選擇合適CPU會(huì)對(duì)整個(gè)SoC系統(tǒng)的性能產(chǎn)生什么影響?

如果您認(rèn)為CPU對(duì)片上系統(tǒng)（SoC）而言就像汽車(chē)的引擎一樣，你知道你不會(huì)將大眾汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)放在悍馬車(chē)上，并期望它能發(fā)揮作用。同樣，法拉利發(fā)動(dòng)機(jī)也不適合。盡管法拉利可以為悍馬發(fā)動(dòng)機(jī)提供類(lèi)似的馬力，但由于缺少扭矩，它可能會(huì)失效。

對(duì)馬力的簡(jiǎn)單評(píng)估與在汽車(chē)世界中一樣，在選擇CPU時(shí)會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。有針對(duì)所需功能的最佳解決方案。SoC中的CPU選擇也是如此。很多時(shí)候，設(shè)計(jì)人員僅根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)師對(duì)特定CPU的知識(shí)和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇CPU。

在決定使用哪個(gè)CPU時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮總體系統(tǒng)指標(biāo)，例如：總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)重點(diǎn)，保護(hù)，性能，功耗，尺寸，成本，工具和中間件可用性。

設(shè)計(jì)的復(fù)雜性有助于確定要使用哪個(gè)CPU。例如，如果設(shè)計(jì)要求部署一臺(tái)狀態(tài)機(jī)，并帶有來(lái)自少量外圍設(shè)備的中斷，則小型CPU和/或微控制器（例如8051或Z80）可能是最佳選擇。許多系統(tǒng)（例如尋呼機(jī)）最初可能適合此類(lèi)別。內(nèi)存占用空間小，信號(hào)緩慢，電池消耗必須非常低。

算法及其相互作用將決定設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，也可能確定其是否需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。通常，隨著應(yīng)用程序復(fù)雜性的增加，對(duì)更大位寬處理器的需求也隨之增加。

設(shè)計(jì)正在被重視，并且復(fù)雜性不斷增加；那個(gè)2000年的傳呼機(jī)可能需要在2003年播放MP3，因此8位CPU可能不足以應(yīng)付當(dāng)前的任務(wù)。設(shè)計(jì)包含的接口數(shù)量是一個(gè)很好的指標(biāo)。例如，在我們的傳呼機(jī)中，最初有兩個(gè)主要界面，用戶界面和無(wú)線電鏈接。在添加MP3播放器的設(shè)計(jì)中，我們將需要添加用于存儲(chǔ)和傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存接口，以及用于播放數(shù)據(jù)的音頻接口。在這個(gè)例子中，系統(tǒng)的復(fù)雜性從最初的概念開(kāi)始就大大增加了，如果我們考慮將來(lái)可以將設(shè)計(jì)部署到哪里，我們可以重用許多相同的設(shè)計(jì)。

確保您留有增長(zhǎng)空間。今天，您的8位設(shè)計(jì)可能適合MP3播放器。但是，當(dāng)在具有更高帶寬外圍設(shè)備的機(jī)頂盒應(yīng)用程序中重用設(shè)計(jì)時(shí)，您可能需要重新設(shè)計(jì)完整的解決方案，以遷移到基于ARM，MIPS或PowerPC的應(yīng)用程序。體系結(jié)構(gòu)以應(yīng)對(duì)新的約束。

系統(tǒng)可能需要保護(hù)自己免受外部攻擊，甚至免受自身攻擊，這意味著CPU可能需要包含內(nèi)存管理單元（MMU）來(lái)解決此問(wèn)題。虛擬內(nèi)存允許受約束的程序訪問(wèn)整個(gè)系統(tǒng)，而不受信任的程序只能訪問(wèn)分配給它們的內(nèi)存。3G手機(jī)（具有Internet連接的手機(jī)）是需要保護(hù)的典型示例。由于惡意程序會(huì)使您的手機(jī)崩潰，因此設(shè)計(jì)人員不再能夠使用缺少M(fèi)MU的CPU。盡管MMU并沒(méi)有消除潛在的系統(tǒng)故障，但它減少了難以發(fā)現(xiàn)的系統(tǒng)故障的數(shù)量和頻率。

三種主要的CPU體系結(jié)構(gòu)圍繞具有16位，24位和32位地址總線的8位，16位和32位數(shù)據(jù)寄存器構(gòu)建。這些體系結(jié)構(gòu)之間的主要區(qū)別在于，一個(gè)特定的寄存器可以容納的信息量以及可以直接尋址的信息量，如下所示：使用8位數(shù)據(jù)寄存器和16位地址總線，CPU可以擁有64k的地址空間；一個(gè)帶有16位數(shù)據(jù)寄存器和24位地址的地址空間可以具有16兆字節(jié)的地址空間；而具有32位數(shù)據(jù)的32位地址將具有4 GB的地址空間。

為什么嵌入式系統(tǒng)曾經(jīng)需要訪問(wèn)4 GB的地址空間？答案很簡(jiǎn)單：由于要求系統(tǒng)執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，因此運(yùn)行的代碼的大小和復(fù)雜性都會(huì)增加。Z80上CPM的早期使用了存儲(chǔ)內(nèi)存和頁(yè)面交換的過(guò)程來(lái)運(yùn)行8位計(jì)算機(jī)上更復(fù)雜的程序。由于64k的空間不足，設(shè)計(jì)人員通過(guò)覆蓋內(nèi)存和頁(yè)面以使更多CPU占用空間，使系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。

對(duì)于許多設(shè)計(jì)而言，24位地址總線似乎已足夠。但是，有幾個(gè)因素將設(shè)計(jì)人員驅(qū)使到32位地址空間，包括保護(hù)和指針。為了進(jìn)行保護(hù)，具有虛擬內(nèi)存的CPU可以使用整個(gè)地址范圍將物理內(nèi)存劃分為單獨(dú)的虛擬空間，從而可以保護(hù)指針免受錯(cuò)誤的侵害。無(wú)需索引即可使任何寄存器成為指向內(nèi)存的指針的功能簡(jiǎn)化了軟件。

選擇CPU會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生極大的影響。具體來(lái)說(shuō)，緩存，MMU，流水線，分支預(yù)測(cè)和超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)等功能都會(huì)影響系統(tǒng)的速度。根據(jù)SoC的需求，可能需要使用這些功能來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最佳性能。

SoC的最終用途將決定您的設(shè)計(jì)消耗多少功率。如果您的設(shè)計(jì)是電池供電的，則CPU將需要盡可能節(jié)省功耗。例如，某些CPU具有睡眠。這些模式允許CPU在空閑時(shí)通過(guò)關(guān)閉CPU的數(shù)量來(lái)暫停操作并消耗更少的功率。不同的CPU執(zhí)行同一任務(wù)的結(jié)果不同。

CPU的成本可以通過(guò)幾種方法來(lái)衡量。首先，存在IP成本，其中包括為SoC和任何衍生產(chǎn)品獲得IP的成本。然后是系統(tǒng)集成成本，其中包括可用于SoC設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的工具。最后，您必須確定CPU變體是否經(jīng)過(guò)硅驗(yàn)證，以及在SoC使用的總線體系結(jié)構(gòu)中是否可用。

RTOS和中間件的可用性也可能決定您的選擇。例如，在設(shè)計(jì)PDA時(shí)，您可能需要適用于Linux的中間件，但是選擇虛擬操作系統(tǒng)將決定您要從小型非MMU CPU遷移。

此外，如果設(shè)計(jì)需要圖形系統(tǒng)或文件系統(tǒng)，則RTOS的選擇將決定CPU的類(lèi)型。許多RTOS供應(yīng)商針對(duì)特定的家庭，而其他人則保持不變。大多數(shù)8位CPU都具有簡(jiǎn)單的調(diào)度程序，盡管這些調(diào)度程序適合于消耗很少的外包代碼的小型設(shè)計(jì)，但不適用于消耗任何數(shù)量的外包代碼的設(shè)計(jì)。解決方案的外包將確定要使用的RTOS，進(jìn)而決定將支持哪些CPU。

其他考慮因素包括：您需要哪些工具來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且它們可用于您可能使用的標(biāo)準(zhǔn)ANSI C / C ++編譯器嗎？您將如何在硬件/軟件協(xié)同仿真環(huán)境或SoC中調(diào)試設(shè)計(jì)？是否存在JTAG端口，CPU是使用該通道進(jìn)行調(diào)試還是調(diào)試需要專(zhuān)用的串行端口？選擇更高級(jí)的語(yǔ)言（例如C ++）或從UML中的設(shè)計(jì)生成的代碼也可能表明您需要更高的總線寬度和時(shí)鐘頻率來(lái)處理代碼的大小和復(fù)雜性。

如果將SoC劃分為幾個(gè)通過(guò)松散連接的FIFO或串行通道進(jìn)行通信的處理器子系統(tǒng)，則可能會(huì)更好。許多設(shè)計(jì)都集成了數(shù)字信號(hào)處理器和RISC CPU，以分擔(dān)工作量并簡(jiǎn)化每個(gè)處理器域的設(shè)計(jì)。

現(xiàn)代SoC設(shè)計(jì)為系統(tǒng)架構(gòu)師提出了新的挑戰(zhàn)。選擇CPU不再是瑣碎的事情。通過(guò)使用諸如總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)重用，保護(hù)，性能，功耗，尺寸，成本，工具和中間件可用性之類(lèi)的指南，設(shè)計(jì)人員可以簡(jiǎn)化決策。
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