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控制技術/MCU  

利用可定製微控制器最佳化演算法設計

上網時間: 2007年08月28日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:DSP  ASIC  FPGA 

從全球定位系統到音視訊媒體串流處理,這些應用都需要即時執行複雜的演算法,很多這些演算法都必須遵從定期更新的業界標準。工程師開發這些應用面臨的挑戰是在單位成本、外形尺寸和功耗,以及嚴格的成本和開發時間約束下,最佳化這些演算法的執行,這些產品通常是大量生產。終端用戶產品必須能以合理的成本對處理演算法進行升級。

Atmel公司的CAP可定製微控制器為這種挑戰提出了一種可行方案。CAP是一顆基於微控制器的系統單晶片,能提供基本處理能力,以及高密度的金屬可編程(MP)數位邏輯區塊,這些區塊可提供類似於DSP或其它專用的功能執行硬體。CAP同時具有合理的開發週期與具吸引力的單位價格。專用CAP的開發流程包括基於開發板的模擬步驟,這個開發板使用高密度FPGA來模擬演算法執行功能,這種功能隨後會硬型化到金屬可編程模組中。

軟硬體權衡

最佳演算法實現的基本經驗是,硬體是為了實現更高的性能,軟體是為了實現靈活性。實際上,這種經驗很難以實際應用。硬體的選擇受限於微控制器核心的基本演算法函數,以及DSP核心的乘法/累加和線性函數處理,或者FPGA所具有的更高靈活度,但其缺點是外形尺寸、功耗以及量產時的單位成本。可選的標準單元ASIC可提供更高性能,但由於開發時間和成本,通常無法採用。

軟體被移植到選用於硬體實現的微控制器或MCU/DSP組合上。一旦硬體/軟體的劃分完成,再要做出改變將非常難,而且非常耗時,除非是採用FPGA進行量產。通常,只有在應用開發的最後階段軟體才可以執行於目標硬體,並確定處理演算法的實現是否為最佳。

CAP演算法實現流程

CAP使應用開發工程師能獲得FPGA和ASIC兩者的優點。CAP應用開發週期的第一階段使用基於FPGA的庫和工具來實現演算法的初步硬體/軟體劃分,然後將基於硬體的功能映射到類似於DSP的架構,或在FPGA中實現的其他處理單元。同時,微控制器對基於軟體的演算法處理進行編譯,微控制器可在其地址空間中看到FPGA/MP模組,並採用分散式DMA架構最佳化功能和記憶體模組之間的數據串流。圖1顯示了硬體/軟體劃分以及使用IP模組庫來實現演算法的整個步驟,IP模組包含硬體模組及相關的軟體驅動程式。

在硬體上,首先利用IP庫或FPGA供應商的工具來對演算法模組進行合成;然後這些再與來自FPGA供應商庫的DSP或類似功能模組進行合成;最後的步驟是將這些高層結構映射到基本的FPGA架構上,以在CAP開發板上配置FPGA。

在軟體上,演算法所要求的IP模組被編譯,然後與Atmel公司的低層元件驅動程式庫鏈接起來,這些元件驅動程式處理多個週邊設備作業及CAP SoC的外部介面。如果有要求,該程式碼可鏈接到作業系統、用戶介面以及頂層控制模組來使系統執行。全部的程式碼被加載到用於微控制器核心的程式記憶體中,微控制器核心是CAP的中心架構單元。

圖1:CAP演算法硬體/軟體劃分和實現流程。
圖1:CAP演算法硬體/軟體劃分和實現流程。

CAP開發板的基本架構如圖2所示。設備的固定部份是在CAP晶片中,它以標準的微控制器加晶片上記憶體、週邊設備和介面實現的,所有這些在圖中顯示為外部連接。各種記憶體都可以連接到外部匯流排介面(EBI)。

圖2:CAP開發板。
圖2:CAP開發板。

開發中演算法的硬體部份透過其配置記憶體映射到FPGA中,軟體被加載到微控制器所選擇的外部或內部程式記憶體中。這樣,所配置的開發板以接近執行速度模擬最後的CAP元件,包括非常難以進行模擬的多任務處理進程間通訊和中斷。這種模擬步驟使演算法能在真實使用條件下徹底除錯。它還能利用衡量標準來確定最初的軟硬體劃分及之後不同模組的合成/編譯是否為最佳化。

CAP金屬編程和製造流程

一旦所開發的設備的功能被固定下來,對FPGA進行編程所使用的最終RTL程式碼被映射到(由Ateml公司或授權的第三方設計公司)金屬層來對CAP金屬可編程模組進行差異化。苛刻的佈局後模擬能確保金屬編程CAP的功能與模擬版本的功能相同。

原型很快地生產出來,應用開發人員可對設備的硬體/軟體功能進行最後驗證,特別是用來檢查演算法是否為最佳。在最糟糕的情況下,如果原型並不令人滿意,從模擬階段的額外返工成本和時間也是合理的,遠低於標準單元ASIC的光罩成本和時間。在原型獲得核准後,便開始進行CAP設備的量產。

設計師可根據現場反饋及任何數據處理演算法進行升級,並基於在金屬編程前開發板的最終FPGA配置進行修改,可快速開發出基於CAP的設備改良版本,並比最初的版本成本更低。

本文小結

Atmel公司的CAP可定製化微控制器解決了複雜演算法最佳化的挑戰。特別是,它使演算法實現的硬體/軟體分割能在接近運算速度和實際使用條件下進行模擬。在不需要額外開發成本的情況下,可對演算法實現多次迴圈設計,以確定哪一個為最佳。而後,所選擇的實現被硬型化到金屬可編程模組中,這個模組能提供最佳的性能和功耗,及非常具吸引力的量產單位成本。

作者:

Peter Bishop

通訊經理

peter.bishop@rfo.atmel.com

Atmel公司




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