麻煩了。
通常設(shè)計人員解決處理器過時問題的方案有幾種。特定解決方案的適用性依賴于幾個因素：應(yīng)用軟件的價值、系統(tǒng)的生命周期以及解決問題所需要的時間和費(fèi)用。
最激進(jìn)也最昂貴的解決方案是圍繞新的處理器對系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計。根據(jù)代碼的規(guī)模，重新設(shè)計可能需要耗費(fèi)數(shù)百人年的時間，其中相當(dāng)大的部分會花在驗(yàn)證和測試階段。這種典型的“把孩子與洗澡水一起倒掉”的做法不僅損失了調(diào)試和優(yōu)化現(xiàn)有軟件時所做的大量投資，而且這樣獲得的解決方案本身也只能是“暫時較好地滿足了要求”。如果系統(tǒng)生命周期較長，那么同樣的問題每幾年便會重復(fù)出現(xiàn)一次。
另一種解決方案是LTB, 即最后一次購買（The Last Time Buy）.表面看起來，這好象是最經(jīng)濟(jì)的選擇。但問題是這一方法要求必須估計在整個項(xiàng)目的生命周期中需要購買多少產(chǎn)品。如果估計錯誤，可能會面臨更困難的問題，可能會損失更大的投資，即不得不為估計錯誤付出巨大的代價。
采用新的處理器，并利用軟件在新的處理器上模擬已過時的處理器也是一種方法。然而盡管這一概念看起來很有吸引力，并且確實(shí)已經(jīng)有一定的應(yīng)用歷史，但目前其實(shí)際應(yīng)用并沒有理論上看起來那么好。這種方法保護(hù)了遺留軟件，因此整個過程相對便宜和快速。但這種解決方案并非永久性的。如果系統(tǒng)的生命周期很長，那么每隔幾年都必須重復(fù)開發(fā)一種新的解決方案。
更為重要的是，軟件仿真本質(zhì)上是一個串行過程。由于運(yùn)行仿真過程需要消耗比應(yīng)用本身多得多的資源和處理能力，因此這種解決方案速度比較慢。經(jīng)驗(yàn)表明，平均來說執(zhí)行每條所仿真的過時處理器指令需要大約20個新處理器時鐘周期。
此外，仿真還會帶來進(jìn)一步的過時問題，由于用于仿真的處理器本身也會過時，因此可能需要完全重新編寫仿真器。
現(xiàn)成商用解決方案僅僅是以一種新問題代替了老的問題。假設(shè)我們需要一種處理器，要求有10個UART、一個中斷控制器并且可以訪問外部閃存模塊等功能。雖然有許多現(xiàn)成商用處理器可提供多個UART和其它所需要的外設(shè)，但通常他們擁有許多其它系統(tǒng)中用不到的外設(shè)。因此，設(shè)計人員不僅要為這些額外的外設(shè)支付更多的成本，通常還需要小心地將此類處理器中的未使用外設(shè)置于安全模式，或者通過軟件禁止掉。 禁止掉用不到的外設(shè)為軟件設(shè)計小組帶來額外的負(fù)擔(dān)，他們不僅要保證設(shè)計中用到的處理器外設(shè)正常工作，現(xiàn)在還必須為未用到的處理器外設(shè)編寫代碼。很明顯，在這種情況下購買成品解決方案不僅浪費(fèi)初始成本，還會在設(shè)計階段浪費(fèi)工程人員的時間。
解決方案：采用軟處理器
軟處理器解決方案可消除處理器過時問題并保護(hù)在遺留代碼和開發(fā)方面的多年投資。這種新方法就是采用軟處理器內(nèi)核并將其嵌入在FPGA器件中。這樣不僅可以將軟處理器內(nèi)核移植到多種FPGA平臺，而且還可‘設(shè)計’所需要的外設(shè)集合來準(zhǔn)確滿足設(shè)計要求，從而避免結(jié)構(gòu)折衷和浪費(fèi)外設(shè)資源。
Xilinx MicroBlaze軟處理器可為您提供不同方法的靈活性。首先可以從處理器內(nèi)核開始，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確滿足設(shè)計需要的外設(shè)集合。由于只需要實(shí)現(xiàn)自己所需要的部分，因此避免了芯片資源浪費(fèi)。因?yàn)椴恍枰帉懘a來關(guān)閉/禁止不需要的處理器功能，因此降低了軟件設(shè)計復(fù)雜性。創(chuàng)建專用處理器配置的工作也成為一項(xiàng)簡單的任務(wù)，而為了滿足技術(shù)規(guī)格的變化專用處理器配置隨時可能需要改變。
即使在實(shí)際應(yīng)用五到六年后，連FPGA硬件本身可能也已經(jīng)接近其生命期的終點(diǎn)時，只需要簡單的利用同樣的C代碼將軟處理器內(nèi)核移植到新的FPGA硬件中就可以了。硬件平臺或許需要一定的PCB修改，但遺留下的代碼仍然是可用的，不需要修改。
Xilinx公司同時提供32位MicroBlaze軟處理器內(nèi)核和8位PicoBlaze軟件內(nèi)核。PicoBlaze處理器運(yùn)行速度為116 MHz，但占用芯片面積很小，僅需要35個可配置邏輯模塊（CLBs）。（參看圖1）
圖1，Xilinx PicoBlaze和MicroBlaze軟件處理器性能定位
MicroBlaze 32位軟處理芯核運(yùn)行速度為150 MHz，性能達(dá)100 D-MIPS。采用RISC架構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的獨(dú)立32位指令和數(shù)據(jù)總線，可以全速度執(zhí)行存儲在片上存儲器和外部存儲器中的程序并訪問其中的數(shù)據(jù)。支持CoreConnect總線的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合為MicroBlaze設(shè)計人員提供了兼容性和重利用能力。
開發(fā)工具支持
Xilinx及其分銷合作伙伴提供包括軟處理核心和標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)集合在內(nèi)的Xilinx嵌入式開發(fā)套件（EDK）。該套件包括基于GNU的全套軟件工具，包括編譯器、匯編器、調(diào)試器和鏈接器。Xilinx及其分銷合作伙伴提供的MicroBlaze EDK還包括支持Virtex-E、 Virtex-II、Spartan-II和Spartan-IIE 系列FPGA的開發(fā)板。
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