在半導(dǎo)體器件制造商力圖使其產(chǎn)品與眾不同時(shí)，他們常常引用“現(xiàn)實(shí)世界”。他們提醒數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)師：現(xiàn)實(shí)世界是模擬的，他們的設(shè)計(jì)的四周始終是線性電路，以便與環(huán)境銜接。許多處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不太可能會(huì)忘記這一點(diǎn)，但它卻是隨手拿去推銷產(chǎn)品的借口。同樣地，競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)品系列都幾乎一成不變地區(qū)分常規(guī)體系結(jié)構(gòu)和數(shù)字信號(hào)處理器體系結(jié)構(gòu)。
與區(qū)分模擬和數(shù)字一樣，設(shè)計(jì)師常常發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)品分辨不出DSP和微控制器（mC）的不同屬性，而兩者的混合則是一種更好的解決方案。然而，這兩個(gè)陣營(yíng)提供的資源平衡在兩個(gè)系統(tǒng)之間通常有很大的差別。8位mC可能適合于執(zhí)行基本的開(kāi)關(guān)操作、定時(shí)和控制功能的消費(fèi)類產(chǎn)品，但是，為了增加連通性、語(yǔ)音識(shí)別或者其它一些涉及信號(hào)處理的操作，可能就需要進(jìn)行升級(jí)。在常規(guī)的mC上進(jìn)行信號(hào)處理功能編碼通常是可能的，但是需要相當(dāng)?shù)募记桑€可能需要使用功能更加強(qiáng)大、價(jià)格也更貴的器件。 額外功能所需的處理能力也可能大大超過(guò)基本產(chǎn)品所需的資源。雖然一塊很小的DSP芯片可以執(zhí)行信號(hào)處理，但是增加一塊獨(dú)立的DSP不可避免地會(huì)增加產(chǎn)品的制造成本，而且對(duì)終銷售價(jià)格的影響也比增加功能還大。相反地，在信號(hào)處理量很大的系統(tǒng)中，一塊適中的DSP可能非常適合于處理信號(hào)通道，但卻可能提出一個(gè)真正的編程難題，即要在同一器件中同時(shí)處理鍵盤和接口功能。
二合一水到渠成
由于認(rèn)識(shí)到這種狀況，半導(dǎo)體制造商一段時(shí)間以來(lái)提供了兼有常規(guī)器件和DSP器件兩者功能的混合處理器。近，半導(dǎo)體制造商們推出具有各種等級(jí)復(fù)雜性和性能的新產(chǎn)品，大大擴(kuò)展了這種混合處理器的范圍和通用性。在這一產(chǎn)品領(lǐng)域內(nèi)，多內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)支配著兩種根本不同的芯片設(shè)計(jì)方法。從本質(zhì)上說(shuō)，器件設(shè)計(jì)師要么把一個(gè)控制處理器和一個(gè)DSP安排在一塊芯片上，要么擴(kuò)展控制處理器的指令集來(lái)容納DSP指令（反之亦然）。只要有足夠的原始性能，機(jī)靈的編程人員無(wú)法將信號(hào)處理功能編碼到常規(guī)內(nèi)核中的情況極少見(jiàn)，所以，一塊芯片具有足以成為混合處理器的DSP能力的界定點(diǎn)是令人懷疑的。增加一個(gè)硬件乘法/累加（MAC）模塊及其指令集，就很好地說(shuō)明了一個(gè)混合功能系統(tǒng)所需的能力。
Microchip Technology公司（以下簡(jiǎn)稱Microchip公司）的PIC是8/16位微控制器市場(chǎng)上人人熟悉的產(chǎn)品，目前在其dsPIC30系列內(nèi)具有DSP能力（圖1）。該系列內(nèi)增加的產(chǎn)品是30F5011和30F5013兩種器件，均具有30 MIPS的性能。這兩種器件都是基于閃存的芯片，具有66kB內(nèi)存，可以在工業(yè)溫度范圍和擴(kuò)展的溫度范圍內(nèi)工作。
Microchip公司的方法是將其16位改進(jìn)型Harvard RISC內(nèi)核與可提供緊耦合指令流的DSP指令相結(jié)合。該公司提出的“增強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)工具鏈” 開(kāi)發(fā)途徑成為許多供應(yīng)商所采取方法的典范。基本的平臺(tái)仍然與標(biāo)準(zhǔn)處理器系列的相同，就Microchip公司的產(chǎn)品而言，是由其MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和成套工具組成的。增加DSP功能是通過(guò)擴(kuò)展編譯器等領(lǐng)域來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Microchip公司歐洲業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Steve Diaper承認(rèn)，為了利用附加功能，設(shè)計(jì)師將不得不學(xué)習(xí)DSP的基本知識(shí)，不過(guò)他認(rèn)為，開(kāi)始有效工作所需的額外知識(shí)卻是極其少的。Diaper認(rèn)為混合型產(chǎn)品的應(yīng)用可以分為不同的兩類。類側(cè)重于DSP功能對(duì)完成主要任務(wù)極為重要的特殊應(yīng)用領(lǐng)域，；第二類是為8位和16位mC用戶提供向上發(fā)展途徑的通用應(yīng)用領(lǐng)域。類的例子包括電動(dòng)機(jī)控制等應(yīng)用，其中專用產(chǎn)品還包括可編程PWM發(fā)生器和正交編碼器接口等硬件模塊。通用應(yīng)用包括語(yǔ)音或指紋識(shí)別，以及軟件調(diào)制解調(diào)器和TCP/IP通信等的連通性。Microchip通過(guò)其兩款演示板說(shuō)明了此類應(yīng)用產(chǎn)生的增量負(fù)載所造成的影響。一塊演示板表明運(yùn)行簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議棧的常規(guī)PIC18mC幾乎沒(méi)有為運(yùn)行其它控制功能留出余地。相反地，在基于dsPIC30的電路板上運(yùn)行完整的TCP/IP協(xié)議棧卻只對(duì)混合處理器的控制帶寬產(chǎn)生非常有限的影響。
DSP能力還可實(shí)現(xiàn)常規(guī)處理器難以處理的一系列處理選項(xiàng)，如FFT和數(shù)字濾波器等。Diaper指出，大多數(shù)用戶都利用各種庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)DSP功能。混合處理器的設(shè)計(jì)套件通常都帶有預(yù)先編碼的例程，用以完成編程人員可根據(jù)代碼調(diào)用的普通功能。與任何DSP一樣，只要編程人員對(duì)程序內(nèi)部循環(huán)和周邊的代碼進(jìn)行優(yōu)化，編程效率就會(huì)提高；與大多數(shù)控制代碼不同，DSP例程一般都是高度可迭代的。
從DSP開(kāi)始
芯片設(shè)計(jì)師先設(shè)計(jì)DSP，再增加控制功能，也可以設(shè)計(jì)出混合mC。Texas Instruments公司（以下簡(jiǎn)稱TI公司）用這種方法設(shè)計(jì)出其TMS320系列中的C2000系列。C2000系列采用16位體系結(jié)構(gòu)，具有20MIPS ~ 40MIPS的DSP性能，或者采用32位定點(diǎn)芯片，具有高達(dá)150 MIPS的DSP性能。TI公司近又增加了R2812和R2811兩種具有高達(dá)20k字的片上SRAM的混合mC。這兩種mC可通過(guò)一個(gè)SPI接口獲得無(wú)限制的外部存儲(chǔ)器。150 MIPS的mC具有32位MAC的能力，并具有多種外設(shè)，其中包括一個(gè)適合于高分辨率測(cè)量和計(jì)量等系統(tǒng)的12位ADC。軟件支持包括一個(gè)以32位浮點(diǎn)格式編入的數(shù)學(xué)庫(kù)和一個(gè)可以在MathWorks公司的Matlab下運(yùn)行的濾波軟件包。
Freescale公司利用同樣的方法，從其56000體系結(jié)構(gòu)衍生出56800系列混合處理器。Freescale公司在有足夠能力處理運(yùn)動(dòng)控制等算法的DSP中增加控制功能，使這些混合處理器達(dá)到相當(dāng)高的水平。再則，這也是一種適合于高效C語(yǔ)言編程的統(tǒng)一體系結(jié)構(gòu)，其指令集兼有DSP和控制器兩種功能。該產(chǎn)品系列中增加的產(chǎn)品之一就是56F8365，這種60 MIPS的器件具有512kB閃存、一個(gè)單周期16316乘法器和四個(gè)36位累加器。因?yàn)檫@種器件擬應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制，所以其外設(shè)再次包括PWM輸出和編碼器輸入，并且具有進(jìn)一步促進(jìn)其在汽車和工業(yè)環(huán)境中使用的CAN接口。同一系列中的其它器件具有更適合安全和醫(yī)療等系統(tǒng)的外設(shè)。開(kāi)發(fā)工作是通過(guò)Metrowerks公司的CodeWarrior工具鏈進(jìn)行的，而編程指南則取自專有的Processor Expert軟件。
Analog Devices公司（以下簡(jiǎn)稱ADI公司）同樣將其Blackfin處理器定在達(dá)到高水平的處理能力上，其近推出的產(chǎn)品包括時(shí)鐘速率高達(dá)750 MHz的雙內(nèi)核器件。ADI公司利用這種處理器的媒體引擎背景，提出了一些新概念，例如簡(jiǎn)化汽車儀表板的單處理器信號(hào)處理主單元。在這種主單元中，處理器把所有的信號(hào)處理作為獨(dú)立的線程來(lái)處理，其中包括AM/FM收音機(jī)、多通道音頻和GPS，同時(shí)還具有足夠的控制能力來(lái)處理用戶界面和各種顯示器。該系列中的其它器件都有實(shí)現(xiàn)消費(fèi)類多媒體設(shè)計(jì)的接口，如USB 2.0和100Mb 以太網(wǎng)。ADI公司將Blackfin稱為嵌入式媒體處理器，而沒(méi)有使用數(shù)字信號(hào)控制器這樣的術(shù)語(yǔ)（不止一家廠商采用這個(gè)術(shù)語(yǔ)）。該產(chǎn)品具有一個(gè)32位RISC指令集、MAC模塊和取決于應(yīng)用重點(diǎn)的專用媒體處理模塊（例如視頻引擎）。Blackfin系列產(chǎn)品均可用作純DSP和mC或用作DSP和mC的任意混合體。
多內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)是在同一塊芯片上支持DSP任務(wù)和控制任務(wù)的另一種方法。一個(gè)突出的例子就是Infineon公司的TriCore，該產(chǎn)品將一個(gè)完成實(shí)時(shí)任務(wù)的外圍處理器與一個(gè)進(jìn)行數(shù)據(jù)流操作的DSP和一個(gè)提供總監(jiān)控及計(jì)算吞吐量的RISC引擎結(jié)合在一起。TirCore雖然采用獨(dú)立的內(nèi)核模塊，但卻使用一個(gè)32位（4GB）地址空間。（關(guān)于使用這種創(chuàng)新體系結(jié)構(gòu)的更多信息，請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)1）。Hyperstone公司是一家沒(méi)有制造廠的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，也是在其產(chǎn)品中使用獨(dú)立的RISC和DSP引擎的又一家公司。
混合RTOS登場(chǎng)
達(dá)到這種復(fù)雜性的設(shè)計(jì)無(wú)可避免地需要實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）的支持。具體就Blackfin硬件而言，供應(yīng)RTOS的Quadros公司提供旨在優(yōu)化RISC和DSO代碼的會(huì)聚RTOS的RTXC/dm（圖2）。RTXC/dm兼有該公司現(xiàn)有的RTXC/ms（控制處理）和RTXC/ss（數(shù)據(jù)流/信號(hào)處理）兩種產(chǎn)品的特性。該系統(tǒng)把數(shù)據(jù)流進(jìn)程作為優(yōu)先級(jí)高于控制任務(wù)的線程來(lái)運(yùn)行。控制任務(wù)通過(guò)API來(lái)工作，而信號(hào)處理線程則不然，這就使得代碼的DSP部分中的服務(wù)調(diào)用比事件驅(qū)動(dòng)的控制域的調(diào)用要快2~4倍。Quadros公司宣稱，這些措施可滿足RISC和DSP應(yīng)用代碼不同的運(yùn)行需求。因?yàn)槭录?qū)動(dòng)控制代碼，所以程序流時(shí)常發(fā)生變化。相反地，DSP代碼需要執(zhí)行重復(fù)的數(shù)據(jù)操作，并且必須在有限的時(shí)間內(nèi)運(yùn)行完成，同時(shí)對(duì)快速變化的數(shù)據(jù)集作出反應(yīng)。根據(jù)Quadros總裁Tom Barrett說(shuō)，RTXC/dm將運(yùn)行DSP線程的限度環(huán)境執(zhí)行程序與完成控制任務(wù)的、有優(yōu)先權(quán)和受保護(hù)的搶先內(nèi)核組合在一起。Barrett斷言，這是編程領(lǐng)域中的個(gè)反映硬件會(huì)聚體系結(jié)構(gòu)所提供靈活性的RTOS。他補(bǔ)充說(shuō)，內(nèi)部的RTOS編碼“95%是使用C語(yǔ)言，而且與Blackfin的細(xì)節(jié)并沒(méi)有太多的緊密聯(lián)系”，這意味著其原理能夠而且將應(yīng)用于其它的統(tǒng)一處理器體系結(jié)構(gòu)。，ADI公司的歐洲營(yíng)銷總監(jiān)Stefan Steyerl把ADSP-BF531引用為RTOS適用的、可供受成本制約的系統(tǒng)（如視頻監(jiān)控系統(tǒng)）使用的系列產(chǎn)品成員。這種芯片是一種采用廉價(jià)封裝的400 MHz器件，具有四個(gè)串行端口和一條16位外部總線，可以與Steyerl估計(jì)成本可能高出2~3倍的那些多芯片解決方案競(jìng)爭(zhēng)。
回到30 MIPS范圍，各種設(shè)計(jì)也可能受益于RTOS支持。例如，Microchip公司為其dsPIC提供三個(gè)等級(jí)的RTOS：基本調(diào)度程序；支持線程的調(diào)度程序，以及具有定時(shí)分析的完整RTOS。不過(guò)，該公司說(shuō)，其設(shè)計(jì)的許多處理器根本不使用RTOS就能很好工作。
可配置的選擇方案
一種可完全代替現(xiàn)成解決方案的解決方案，涉及到設(shè)計(jì)一個(gè)適合于手頭項(xiàng)目的完整處理器內(nèi)核，從而要采用Tensilica公司或ARC公司等廠商提供的各種可配置處理器解決方案之一。當(dāng)SoC/ASIC實(shí)現(xiàn)方法能帶來(lái)高芯片效率的解決方案時(shí)，這不太可能是一種現(xiàn)實(shí)的選擇方案，超大批量應(yīng)用系統(tǒng)除外。
可配置處理器體系結(jié)構(gòu)均采用“核心內(nèi)核” (core core) 概念，這種概念允許設(shè)計(jì)師通過(guò)直接提取系統(tǒng)的算法所需的數(shù)據(jù)操作來(lái)擴(kuò)展指令集和硬件。盡管在字面上并不等效于會(huì)聚處理器，但是這樣的算法可能是信號(hào)處理操作，而且這種技術(shù)為實(shí)現(xiàn)等效功能提供了一種替代方法。例如，作為設(shè)計(jì)過(guò)程的一部分，Tensilica公司的設(shè)計(jì)軟件生成個(gè)別處理器實(shí)例特有的一種新的編譯器和工具鏈的變種。這種方法很顯然地會(huì)提高復(fù)雜性，并增加硬件來(lái)解決復(fù)雜任務(wù)作為配置過(guò)程的一部分。相反，ARC公司近宣稱，其設(shè)計(jì)的處理器中的大部分在相反方向上利用處理器的可配置性——定義關(guān)鍵算法，根據(jù)需要增加指令，但隨后卻將設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的配置。當(dāng)然，這種做法的目的在于盡量縮小芯片面積，以便達(dá)到盡可能的成本。
初創(chuàng)的Stretch公司推出的處理器體系結(jié)構(gòu)是這種方法的一個(gè)變種（參考文獻(xiàn)2）。Stretch公司采用Tensilica公司生產(chǎn)的在數(shù)據(jù)路徑上具有緊耦合可編程邏輯的內(nèi)核。設(shè)計(jì)師可以設(shè)置這些可編程邏輯元件來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)操作。
在處理器IP（知識(shí)產(chǎn)權(quán)）領(lǐng)域，對(duì)附加DSP功能的需求也推動(dòng)著諸如ARM公司的OptimoDE這類產(chǎn)品的推出。這種以算法為中心的可配置內(nèi)核技術(shù)借助一個(gè)DSP功能的基本庫(kù)來(lái)配置信號(hào)處理數(shù)據(jù)路徑。它還可為新設(shè)計(jì)生產(chǎn)一個(gè)專用的C語(yǔ)言編譯器變種。同樣，MIPS公司宣布推出可將信號(hào)處理性能提高300%以上的DSP ASE（專用擴(kuò)展）技術(shù)。ASE配有一套軟件開(kāi)發(fā)工具和DSP庫(kù)