跨界嵌入式處理器 — 填補(bǔ)高性能與易用性之間的空白

1、跨界嵌入式處理器 填補(bǔ)高性能與易用性之間的空白跨界處理器用法應(yīng)用處理器架構(gòu)，提供高集成度、高速外設(shè)、更高的平安性以及可提升用戶體驗的引擎（例如，2d/3d顯卡），但僅通過運(yùn)行實時操作系統(tǒng)（例如rtos）的低功耗mcu內(nèi)核為系統(tǒng)提供動力。因此，跨界處理在市場中界定了一塊全新的急需領(lǐng)域，能夠協(xié)助mcu客戶升級到應(yīng)用處理器級別的性能，同時沿用當(dāng)前的工具鏈，而且可能不需要花時光和成本將復(fù)雜的linux（或其他更高級別的操作系統(tǒng)）軟件開發(fā)納入其產(chǎn)品設(shè)計周期。降低成本無需片內(nèi)閃存在抱負(fù)環(huán)境中，當(dāng)可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)被存儲在片內(nèi)sram中，并從今存儲中執(zhí)行cpu內(nèi)核操作時，嵌入式處理器的性能達(dá)到最高。即便在片內(nèi)

2、sram中，也惟獨(dú)“緊耦合內(nèi)存”(tcm) 能夠為內(nèi)核提供單周期拜訪。對tcm以外任何存儲器的拜訪都會增強(qiáng)所需的cpu時鐘周期，從2級緩存到片內(nèi)閃存再到外部閃存的拜訪損耗越來越大。因此，惟獨(dú)由高密度片內(nèi)sram配置而成的tcm才干提供理論上最高的性能。但在現(xiàn)實中，集成sram的每平方毫米成本十分昂揚(yáng)，對于在越發(fā)成熟的工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)上創(chuàng)造的mcu來說，更是如此。因此，嵌入式閃存成為了mcu的所需組件，作為片內(nèi)sram的補(bǔ)充。mcu中的嵌入式閃存被用于存儲可執(zhí)行程序和重要的用戶/系統(tǒng)數(shù)據(jù)，以便內(nèi)核迅速拜訪這些內(nèi)容，而無需從外部存儲器獵取。但是，我們認(rèn)為，在滿足mcu和應(yīng)用處理器之間的客戶需求時，片上

3、嵌入式閃存的技術(shù)限制和相關(guān)的成本成為了一個很大的負(fù)擔(dān)。嵌入式閃存價格昂貴且富有挑戰(zhàn)性，對于高級工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)而言尤其如此。嵌入閃存所需的額外處理睬大幅提升芯片的成本。掙脫片上閃存的負(fù)擔(dān)不但能夠降低成本，還有助于實現(xiàn)更高頻率的運(yùn)行，從而提升處理器性能，進(jìn)而讓產(chǎn)品設(shè)計師能夠提升性能，提高效率并增強(qiáng)更多功能。因為跨界處理器采納了應(yīng)用處理器架構(gòu)，它們能夠在高級技術(shù)節(jié)點(diǎn)（40nm和更高水平）上創(chuàng)造，具有大幅縮小的sram位單元，使得集成高密度sram比嵌入閃存越發(fā)經(jīng)濟(jì)高效。在跨界設(shè)計架構(gòu)中，sram可以配置為具有“零等待”單周期拜訪的tcm，從而大幅提升系統(tǒng)性能。憑借這種關(guān)鍵設(shè)計特性，跨界處理器的有效性能

4、將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出mcu同等產(chǎn)品。集高性能、低延遲、高能效和平安性于一體高性能想象一下tcm和緩存（片內(nèi)sram）微小，但嵌入式閃存密度極高的典型mcu。執(zhí)行應(yīng)用代碼期間，最近的命令和數(shù)據(jù)通常都被存儲在tcm/緩存中，以便后續(xù)從cpu內(nèi)核迅速拜訪。但是，因為緩存密度低，大部分命令和數(shù)據(jù)都必需存儲在嵌入式閃存或者外部nor或nand閃存中。因此，cpu內(nèi)核不得不拜訪非tcm或非緩存存儲器（也稱為“緩存未命中率”），每次拜訪都會大幅降低有效性能，由于cpu必需等待數(shù)十個周期以待數(shù)據(jù)抵達(dá)。因此，緩存未命中率越高，mcu的有效性能越低。對于合理架構(gòu)、具備高密度tcm和緩存的跨界嵌入式處理器而言，即使緩存未命中

5、率高達(dá)5%，其有效性能也始終高于mcu。（緩存未命中率5%可以理解為，cpu內(nèi)核在緩存存儲器中尋覓所需命令或數(shù)據(jù)的嘗試中，平均每20次中失敗1次，需要拜訪嵌入式閃存或外部閃存。）但是，對于最為頻繁的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具備高密度片內(nèi)tcm或緩存的跨界處理器的緩存未命中率可低至1-2%，因此能夠提供顯然高于mcu的有效性能。低中斷延遲在協(xié)調(diào)對內(nèi)部和外部硬件大事做出準(zhǔn)時響應(yīng)方面，中斷在嵌入式系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。在與用戶交互的實時系統(tǒng)中，它們發(fā)揮的作用尤其重要，這是由于由用戶輸入觸發(fā)的外部大事需要cpu做出牢靠的低延遲即時響應(yīng)。試想一下，具備用戶輸入的視頻流物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用或恒溫器設(shè)備，假如系統(tǒng)不能實時對用戶輸

6、入做出響應(yīng)，用戶體驗將大打折扣，甚至用戶可能會認(rèn)為產(chǎn)品無響應(yīng)。因此，中斷響應(yīng)時光是跨界處理器應(yīng)用的一個關(guān)鍵特性。中斷延遲這個詞指的是cpu響應(yīng)內(nèi)部或外部大事的中斷哀求時所需的時鐘周期數(shù)。對于大部分具有實時響應(yīng)要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，中斷延遲成為了衡量有效性能的一個十分重要的指標(biāo)。對于運(yùn)行高級別操作系統(tǒng)（非實時操作系統(tǒng)）的通用應(yīng)用處理器，服務(wù)外部中斷并非首要任務(wù)。在完成當(dāng)前的任務(wù)之前，cpu通常不會響應(yīng)中斷服務(wù)例程 (isr) 哀求。這就導(dǎo)致在提出中斷哀求之后，需要經(jīng)過多達(dá)數(shù)百個延遲周期，內(nèi)核才會開頭服務(wù)此哀求。對于運(yùn)行實時操作系統(tǒng)、內(nèi)核優(yōu)先響應(yīng)中斷的mcu而言，就不會浮現(xiàn)這種狀況。即使在不同中斷之間

7、，也可以通過合理支配優(yōu)先級結(jié)構(gòu)，確保最高優(yōu)先級的中斷達(dá)到最低的中斷延遲。跨界處理器采納mcu內(nèi)核構(gòu)建，因此即使它們采納應(yīng)用處理器架構(gòu)，也連續(xù)了低中斷延遲這一重要特性?？缃缣幚砥鞯闹袛嘌舆t最低可達(dá)到10-20ns，而應(yīng)用處理器的延遲通常長達(dá)1毫秒。因此，跨界處理器最適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。高能效跨界嵌入式處理器集成了高性能dc-dc轉(zhuǎn)換器，并采納行之有效的門控電源技術(shù)來優(yōu)化能效。實際上，憑借目前嵌入式處理器廣泛用法的40nm處理平臺，跨界處理器的運(yùn)行功率最低能夠達(dá)到100ua/mhz，不到目前處于市場率先地位的mcu的一半。對于如今市場上未集成dc-dc轉(zhuǎn)換器的無數(shù)mcu，或者當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計出于成本考慮未用

8、法外部dc-dc轉(zhuǎn)換器或pmic時，其消耗最高會達(dá)到300ua/mhz，導(dǎo)致它們不太適合采納電池供電的應(yīng)用。對于mcu，嵌入式閃存相比拜訪外部存儲器的優(yōu)勢之一是可以實現(xiàn)更低的動態(tài)功耗。這在意料之中，由于拜訪外部存儲器時，數(shù)據(jù)必需通過i/o驅(qū)動，處理器因此需要耗費(fèi)更多能量。但正如之前所述，在跨界處理器中，由于高密度片內(nèi)sram的緣由，對外部閃存的拜訪很有限。此外，跨界處理器采納先進(jìn)技術(shù)節(jié)點(diǎn)和低功率處理平臺構(gòu)建，并與低功耗sram集成，因此與傳統(tǒng)mcu相比，能夠降低整體的動態(tài)功耗。再者，存儲器創(chuàng)造商目前以極低的成本提供超低功耗的串行nor閃存，從而降低了系統(tǒng)級別的功耗。假如將采納低功耗串行閃存的跨

9、界嵌入式處理器封裝到sip，能效可進(jìn)一步得到提升，由于i/o引腳的電容負(fù)載較低。假如sip成本對某些應(yīng)用能夠合理化（考慮sip提供的形狀尺寸優(yōu)勢），那么兼具跨界處理功能和額外存儲器的解決計劃將十分具有吸引力。平安性存儲在嵌入式閃存中的數(shù)據(jù)牢靠而平安，這通常被援引為在處理器設(shè)計中采納嵌入式閃存的緣由。片內(nèi)存儲的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和敏感應(yīng)用程序可即時獵取，無需通過外部引腳與芯片之間往返傳輸。只要與芯片之間往返傳輸數(shù)據(jù)，就會給黑客提供襲擊的機(jī)會（旁路襲擊），讓他們可以通過監(jiān)控數(shù)據(jù)引腳中的電信號來攔截或破壞數(shù)據(jù)。假如數(shù)據(jù)未加密（以“明文”傳輸?shù)臄?shù)據(jù)），這一弱點(diǎn)尤其令人擔(dān)憂。然而，用法跨界嵌入式處理器則沒有這種隱

10、憂，由于它們采納了與應(yīng)用處理器類似的數(shù)據(jù)庇護(hù)架構(gòu)。跨界處理器解決計劃采納硬件加速加密模塊，使數(shù)據(jù)能夠以加密的格式存儲在外部存儲器中。需要時，加密數(shù)據(jù)被傳輸至芯片，在讀取時“即時”解密，無需經(jīng)過等待解密的周期。跨界處理器中的這些高級加密加速器能夠大幅提高加密/解密吞吐量，從而無需用法片內(nèi)非易失存儲器來滿足平安性的需求。即使在硬件加密不適用的狀況下，跨界處理器的高性能內(nèi)核也可用來實施軟件加密。相比傳統(tǒng)mcu，這是一個顯然的優(yōu)勢；mcu內(nèi)核的性能較低，必需通過采納硬件加密模塊來提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的加密吞吐量?；诎雽?dǎo)體行業(yè)在開發(fā)先進(jìn)存儲器方面取得的發(fā)展，我們預(yù)測在將來兩到三年內(nèi)，非易失性存儲器（例如

11、mram、rram等）似乎可用于與嵌入式處理器集成。它們易于單片集成，可功能多樣（包括替換片內(nèi)2/3級緩存），具有即開即用的用戶體驗，可用于片內(nèi)平安數(shù)據(jù)庫，或替代傳統(tǒng)嵌入式閃存。跨界處理器有望從同過集成這些新興存儲器，從而發(fā)揮更大優(yōu)勢。相關(guān)行業(yè)和應(yīng)用程序作為高性能與易用性特性的有效融合，跨界解決計劃適合一系列特定的應(yīng)用，在此之前，這些應(yīng)用的某些功能通過應(yīng)用處理器和mcu產(chǎn)品都無法得到滿足。跨界處理器能大展拳腳的一些應(yīng)用包括（但不限于）：用于高端、消費(fèi)性音頻設(shè)備的音頻子系統(tǒng)設(shè)計，包括吉他音效踏板等專用設(shè)備。面對大眾市場應(yīng)用的通用嵌入式設(shè)計，例如測量系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備、售貨機(jī)以及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。人機(jī)界面

12、(hmi) 圖形功能，適用于家居和樓宇（例如hvac溫度控制、安保、照明控制面板）、工業(yè)計算設(shè)計（例如ebs、工廠自動化、測試和測量、m2m、hmi控制、裝配線）以及消費(fèi)類產(chǎn)品（例如智能家電、攝像機(jī)、及其他高端顯示屏）。控制和電源轉(zhuǎn)換，適用于3d打印機(jī)、熱敏打印機(jī)、無人機(jī)等專業(yè)設(shè)備，以及機(jī)器人真空吸塵器等消費(fèi)類產(chǎn)品。i.mx rt跨界處理器憑借數(shù)十年來為消費(fèi)者、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)市場提供mcu和應(yīng)用處理器的領(lǐng)導(dǎo)閱歷，恩智浦開發(fā)出了全新嵌入式處理器系列 i.mx rt跨界系列處理器。新型的i.mx rt跨界系列處理器基于 -m7內(nèi)核，采納了i.mx 6ull應(yīng)用處理器架構(gòu)，囊括了上文提到的跨界處理器的全部特性，提供了市場上首款真正能夠填補(bǔ)mcu和應(yīng)用處理器之間空白的解決計劃。它把應(yīng)用處理器級別的性能帶到了mcu領(lǐng)域，能夠支持實時、高性能處理功能，例如攝像頭和顯示功能。高性能、實時處理i.mx rt系列的內(nèi)核運(yùn)行速度可達(dá)600 mhz（相比之下，現(xiàn)有mcu的最高速度惟獨(dú)400mhz）。這是目前具有最高性能水平的cortex-m7解決計劃，可提