通过分布式处理提升处理器效率

    在刚刚过去的数年内，我们见证了多处理系统日渐成为主流，事实上大多数现代个人计算的CPU均采用了对称多处理系统（SMP），其中，相同处理器的多个实现例程分担运行在PC上的应用程序负荷。SMP目前已相当常见，但在嵌入式计算中，向多处理的转移趋势并不常见。然而，新的嵌入式设计技术为工程师提供了相当的自由度，能够在数字子系统上智能化地分配处理功能。在本文中，研究了一个使用Cypress半导体公司PSoC 3和PSoC 5架构的分布式处理技术示例，该架构由一个主CPU（在本例中为8051或ARM Cortex M3）、一个DMA引擎、以及通用数字模块（UDB）阵列构成。UDB可高效用作微处理器阵列。通过在这类子系统上分配处理功能，减少计算复杂程度和处理负荷，工程师能够提升整个系统的效率。 
      将处理功能分解到多个功能块上具有很多优点，最大的优点是降低了实际功耗。通过降低CPU在处理MIPS方面的负荷，只计算简单的函数，如服务中断，能够以较低的频率运行应用程序，这是因为，除了应用程序的所有函数外，CPU无需在不太复杂的函数上耗费指令周期。这样，就能从两个方面降低整个应用的功耗。第一个优点显而易见，降低CPU时钟，随着时钟速度的降低，实际功率呈线性下降。第二个优点有些容易被忽视，但同样重要，CPU具有的逻辑门约是UDB的10倍以上，通过将处理功能从主CPU卸载到微处理器上，可释放大量用于完成处理功能的逻辑门，从而进一步显著改善实际功耗。 
      除了显著降低应用程序的实际功耗外，分布式处理还具有另一项优点，由于CPU从更平凡的处理负担中解脱出来，能够将其MIPS更多地用在可更好发挥CPU特性的功能上，用于具有更高计算强度的函数上，如乘除指令。 
      为了理解将处理功能分解在架构上的方式，我们将分析常见的嵌入式应用，如无刷直流电机控制。首先我们深入实质，了解PSoC 3和PSoC 5数字子系统，以便理解其能力。 
      PSoC 3和PSoC 5器件公用平台架构，这意味着在两个系列中，基本硬件是相同的。PSoC3和5平台架构由四个主要功能块构成，它们是： 
      CPU子系统：首先是CPU子系统，它包含主CPU（8051或Cortex M3）以及所有支撑IP，包括中断控制器，调试硬件，以及DMA控制器。其他系统功能也包含在CPU子系统中，如计时，电源管理，以及系统存储器。通过CPU与DMA引擎的结合，可为我们提供实现分布式处理功能所需的两个关键部件。 
      数字子系统：数字子系统是PSoC 3和PSoC 5系列架构的另一重要部分，使用它，能够实现分布式处理系统。PSoC 3和PSoC 5中的数字子系统主要由可灵活编程的通用数字模块（UDB）阵列构成。正如从图X中所见到的，UDB硬件包含数据路径元素，它本质上是8位微处理器，能够执行标准的处理功能，如移位、加和比较。数据路径元素（图XX）还与PLD单元相结合，可用于实现定制的逻辑功能，甚至能够查询表以找出可用作参考的数据路径元素。这些UDB可用于实现很多外围标准功能，如PWM、定时器和SPI，它们也能用于实现定制的外围功能。正因为这种灵活性，PSoC能够实现分布式处理功能。