各類處理器中的仲裁

1. 仲裁含義

“仲裁”漢字的意思是一個(gè)人站在中立的位置來裁定，保證正常的秩序。因此，涉及裁定，肯定存在資源分配的矛盾，本來就一個(gè)東西卻有2方甚至多方爭(zhēng)占。在生活中有仲裁，同樣在架構(gòu)中也有仲裁。

而在嵌入式處理器架構(gòu)中，主要涉及運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿苄枰俨?，來保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，可以通過仲裁的角度將各個(gè)處理器架構(gòu)做一個(gè)串聯(lián)，便于我們學(xué)習(xí)和理解，文中只是本人自己學(xué)習(xí)處理器架構(gòu)的筆記總結(jié)，僅供學(xué)習(xí)參考。

2. 各類處理器中的仲裁

MCU（微型處理器即單片機(jī)）

微型控制器的核心是不斷的從存儲(chǔ)器中讀取指令和數(shù)據(jù)送入運(yùn)算單元運(yùn)算后將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或者輸出，在這個(gè)過程中就涉及存儲(chǔ)器和讀寫操作的資源的有限，就會(huì)涉及到仲裁處理方式，就出現(xiàn)了2種架構(gòu)：

1. 馮諾依曼架構(gòu)的分時(shí)復(fù)用，分時(shí)在一個(gè)總線上去訪問同一存儲(chǔ)器來避免沖突矛盾；

2. 哈佛架構(gòu)的并行處理，2路讀寫總線和2個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，就不存在沖突矛盾。

當(dāng)然，當(dāng)有突發(fā)情況出現(xiàn)的時(shí)候，MCU必須優(yōu)先處理該突發(fā)情況，這里就涉及到仲裁的另一種處理方式：

3. 這里采用的方式就是我們常說的中斷，可以理解為被突發(fā)需優(yōu)先處理的事打斷，優(yōu)先處理中斷時(shí)間，把手頭的事臨時(shí)入庫，待中斷時(shí)間處理完后接著出庫處理，這里的入庫出庫即入棧出棧。

PC CPU（通用處理器即電腦）

PC CPU是針對(duì)通用而設(shè)計(jì)的處理器，就是我們辦公用的電腦，仲裁的處理方式和MCU類似，只是更加復(fù)雜：

1. 使用了操作系統(tǒng)來處理各個(gè)資源的沖突問題；

2. 使用了線程進(jìn)程的概念來處理資源的沖突問題。

ARM（Advanced RISC Machines）

ARM可理解為是介入MCU和PC間的嵌入式處理器：

1. 比MCU復(fù)雜，一般帶微型操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)仲裁處理；

2. 比PC靈活，可剪裁，仲裁的處理沒有PC的復(fù)雜；

3.在指令集上深耕數(shù)年，使用精簡(jiǎn)的指令集，廣泛用于嵌入式行業(yè)，可以理解從指令集角度來處理各種操作的矛盾提高效率。

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）

DSP即數(shù)字信號(hào)處理專用處理器，DSP的沖突更多的是數(shù)據(jù)的運(yùn)算和處理能力，原有的MCU架構(gòu)的仲裁處理方式無法滿足，因此：

1. 增加計(jì)算處理能力，有更加豐富的數(shù)學(xué)運(yùn)算IP核，如三角函數(shù)等高等運(yùn)算；

2. 增加更多的系統(tǒng)總線架構(gòu)，來減少指令、數(shù)據(jù)傳輸間的沖突問題。

GPU

GPU起源是用于圖像處理的專用處理器，而圖像的特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)量大，計(jì)算量大，后面經(jīng)過需求的不斷推動(dòng)，出現(xiàn)了顯卡，而再一波AI潮流，讓GPU大放異彩，用一句話來概括GPU的話就是：N個(gè)計(jì)算核心下超位寬存儲(chǔ)單元的處理器。

1. N個(gè)計(jì)算核心，GPU擁有數(shù)千個(gè)可完成復(fù)雜運(yùn)算的計(jì)算核心，可以同時(shí)完成數(shù)千個(gè)計(jì)算；

2. 超位寬，一般處理器的外部存儲(chǔ)器DDR受頻率位寬的影響數(shù)據(jù)傳輸能力有限，那怕有好的仲裁機(jī)制也不行，而GPU的DDR位寬是一般處理器的幾十倍，自然數(shù)據(jù)傳輸上強(qiáng)幾十倍。

FPGA

FPGA計(jì)算和數(shù)據(jù)傳輸均可定制，但面臨需要仲裁的問題和處理方式同其它類似：

1. 數(shù)據(jù)計(jì)算單元并行化，并行處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，涉及數(shù)據(jù)的加載、暫存和輸出；

2. 多路總線仲裁數(shù)據(jù)的傳輸，AXI4等總線標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)IP核，實(shí)現(xiàn)更大帶寬的數(shù)據(jù)傳輸，內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸受資源的限制，外部受DDR存儲(chǔ)器理論帶寬和DDR仲裁利用率的限制。

3. 總結(jié)

FPGA要實(shí)現(xiàn)高性能的定制功能，也就重點(diǎn)在你的仲裁處理能力，常用的有：

堆資源，用好幾片F(xiàn)PGA處理器；

使用優(yōu)質(zhì)的仲裁架構(gòu)，讓數(shù)據(jù)傳輸間效率最優(yōu)化。

隨著FPGA成本下降，5G的崛起，它會(huì)越來越用于傳統(tǒng)行業(yè)，也就不再是高端的代名詞，會(huì)更多的用于消費(fèi)對(duì)成本敏感的市場(chǎng)，那時(shí)候或許更好的FPGA定制會(huì)產(chǎn)生更大的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，帶來更大的利潤(rùn)。

例如：用EDA軟件提高的AXI總線互聯(lián)IP訪問DDR資源大效率低，而用自己編寫的AXI仲裁代碼只用十分之一的資源而帶來接近雙倍的效率，自然在消費(fèi)成本敏感市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，或許覺得編寫這樣的AXI仲裁的代價(jià)太大，但需求和市場(chǎng)的推動(dòng)讓我已經(jīng)在深度學(xué)習(xí)中編寫實(shí)現(xiàn)了這樣的代碼并封裝為IP。

審核編輯 ：李倩