多核SoC的嵌入式軟件開發(fā)
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多核系統(tǒng)的特點和優(yōu)缺點
軟硬件交互過程勢必使系統(tǒng)集成時間延長，并產(chǎn)生大量的、只能針對特定硬件使用的軟件、因此大量的可編程微處理器被加入到系統(tǒng)中，雖然只要處理器的速度足夠快，軟硬件交互引起的性能下降問題都可以迎刃而解，但是無論從成本還是功能來看，提高處理器的主頻換取性能都是一種及其“不經(jīng)濟”的解決方案。
一個典型的例子就是利用DSP處理連續(xù)數(shù)據(jù)的應用。開發(fā)者完全可以利用一個低端DSP芯片來處理標準的媒體流協(xié)議。相對于由高端處理器組成的系統(tǒng)，這種方法的功耗損失非常小，而且可降低系統(tǒng)成本，DSP的特定指令集與專用存儲器，總線結構使其能夠完成較復雜的數(shù)字處理算法，但是這些特性往往不支持高級語言，因此基于DSP的很多應用必須采用匯編語言來編碼。
由于不同DSP的匯編指令與編程模型不同，所以DSP之間的代碼移植非常困難，這已成為應用開發(fā)的瓶頸，為解決這個瓶頸，一種方案是根據(jù)功能將應用代碼分為兩部分：必須由DSP執(zhí)行的代碼和可以被其他處理器執(zhí)行的代碼，DSP只需要處理前者即可，這樣就出現(xiàn)了多核（多處理器）設計。
典型的多核系統(tǒng)將應用代碼分成兩個主要部分：控制與用戶接口代碼，不間斷處理代碼。控制用戶接口部分運行在ARM微處理器上，不間斷處理代碼運行在DSP上或者第二個ARM內(nèi)核上（見上圖）。由于以下一些原因，這種模型非常有意義。
1、開發(fā)者可以使用高級語言，如C/C++或者Java對微處理器進行編程，基于DSP的很多應用都必須使用匯編語言來編碼，而很多其他處理器，如ARM則沒有這些限制。
2、在微處理器上運行RTOS或者OS，可以更加充分利用微處理器的優(yōu)勢（合理地中斷響應時間、大量的存儲資源、虛擬的或者被保護的存儲器、簡單的上下文切換操作等）。
3、DSP對不間斷處理得代碼有很好的支持，如果控制用戶接口代碼與不間斷工作的代碼都由同一個處理器來執(zhí)行的話，頻繁的中斷（連續(xù)的切換）會導致系統(tǒng)功耗非常大，而且，DSP往往有很多特殊功能，可以加速數(shù)據(jù)移動與處理操作（DMA、雙端口存儲器、針對濾波處理的MAC、針對FFT與編碼的位操作，索引查找表、針對內(nèi)部/外部器件訪問的分離總線結構等）。
4、兩個不同的內(nèi)核可分別獨立運行。這意味著當不需要執(zhí)行任何操作時，微處理器可進入休眠狀態(tài)（喚醒微處理器的方式可以是：定時器、刷新LCD的按鍵、電池電量檢查等）。
5、兩種處理器可以使用不同的總線模型。
6、兩種處理器芯片可以通過共享的片外存儲器、中斷、油箱、串口、FIFO、或者其他連接方式進行通信，并且所有通信機制不但支持松耦合，而且支持緊耦合同步。
但是，多核解決方案的主要弊端是增加了交互軟件設計與調(diào)試應用程序的復雜性。
多核系統(tǒng)的設計方案
系統(tǒng)設計之初，設計人員必須對如何滿足系統(tǒng)所有需要有一個總體的規(guī)劃，如果可能，設計人員還應該預留一部分系統(tǒng)資源以備將來功能的擴展。
1、硬件總體設計
硬件總體設計是指對系統(tǒng)基本器件的選擇與配置，出主要處理器的類型、主要通信配置、如何使用、用戶接口的選擇等。
2、軟件總體設計
在大多數(shù)嵌入式應用中，軟
目前通常的做法是講盡可能多的與硬件相關的軟件模塊隔離成為HAL（硬件提取層）的形式進行處理，既然處理器的速度足夠快，存儲器相對便宜。那么HAL的使用是安全可行的，在設計中，使用RTOS或者其他標準軟件非常重要。
3、開發(fā)工具與資源
這方面的具體內(nèi)容包括JTAG訪問，交叉觸發(fā)、邏輯分析儀或者實時跟蹤，以及明顯反應芯片內(nèi)部狀態(tài)的輸出管腳等，使用支持多核調(diào)試的調(diào)試器與仿真器，如RealView Debugger與RealView ICE，系統(tǒng)的調(diào)試過程會變得非常簡單，利用RealView Debugger，開發(fā)人員可以同時對兩個處理器進行調(diào)試，此外，RealView Debugger帶有同步功能，可以使兩個處理器內(nèi)核同時啟動或者停止。
處理器的造型
處理器的選型受多種因素的影響，對多核系統(tǒng)，尤其是ARM+DSP系統(tǒng)（雖然DSP可以由支持或者不支持DSP功能的微處理器，微控制器來代替），進行處理器選型時主要考慮以下幾點：
1、處理外部事件需要的響應時間；
2、致力于實時算法的應用代碼數(shù)量。例如，將MP3播放器與無線電話中的音頻處理功能模塊相比較，前者的功耗遠遠小于后者，其原因是MP3播放器僅僅需要解碼音頻流，產(chǎn)生相應的正確信號，并發(fā)送到模擬輸出單元即可，而無線電話必須處理與MP3播放器相比低的多的外部比特率，這迫使處理器必須完成更多工作來實現(xiàn)壓縮/解壓縮、解碼/解碼，并應用濾波/聲音合成，以最終達到合乎要求的音質。
3、相比軟件處理，采用硬件可以達到更好效果的應用模塊的數(shù)量，當標準變化比較快時，修改軟件是一種比較安全的做法，這樣可以避免改動新產(chǎn)品的物理設計，但當標準相對比較穩(wěn)定時，采用最合適的硬件可使成本降到最低，并且能在相同功耗或價格的基礎上使系統(tǒng)達到最高性能。
4、對算法要求較高的應用的數(shù)量，DSP的獨特設計使其有以下三點特殊功能，能夠高效地處理迭代算法，特別是乘加運算（MAC）；能夠迅速地傳輸數(shù)據(jù)（接收外設輸入，并在處理循環(huán)之后將數(shù)據(jù)返還到外設輸出）；能夠與外設緊密交互。
5、市場對價格與功耗的靈敏度。
針對這些需求，ARM處理器的功能越來越強大，其應用也越來越廣。例如新一代ARM內(nèi)核提供了對DSP擴展指令的支持（如ARM9E）。部分ARM芯片可以被用作微控制器，擁有微控制器的一系列特性，例如緊密耦合的片上外設，增強的位訪問與控制，大容量片內(nèi)存儲器，片內(nèi)flash、多種片內(nèi)外設，等待狀態(tài)控制和向量中斷等，ARM處理器還開始支持真正的可變時鐘頻率。
在具體芯片設計完成之前，用于原型平臺的開發(fā)板可以幫助開發(fā)人員對多核系統(tǒng)進行驗證。通常，這些板大多使用特定的總線結構進行連接，使用FPGA仿真部分外設、存儲器以及部分總線模型。Integrator是ACM提供的原型驗證平臺，它提供對多核系統(tǒng)的支持。
系統(tǒng)設計之初，設計人員必須對任何滿足系統(tǒng)所有需要有一個總體的規(guī)劃。
更進一步，當硬件平臺還沒就緒時，很多設計只能通過仿真來開發(fā)軟硬件模型和應用算法，對于多核系統(tǒng)來說，仿真的方法并
同時，某些仿真甚至可以直接仿真中加入純粹的行為元素，很多仿真的速度非?？?，幾乎與真正芯片的速度相同（因為PC機的主頻非常高），通過仿真，開發(fā)人員可以得到系統(tǒng)硬件的許多內(nèi)部狀態(tài)信息，以實現(xiàn)更好的設計。
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