设计灵活、高性能的嵌入式系统

您的下一个嵌入式系统设计项目需要的是什么：是可以让您轻松地定制设计的灵活的系统元件，还是额外的性能空间，以便您在设计周期中加入更多的功能？为什么要让自己承受过度的开发压力，并且只能舍此取彼呢？软处理和IP定制能够为同时确保灵活性和高性能提供了最佳的解决方案，将定制设计的概念和协处理带来的性能加速结合起来。
分立处理器只能提供固定的外设选择，并且一些性能受到时钟频率的限制。在嵌入式FPGA所提供的平台上，您可以创建一个具有大量定制处理器核、灵活的外设、甚至协处理减负引擎的系统。现在，您能设计出一个不折不扣的定制处理系统——不仅满足最具挑战性的项目要求，而且能够冲破性能极限，与此同时，通过使用FPGA硬件实现加速的软件指令最大限度地提高系统的性能。随着FPGA架构的加速，从前的限制便不复存在。
灵活性
除了在Xilinx® VirtexTM平台的FPGA中所提供的高性能PowerPCTM硬件处理核和使用汇编语言编程的占位空间更小的PicoBlazeTM微控制器外，Xilinx公司还提供一种可定制的通用32位RISC处理器。由于可以使用Virtex或SpartanTM系列产品中的任意一款在逻辑门外对其进行构建，因此MicroBlazeTM软件处理器的使用十分灵活，并且您能够通过定制处理IP外设来满足您的特定要求。
使用可定制核和IP，您只需创建所需的系统元件而不浪费任何芯片资源。当您使用像FPGA这样的可编程器件构建一个处理系统时，就不会在分立器件中浪费任何未使用的资源，也不会出现当需要的外设数量超过所提供的数量时（例如您的设计需要3个UART，而分立器件只能提供1个或2个），设计无法继续进行的情况。此外，您不会受限于初始的架构设想；相反，您能不停地进行大的修改并且能够调整系统架构来适应新的需求特性或不断变化的标准。

图1 - 简化的MicroBlaze框图

在“2006年嵌入式系统大会”的论文汇编中有一个FIR滤波器的设计示例，其中，MicroBlaze系统包含一个可选的符合IEEE 754标准的内部浮点单元（FPU），从而大大提高了该处理器核上仅可由软件执行的操作的性能。通过加入可选的MicroBlaze元件，可以迅速地提高应用程序的性能。
这些可选内部元件的另外一个优势就是它们得到MicroBlaze C编译器的全面支持，因此不必改变源代码。在这个FIR滤波器设计示例中，由于调用外部C代码库的浮点函数的操作被使用新的FPU的指令自动取代，因此加入FPU和对设计的重复编译意味着直接的性能提升。
与软件重新编码方法相比，使用专用硬件处理单元，能够将完成特定任务所需的时钟周期数减少几个数量级，从而提高处理器的性能。图1的简化图显示了一个带有内部FPU IP核、本地存储器核和像UART或JTAG调试端口这样的可选外设的MicroBlaze处理系统。由于系统是可定制的，我们可以方便地实现Xilinx处理器IP产品目录中所包含的多个UART或其他的IP外设核，其中包括DMA控制器、IIC、CAN或DDR存储器接口等。
该IP产品目录提供了门类齐全的其他处理IP（桥、仲裁器、中断控制器、GPIO、定时器和存储器控制器等），以及适用于每个IP核的可定制选项（例如波特率和奇偶校验位），以对元件的特性、性能和尺寸/成本进行优化。此外，您还能设置与处理核相关的时钟频率、调试模式、本地存储器容量、高速缓存和其它选项。仅仅增加一个FPU核，我们就能创建一个可将前文所提到的FIR的实现从8,500,000个CPU周期优化至177,000个CPU周期的MicroBlaze系统，这样，在不改变C代码源文件的情况下即可将性能提高48倍。
在第二个示例中，我们将构建另外一个设计模块，实现一个面向MP3解码器的IDCT引擎，这一设计可使应用模块的速度加快一个数量级。
您可以使用图2中所示的开发工具，方便地创建上文提到的两个处理器平台。这个集成式软件/硬件开发工具包括一块直接支持PowerPC和MicroBlaze处理器设计的Virtex-4参考板。开发工具还包括所有的编译器和所需的FPGA设计工具，以及IP目录和用作预校准的参考设计。
再加上JTAG探测器和系统电缆，此开发工具能够让您在开始编辑和调试自己的设计变更之前，轻松构建和运行一个工作系统。不同器件和板卡的开发工具，可从Xilinx公司及其分销商以及第三方嵌入式系统合作伙伴那里得到。

图2 - 集成式硬件/软件开发工具

查明瓶颈和实现协处理
MicroBlaze处理器是EDN公司2005年的百件热门产品之一，使用获得IEC（国际工程协会）大奖的Xilinx Platform Studio（XPS）嵌入式工具套件实现硬件/IP的设置和软件的开发。XPS包含在我们预先配置的嵌入式开发系统中，是用来创建系统的集成式开发环境（IDE）。如果您拥有一块标准的参考板或已经创建了自己的电路板描述文档，那么XPS就可以驱动一个设计向导来快速地配置您的初始系统。
通过使用智能化工具来减少错误和学习压力，您就可以集中精力提高最终产品的价值。完成基本的配置后，您可以花一些时间来调整IP，从而定制自己的系统，然后进行软件应用的开发。
XPS为程序员提供了一个功能强大的基于Eclipse框架的软件开发IDE。这一环境对于开发、调试和管理代码以查明隐藏于其它不可见的代码执行中的性能瓶颈是十分理想的。这些代码中的不足之处经常会使设计达不到所要求的性能目标，但它们又很难被发现而且通常更难被优化。
使用像“内联代码”这样的技术来减少多余的函数调用开销，就能够将应用程序的性能提高1%~5%。但如果使用可编程平台，利用现有更强大的设计技术，可使性能提高一到两个数量级。
图3显示了XPS性能分析截屏图。XPS可以用不同的形式显示分析信息（profiling information），这样您就可以一目了然地看清突出显示在性能图上的趋势或个别相冲突的程序。柱状图、饼状图和测量指标表格，让定位和判断函数与程序的不足之处变得简单，这样您就能够采取行动来改进这些极大影响整体系统性能的程序。

图3 - XPS嵌入式工具套件

图4 - MicroBlaze MP3解码器示例

图5 - 协处理加速的结果

协处理+可定制IP = 高性能
通过将软件函数的大量计算负担转移给协处理的“硬件指令”，您就能找到一个最佳的平衡点，使系统性能达到最佳。图4还显示了Linux文件系统模块的一系列IP外设，其中包括UART、以太网MAC和其他各种存储器控制器选项。与此不同的是，编码/解码应用模块采用了针对不同系统功能定制的不同IP。
第二个MicroBlaze软核从属于第一个MicroBlaze处理器，并扮演用于对MP3比特流进行解码的任务引擎的角色。带有附加专用IP核的解码算法，通过Xilinx快速单工连接（Fast Simplex Link，FSL）接口直接连到FPGA架构硬件资源内部。这一协处理的设计技术充分利用了FPGA硬件相对于较慢的独立式处理器的顺序指令执行而言所具有的并行和高速特性。
与高性能FPGA架构直接相连，可以引入快速的乘累加模块（图4中的LL_SH MAC1和LL_SH MAC2），与DCT和IMDCT模块的专用IP形成互补。长长整型MAC模块能够提供更高的精度，同时减轻处理单元的计算负荷。您可能注意到，在AC97控制器核到外部AC97多媒体数字信号编解码器接口之间同样使用FSL连接，这可使MP3播放器实现CD音质的输入/输出。
图4所示的协处理系统的性能，比原有的软件系统的性能累计提高了41倍。将一个“只使用软件”的实现方式（参见图5顶部的横条）与硬件指令示例化的每个阶段相比，您就可以看出是如何一步步提高性能的。仅仅将软件计算转移到IMDCT中就会带来1.5倍的性能提升，增加DCT硬件指令后则可使性能提升1.7倍。加入一个长长整型乘累加单元，可带来8.2倍的性能提升。
采用协处理技术在硬件中实现所有的软件模块，能够使系统总体性能提升41倍，这还没有考虑减少应用程序代码长度这一额外优势。由于去除了需要大量指令的乘法函数，而代之以一个可以读写FSL端口的单一指令，因此我们进一步减少了指令数量，并因此压缩了代码的占位空间。例如在MP3的应用示例中，代码的占位空间缩小了20%。
更重要的是，通过像XPS这样的智能化工具能够方便快速地对设计进行修改，同时仍能保证在产品的开发周期内实现这些修改。仅使用软件增强性能的方法，非常费时，而且得到的回报通常很有限。在一个可编程平台之上平衡软件应用、硬件实现和协处理的划分，您就能得到一个更理想的结果。
结论
基于本文所描述的示例，我们能够轻松定制一个全嵌入式处理系统，编辑IP从而在特性/面积/成本之间取得最佳平衡，并且在看似不可能的地方使性能得到大幅提升。Virtex-4和Spartan-3系列器件提供了灵活的软处理器解决方案，开发人员可以在随后的开发周期中对其进行设计和改进。屡获殊荣的MicroBlaze软处理器核，加上获奖不断的XPS工具套件，为您的嵌入式设计提供了一套强大的工具。
协处理技术，例如采用高性能FPGA硬件指令实现需要大量计算的软件算法，能够使常规工业应用模块的性能提高2倍、10倍甚至40倍以上。想象一下这将为您的下一个设计带来什么——在开发周期的后期，您的设计仍有修改的余地，并且可以预先规划好下一代产品的改进方案。