MCU 凭借其强大的控制功能,广泛地用于消费类电子、通信、汽车电子、工业等领域。有资料显示,MCU 产品需求量每年不断增长,2008 年全球 MCU 市场将增长到 160 亿美元。DSP 则以其卓越的数据处理能力以及优秀的数据算法,成为数字信息时代的核心引擎。来自市场调研机构 IC Insights 的数据显示,2006 年全球 DSP 市场将增长 9%,达到 85 亿美元,2007 年将以 18%的速度增长,2008 年则达 27%。

 


而 FPGA 更是以其极大的灵活性、丰富的接口和优越的性能著称,利用 FPGA 可以实现任何数字器件的功能。据市场调研公司 Gartner Dataquest 预测,2010 年 FPGA 和其他可编程逻辑器件(PLD)市场将从 2005 年的 32 亿美元增长到 67 亿美元。

 

MCU、DSP、FPGA 各自雄霸一方,并都呈现出高速的增长态势。但各种消费类产品特别是便携式产品的功能逐渐由单一走向多元化,传统的单一半导体解决方案已经不能适应多媒体产品的需求,MCU、DSP、FPGA 的发展受到了前所未有的挑战,呈现出多元化的发展势头。

 

趋势一:DSP、MCU 走向融合

DSP 一般采用哈佛架构,超长指令字架构等,数据存取和指令分开,内部运算单元多,有专门的硬件乘加结构,因此运算速度极高。其内部存储器(RAM 和 ROM)很大,并且可以扩展,外部接口丰富,配合流水线操作,特别适合进行大量数字信号的实时处理。而 MCU 数据存取和指令没有分开,运算速度较低,运算单元较少,且内部存储器不大。但 MCU 接口相当灵活,并集成了 FLASH 、ADC、 DAC 、OSC 、SRAM 、PWM、 温度传感器、看门狗、总线、定时器 / 计时器、I/O、串行口等功能单元,因此非常适合于各种控制应用。

 

然而,随着系统需求的增加,在某些应用中,既要求系统具有良好的控制功能,又需要有高速的数据处理能力,因此,融合了 DSP 和 MCU 各自优点的混合处理架构无疑是一种良好的解决方案。DSP 和 MCU 在实际应用有一个共通的地方,即,它们都是面向嵌入式系统的应用,或者是基于需要进行大量数据处理的实时系统,或者是需要实施许多控制功能的即时系统。这种实时性和多功能也为 DSP 与 MCU 的融合提供了很好的基础。因此,DSP/MCU 融合的架构逐渐受到半导体厂商的青睐,TI、ADI、Microchip 等纷纷推出了相关解决方案,力图在这一市场中抢占先机。

 

TI 作 为全球 DSP 的领导厂商,推出了针对 2.5G、3G 无线应用的双核处理开架构 OMAP 平台,它集成了适合于加速应用的超低功耗 DSP 与适于控制的 ARM925 以及高级操作系统(OS)功能。OMAP 平台的主处理器为 OMAP1510,其双核结构的主要优势在于,由两个独立的器件来完 成应用处理任务。即,使用 ARM925 来处理控制代码,如用户界面、OS 和高级应用,而 DSP 则用来实现多媒体、语音、安全性或其他功能,这两个内核之间采用专用的处理器内部通信机制相连接。 OMAP 平台为在便携式设备中 开发语音应用提供了解决方案。在用于便携式设备时,这种 DSP 和 MCU 结合的架构可以提供优异的性能和功耗优势。凭借优化的底层软件,DSP 能以低功耗方式执行信号处理任务,从而延长电池使用寿命,并可实现更小的产品体积,大大提高了产品应用性能。

 

TI(上海)有限公司 DSP 业务发展经理郑小龙指出,DSP 具有实时高速运算的优势,其核心处理单元中具有适合于数字乘加处理的特殊结构,而“修正式哈佛结构”又提高了内存管理效率,而且还支持许多高速外围接口。MCU 具有灵活高效控制的特色,特别是沿用“冯 - 纽曼结构”的 16 位机,全部存储器和外围模块都位于同一个地址空间,处理能力可以远超出智能化传感系统要求。TI 的 OMPA 平台正是结合了二者的优势,目前,TI 已经与多家正在开发 ASR、TTS、DSR 和语者验证等在内的语音技术的主要第三方开发商展开合作,并且已经有多家公司采用了 TI 的 OMPA 平台解决方案。

 

与 TI 不同的是,ADI 推出的 DSP/MCU 混合解决方案——嵌入式处理器 Blackfin 系列,采用单核结构。Blackfin 处理器基于 ADI 和 Intel 联合开发的微信号架构(MSA),将一个 32 位 RISC 型指令集和双 16 位乘法累加(MAC)信号处理功能,与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。Blackfin 处理器包含一个 10 级 RISC MCU/DSP 流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合 16/32 位指令集架构。这种处理特征的组合使 Blackfin 处理器能在信号处理和控制处理应用中均能发挥出色作用。在许多场合中,它还免除了增设单独的 MCU 的需要,简化了硬件和软件设计和实现难度。对于一些需要同时采用高性能信号处理器和高效控制处理器的应用中,采用一个 Blackfin 处理器就可以满足系统要求,缩减了开发时间并降低了成本。

 

Blackfin 处理器架构还具备 RISC 控制处理器的一些特点,包括功能强大且灵活的分层存储器架构、良好的代码密度以及各种的微控制器型外设(包括 10/100 以太网 MAC、UARTS、SPI、CAN 控制器、支持 PWM 的定时器、看门 狗定时器、实时时钟和一个无缝同步和异步存储器控制器)。这些特性为设计人员提供了设计灵活性,并最大限度地降低了终端系统成本。目前,Blackfin 处理器已经广泛的用于嵌入式音频、视频和通信应用等领域。

 

而一向在 MCU 领域见长的 Microchip 公司,推出了其 16 位 dsPIC 数字信号控制器 (DSC),并首次提出了 DSC 概念,即将高性能 16 位微控制器的控制优势与 DSP 的高速计算相结合,形成适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令流解决方案。

 

dsPIC DSC 架构支持 84 条指令和 10 种寻址模式。dsPIC 指令集由用于嵌入式应用的各种灵活的 MCU 指令和从单指令流执行的 DSP 操作专用指令集组成,两种指令可以共享很多 CPU 资源。dsPIC DSC 内核支持 MCU 和 DSP 功能需要的各种位操作。位操作在 MCU 中很常见,但在 DSP 中的应用却很少见。而 dsPIC DSC 增加了强大的位操作功能,如位测试、位设置和位移动指令以及能识别出数据字中第一个有效位的位寻找操作。

 

Microchip 数字信号控制器部门产品推广工程师 Steve Marsh 先生指出,dsPIC 系列产品具备一些非数字信号处理器的特性(如桶式移位器或更多的随机存取内存空间),而这正是工程师们所想要的,所以在非数字信号处理器应用方面,工程师更倾向于选择数字信号控制器而不是单片机。dsPIC 系列产品目前已经用于 AC/DC 转换器、隔离式 DC/DC 电源转换器以及其他电源转换应用,如嵌入式电源控制器、逆变电源和不间断电源(UPS)等领域。

 

MIPS 科技也推出了内置 DSP 扩展的高性能、低功耗内核系列——MIPS3224KE,它集成了高效 DSP 能力,同时能够显著减少整体 SoC 面积、成本及功耗,并可改善信号处理性能。MIPS 产品营销经理 Pete Del Vecchio 表示,DSP/MCU 混合处理架构性能等于或高于低端 DSP 内核的性能。利用单芯片或单内核可以获得明显的成本优势,还可以大大加快产品上市时间 。

 

兼具 DSP 与 MCU 功能的平台最早应用于发动机控制,之后拓展到语音处理、传感器处理等应用,并用来代替带有数字滤波器的合成模拟滤波器。如今,这一平台越来越广泛的应用到计算机、电话线或以太网等相关领域。此外,在医疗、电器、空调、不间断电源、切换式电源、半导体照明和其他方面都随处可见它们的身影。

 

一 方面,融合架构在许多领域得到日益广泛的应用,而另一方面,融合平台也面临着许多问题亟待解决:(1)功耗,融合了 DSP 和 MCU 的平台在拥有更高的性能的同时,也比传统的单一 DSP 或 MCU 有更高的功耗。对于功耗非常敏感的便携式设备来说,如何进一步降低功耗,是其面临的首要问题。(2)应用环境开发,为用户提供简便易用的开发、调试环境。郑小龙指出,在硬件方面,表贴 QFP 和球面 BGA 封装开始广泛应用,电路仿真调试手段逐步过渡到边界扫描接口(JTAG)技术。而在软件方面,随着软件规模不断扩大,采用嵌入式操作系统来管理软、硬件资源势在必行,传统的 C 语言和汇编语言混合编程的模式也在引入,特别是面向对象思想的 C++和 Java 语言更是对传统的开发环境带来了很大的改变。因此,为 用户提供一个易于使用的编译、产品开发环境变得非常重要。(3)成本及设计复杂性。嵌入式系统日益复杂化,因此尽可能简化系统设计,缩短开发周期,提高产品性价比,变得越来越重要。

 

趋势二:发展高性能 MCU

虽然,DSP 与 MCU 融合的平台已经显示出种种优势以及广阔的市场前景,但 Silicon Labs 微控制器产品亚太营销经理暨产品营销经理 Len Staller 却给出了自己观点。他认为,对于需要强大效能和控制功能的应用来说,DSP/MCU 集成器件并非最佳解决方案。他指出,DSP/MCU 集成器件不仅会替制造商带来新的设计挑战,还需要发展和测试新程序。真正理想的解决方案应该是高效能微控制器。

 

Len Staller 认为,要满足市场对高效能和控制功能的需求,最好的方法就是开发效能强大的微控制器。这是因为高效能微控制器不仅针对控制功能最佳化,还拥有设计人员期望于 DSP/MCU 混合器件的强大效能,以及微控制器设计简单的优点,因此是超越 DSP/MCU 混合器件的更佳解决方案。

 

Silicon Labs 推出的 C8051F36x 小型微控制器系列,为设计人员提供了一套高效能、易于使用和高度集成的解决方案,它支持传统上必须使用高成本 16 位微控制器和 DSP 的应用,包括需要精准移动控制和信号处理的消费和工业应用,例如工厂自动化、马达控制、触控面板、卫星接收机通讯和显示器。

 

C8051F360 时钟速度达 100MHz ,包含 1 组双周期 16 x 16 乘加器 (MAC) 、1 个精准度 2%的内部振荡器和 32kB 可在线烧录闪存,并拥有可配置 I/O 引脚和各种 通讯外设,包括无石英晶体的 UART、SPI 和 SMBus。这款微控制器易于使用,其高集成度可以减少外部元器件数目,同时简化及加快设计程序。

 

趋势三:FPGA 替代部分 DSP 和 MCU 功能

FPGA 自从问世以来,就以强大的灵活性著称。FPGA 最大的特点就是可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不变的情况下用不同硬件电路实现各异的功能,并且,随着工艺技术的进步,FPGA 的功耗不断降低,速度逐渐提高,同时成本也越来越低。因此,在某些领域,或者代替 DSP,或作为 DSP 的协处理器,为许多需要 DSP 功能的复杂应用场合提供了快速、低成本的解决方案。

 

虽然 FPGA 相较 DSP 同样具有可编程的特点,但 FPGA 更适合高性能运算密集型应用。FPGA 可以以更大的并行度实现产品所需功能,在某些特定的应用场合 FPGA 可以代替 DSP 的功能,例如,进行视频编码的运动估计,为了搜索到最好的运动矢量,编码出最好的视频质量,需要大量的运算单元进行搜索,由于 DSP 不具备大量的并行处理能力,如果采用 DSP 将无法很好的完成 这些工作。而采用 FPGA,则利用其硬件逻辑的可并行工作性,给视频质量带来更高的保障。目前,FPGA 已经在很多场合替代 DSP。

 

总线接口

FPGA 支持众多接口标准,对于总线桥接应用非常理想。无论是连接 Serial RapidIO、VLYNQ 和 PCI Express 等串行接口,还是 PCI 和 PCI-X 等并行接口,FPGA 都可以满足接口和桥接需要。

 

存储器接口

FPGA 可以用来桥接采用 DDR 和 DDR2 等不同标准的存储器。

 

整合系统逻辑

降低系统成本通常是延长产品市场寿命的重要因素。将系统胶合逻辑整合到 FPGA 中可以减少材料清单数量、缩小尺寸并节约成本。

 

?实施新外设

尽管 DSP 处理器已经可以在器件中提供了适当的外设组合,但在设计中还是经常需要实现定制外设,因此,与 DSP 处理器相配合的 FPGA 可以提供实现新外设以及外设升级所需要的灵活性。

 

此外,随着可编程芯片系统 SOPC(System On a Programmable Chip)的出现,相当多的 FPGA 里面都集成了 DSP 或者 CPU,目前 Xilinx 和 Altera 的 FPGA 都可以完成这样的工作,它们不但可以集成自己的软核,而且可以集成目前流行的 PowerPC、ARM 等硬核。这样,FPGA 就可以完全实现 DSP 和 MCU 的功能。而且 FPGA 在内置的嵌入式处理器中还可以添加一些自定义指令,从而可以快速完成一些特定算法,并且可以根据需要定义芯片管脚。

 

Xilinx 非常著名的 XtremeDSP 技术就是在 FPGA 中引入了 DSP 模块。XtremeDSP 技术是针对航天和军用产品、数字通信、多媒体、视频和成像行业的高性能定制 DSP 解决方案。XtremeDSP 平台产品包含 2 大系列 - Virtex DSP 和 Spartan DSP, 提供各种价格、性能、功效、带宽和 I/O 选项,可以满足通信、MVI(多媒体、视频和成像)和军用产品行业中各种应用的要求 。

 

Xilinx 中国区运营总经理和亚太区处理解决方案部总监吴晓东指出,FPGA 和 DSP 处理器相结合非常适于处理高度复杂的信号处理算法。传统 DSP(数字信号处理器)和 GPP(通用处理器)性能可达 5 GMACS 左右,而赛灵思 DSP 优化的 FPGA 可以弥补算法要求和性能之间的差距,Spartan DSP 性能高达 30 GMACS,Virtex 5 DSP 的性能则超过 350 GMACS。

 

同样以提供高性能 FPGA 产品著称的另一厂商市场 Altera,推出了 Nios 嵌入式处理器。

 

可 配置的 Nios CPU(16 位或 32 位数据宽度)基于 Nios 处理器系统的核心,它可以被配置成各种广泛的应用。例如,一个 16 位数据位宽度的 Nios CPU,配合一个很小的片内 ROM(芯片内的存储器块可以被配置成 ROM)而实现的序列发生器或控制器,可以替代一个硬核的状态机。而采用一个 32 位数据宽度的 Nios CPU 配合流外设、硬件加速单元,还有定制指令,就可以实现一个强大的 32 位的嵌入式处理器系统。

 

展望

技术的飞速发展,促使各种新的解决方案层出不穷,为我们提供了越来越多的选择性,但是,无论哪种解决方案,高性能、低成本都是厂商始终追求的目标,而确保这些方案都能很好的满足市场需求也变得相当关键。MCU 、DSP、FPGA 的单打独斗已经不能满足市 场需求,三者的融合与互补恰恰提供了一种更好的解决方案。未来,三者的交错融合的趋势将愈演愈烈。