采用可定制微控制器來優(yōu)化算法的設計

Atmel公司的CAP可定制微控制器為這種挑戰(zhàn)提出了一種可行的解決方案。CAP是一塊基于微控制器的系統(tǒng)級芯片，能提供基本的處理能力，以及高密度的金屬可編程(MP)數(shù)字邏輯塊，這些塊可以進行個性化，提供類似于DSP或其它專用的功能執(zhí)行硬件。CAP同時具有合理的開發(fā)周期與具有吸引力的單位批量價格的成本好處。專用CAP的開發(fā)流程包括基于開發(fā)板的仿真步驟，這個開發(fā)板使用高密度的FPGA來仿真算法執(zhí)行功能，這種功能隨后硬化在金屬可編程模塊中。

從全球定位系統(tǒng)到音視頻媒體流處理，這些應用都需要實時地執(zhí)行復雜的算法，很多這些算法都需要遵從定期更新的行業(yè)標準。工程師開發(fā)這些應用面臨的挑戰(zhàn)是在單位成本、外形尺寸和功耗，以及嚴格的成本和開發(fā)時間約束下，優(yōu)化這些算法的執(zhí)行，這些產(chǎn)品通常是大批量生產(chǎn)。終端用戶產(chǎn)品必須能以合理的成本對處理算法進行升級。


　　硬件/軟件的權衡

　　最佳算法實現(xiàn)的基本經(jīng)驗是，硬件是為了實現(xiàn)更高的性能，軟件是為了實現(xiàn)靈活性。實際上，這種經(jīng)驗很難以實際應用。硬件的選擇受限于微控制器內(nèi)核的基本算法函數(shù)，以及DSP內(nèi)核的乘法/累加和線性函數(shù)處理，雖然FPGA所具有更高靈活度，但其缺點是外形尺寸、功耗以及批量時的單位成本?？蛇x的標準單元ASIC可以提供更高的性能，但是因為開發(fā)時間和成本而常常不能采用。

　　軟件被移植到選用于硬件實現(xiàn)的微控制器或者MCU/DSP組合上。一旦硬件/軟件的劃分完成以后，再要做出改變將非常難，而且非常耗時，除非是基于FPGA進行批量生產(chǎn)。通常，只有在應用開發(fā)的最后階段軟件才可以運行于目標硬件，并確定處理算法的實現(xiàn)是否為最佳。

　　CAP算法實現(xiàn)流程

　　CAP使應用開發(fā)工程師能獲得FPGA和ASIC兩者的優(yōu)點。CAP應用開發(fā)周期的第一階段使用基于FPGA的庫和工具來實現(xiàn)算法的初步硬件/軟件劃分，然后將基于硬件的功能映射到類似于DSP的架構，或者在FPGA中實現(xiàn)的其他處理單元。同時，微控制器對基于軟件的算法處理進行編譯，微控制器可以在其地址空間中看到FPGA/MP模塊，并采用分布式DMA架構優(yōu)化功能和存儲器模塊之間的數(shù)據(jù)流。圖1顯示了硬件/軟件劃分以及使用IP模塊庫來實現(xiàn)算法的整個步驟，IP模塊包含硬件模塊以及他們相關的軟件驅動程序。

圖1：CAP算法硬件/軟件劃分和實現(xiàn)流程。

　　在硬件上，首先利用IP庫或FPGA提供商的工具來對算法模塊進行綜合；然后這些再與來自FPGA提供商的庫的DSP或類似功能模塊進行綜合；最后的步驟是將這些高層的結構映射到基本的FPGA架構上，以在CAP開發(fā)板上配置FPGA。

　　在軟件上，算法所要求的IP模塊被編譯，然后與Atmel公司的低層器件驅動程序庫鏈接起來，這些器件驅動程序處理多個外設阻止的操作以及CAP SoC的外部接口。如果有要求，該代碼可以鏈接到操作系統(tǒng)、用戶界面以及頂層控制模塊來實現(xiàn)這個系統(tǒng)的運行。全部的代碼組被加載到用于微控制器內(nèi)核的程序存儲器中，微控制器內(nèi)核是CAP的中心架構單元。

　　CAP開發(fā)板的基本架構如圖2所示。設備的固定部分是在CAP芯片中，它以標準的微控制器加片上存儲器、外設和接口實現(xiàn)的，所有這些在圖中顯示為外部連接。各種存儲器都可以連接到外部總線接口(EBI)。

圖2：CAP開發(fā)板。

　　開發(fā)中算法的硬件部分通過其配置存儲器映射到FPGA中，軟件被加載到微控制器所選擇的外部或內(nèi)部程序存儲器中。這樣，所配置的開發(fā)板以接近運行速度仿真最后的CAP器件，包括非常難以進行仿真的多任務處理進程間通信和中斷。這種仿真步驟使算法實現(xiàn)能在真實使用條件下徹底調試。它還使可以利用衡量標準來確定最初的硬件/軟件劃分以及之后不同模塊的綜合/編譯是否是最優(yōu)化的。如果要求改進，這些可以使用前面介紹的相同設計流程來實現(xiàn)，除了延長開發(fā)時間外，并不會增加額外的成本?？梢酝ㄟ^硬件/軟件的分割以及硬件/軟件實現(xiàn)的多次設計迭代來獲得最佳的設計。

　　CAP金屬編程和制造流程

　　一旦所開發(fā)的設備的功能被固定下來，對FPGA進行編程所使用的最終RTL代碼被映射到(由Ateml公司或授權的第三方設計公司)金屬層來對CAP金屬可編程模塊進行個性化?？量痰牟季趾蠓抡婺艽_保金屬編程CAP的功能與仿真版本的功能相同。

　　原型很快地生產(chǎn)出來，應用開發(fā)人員可以對設備的硬件/軟件功能進行最后的驗證，特別是用來檢查算法是否是最佳的。在最糟糕的情況下，如果原型并不令人滿意，從仿真階段的額外返工成本和時間是合理的，遠遠低于標準單元ASIC的完全掩模替代的成本和時間。在原型得到批準后，便開始個性化CAP設備的批量生產(chǎn)，使用原型生產(chǎn)的相同流程。

　　設計師根據(jù)現(xiàn)場反饋，并根據(jù)任何數(shù)據(jù)處理算法的升級，基于在金屬編程之前開發(fā)板的最終FPGA配置的修改，從而可以快速開發(fā)出基于CAP的設備改進版本，并比最初的版本成本更低。


　　本文結論

　　Atmel公司的CAP可定制化微控制器解決了復雜算法優(yōu)化的挑戰(zhàn)。特別是，它使得算法實現(xiàn)的硬件/軟件分割能在接近運算速度和實際使用條件下進行仿真。然后，所選擇的實現(xiàn)被硬化到金屬可編程模塊中，這個模塊能提供最佳的性能和功耗，并且非常具有吸引力的批量單位成本。 在不需要額外開發(fā)成本的情況下可以對算法實現(xiàn)多次迭代設計，以確定哪一個是最優(yōu)的。