長久以來多媒體的嵌入式應用都可見到RISC微控制器（MCUs）和DSPs的蹤影。然而它們並不能互相替代，而是搭配使用。MCU架構適合有效率的非同步控制流，而DSP架構則用在同步且固定速率的資料流（如濾波器和轉換運算）。由於兩種功能都是目前媒體處理應用所必須的，工程師經常使用個別的MCU和DSP晶片。這種組合對廣泛的多媒體應用提供良好的處理引擎，但是卻提高了多重處理設計的複雜度，以及學習多重開發工具組和除錯的不同架構。晶片商為了解決這些問題而作過各種的嘗試。許多MCU製造商已經將部份信號處理功能整合在一起，如指令集的延伸和乘法累加（multiply-accumulate；MAC）單元等，但是這種方法往往缺乏進階信號處理應用所需要的基本架構基礎。同樣地，DSP製造商已經內建有限的MCU功能，但是在系統控制方面卻不得不有所妥協。

最近出現另一種選擇－嵌入式媒體處理器（Embedded Media Processor；EMP）。這種處理器在單一架構上同時具有MCU和DSP的功能，並能在控制和信號處理的不同需求中作有彈性的區隔。EMP可以視應用方案的需要，當作100％的MCU（符合業界標準的程式碼密度）、100％的DSP（領先DSP技術的時脈速率），或是介於兩者之間的組合。本篇文章著重於從系統設計者的觀點來看，當考慮EMP的解決方案時所可能產生的組織和技術問題，以及提供目標導向的見解來成功地建立以EMP為基礎的設計。

EMP的架構

為了說明EMP的架構，本文接著將檢視一款媒體處理器，它結合32位元RISC指令集、雙16-bit MAC單元和一個8位元的視訊處理引擎。可變長度指令集可延展至用於DSP內迴圈的64位元操作碼（Opcode），但是經由最佳化使得最常使用的指令長度為16位元。所以編譯過的程式碼密度足以媲美業界其他MCUs，而其連鎖的管線（interlocked pipeline）和代數指令語法有助於以C/C++和組合語言來開發程式。

《圖一　單核心嵌入式媒體處理器架構》

EMP與MCU一樣具有保護及未保護作業模式，以避免使用者存取或影響系統的共享區域。除此之外還提供規範個別應用程式開發空間的記憶體管理能力，以防止不同的程式碼區段被覆寫。EMP也允許非同步的中斷和同步的例外狀況，而且還有可程式化的中斷優先順序。所以在EMP之上很適合使用嵌入式作業系統（在以前這是MCU的領域）。

在DSP部份，EMP被建構用於有效率的資料流，具有非常高的性能並有支援高速序列和平行資料傳送的週邊組件。此外EMP包括先進的電源管理功能，讓系統設計者得以打造擁有最低動態電力模式的設計。

開發方法

在現今的設計範例中，MCU和DSP程式設計師通常是兩種完全不同的族群，兩者的關係只有在兩個功能世界交會的「系統邊界」上。這在兩群設計者各自發展出自有的設計方式上，是說得通的。舉例來說，信號處理開發人員可能偏好鑽研處理器架構的支微末節，來實現改善性能的竅門和技巧。在另一方面，MCU程式設計師或許喜歡將裝置打開讓其自行完成工作的模式。這就是為何EMP同時支援DMA和快取（cache）記憶體控制器來傳輸資料於系統之中。多重高速DMA頻道在週邊裝置和記憶體系統間來回穿梭傳遞資料，使DSP程式設計者不必耗費寶貴的核心處理器迴圈就可達到想要的微調控制。相反地，單晶片上可設定的指令和資料快取能夠讓程式設計師像設計MCU一樣，不用插手程式碼和資料的管理工作。通常在系統整合的層級上綜合兩個作法是最理想的。

另一個導致在過去MCU和DSP開發族群分隔的原因是，兩個處理器各有各的設計規則。從技術的角度來看，負責建構系統的工程師有時會猶豫是否要將控制應用程式和信號處理應用程式混在同一顆處理器上。最常見的顧慮在於非即時的任務會干擾即時任務。比如說，像是處理圖形使用者介面（GUI）或是網路堆疊的程式設計者，應該不用擔心會妨礙到系統的即時信號處理活動。當然「即時」的定義會根據特定的應用程式而有所不同。對嵌入式應用而言，重點在於服務一個中斷所需要的時間。因此假設從中斷發生到服務程式在開端處將系統內容儲存好的這段時間小於10微秒（microsecond）。

MCU的控制碼通常是用C語言編寫且是以函數庫為基礎的，而即時DSP程式碼往往是以組合語言為基礎，並且是對某特定應用以手工的方式來得到的最佳性能。不幸的是，這種最佳化設計也限制了應用程式的可攜帶性，因此也使得未來的計畫仍需要兩組程式編寫小組的技能及開發工具。

然而隨著EMP的導入，以C/C++為主的統一程式碼基礎將是可以實現的。這讓開發人員得以利用以前研發成果中所獲得的龐大應用程式碼。由於EMP同時針對控制和信號處理作業作最佳化設計，編譯器可以產生既「緊密」（從程式碼密度的觀點）又有效率（給需要密集計算的信號處理應用程式）的程式碼。EMP的高運作頻率足以彌補任何因編譯器效能所產生的間隙，超過750MHz的時脈在現今的主流DSP中居於領先地位。此外，組合語言仍然是在最佳化重要處理迴圈時的一個選項。

採用EMP雖然可以大幅減少撰寫組合語言的需要，但光是這樣還不足以證明轉換到這個統一的平台是有益的。作業系統（OS）的支援也是關鍵。藉由支援一種作業系統或是即時核心（kernel），即可實現多層次的任務。為了確保預期的性能仍然可以達成，一個支援多種優先權的中斷控制器是必要的。內文轉換（context switching）必須要經由以硬體支援的堆疊（stack）和框架指標來達成。開發者因而能夠創造出一個包括控制和即時信號處理兩個領域的系統在同一台裝置上。

另外，EMP的記憶體管理機制允許OS支援記憶體保護功能。一個任務可以透過分頁（paging）的機制阻擋另一個任務所作的記憶體或指令存取動作。當未經授權的存取動作發生在受「保護」的記憶體區域時，就會產生一個例外情形（Exception）。核心（kernel）會負責這個例外並採取適當的措施。

EMP所能達到的高處理速度意味著數點實際的好處。第一是上市時間，如果有很多的處理資源可用，減少或者不管程式碼最佳化可以節省相當多的時間。第二個重要的優點是減少軟體維護的工作，這在產品的生命週期成本中佔有舉足輕重的角色。最後，對易擴充的EMP架構而言，有可能先在功能最強的處理器系列成員上設計系統，然後再根據最終應用的運算大小來選擇適當的處理器。

雙核心方法增加了設計彈性

最後還有一個值得一提的選擇。現在有一些嵌入式媒體處理器已經是雙核心的裝置。傳統上的雙核心處理器是在各個核心上採用個別和不同的任務。比如說，一個核心可能執行所有跟控制相關的任務，像圖形和重疊的功能、網路、介接大量儲存以及總體流量控管。這也是作業系統或kernel可能的所在地。第二個核心可以專注在需要高度處理能力的應用程式。舉例來說，壓縮過的資料封包可能從網路介面傳送到第一個核心，經過預先處理後再送到第二個核心進行影音的解碼。

《圖二　雙核心嵌入式媒體處理器架構》

採用個別軟體開發小組的顧客都偏好採用這個模型。將功能分隔開來使設計程序可以同時進行，能夠減少專案對臨界路徑（critical path）的依賴性。此編寫程式模型也對專案的測試和驗證階段有所幫助。例如一個核心的程式碼改了，並不會影響另一個核心已經完成的測試結果。簡而言之，DSP和MCU仍將持續地配對使用在各種應用，而嵌入式媒體處理器的普及使得著重媒體應用的產品能在性能、整合性、有效用電和成本考量方面，達到採用個別裝置解決方案所無法達到的新境界。

（作者任職於ADI美商亞德諾）

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