通過分布式處理提升處理器效率

在剛剛過去的數年內，我們見證了多處理系統日漸成為主流，事實上大多數現代個人計算的CPU均采用了對稱多處理系統（SMP），其中，相同處理器的多個實現例程分擔運行在PC上的應用程序負荷。SMP目前已相當常見，但在嵌入式計算中，向多處理的轉移趨勢并不常見。然而，新的嵌入式設計技術為工程師提供了相當的自由度，能夠在數字子系統上智能化地分配處理功能。在本文中，研究了一個使用Cypress半導體公司PSoC 3和PSoC 5架構的分布式處理技術示例，該架構由一個主CPU（在本例中為8051或ARM Cortex M3）、一個DMA引擎、以及通用數字模塊（UDB）陣列構成。UDB可高效用作微處理器陣列。通過在這類子系統上分配處理功能，減少計算復雜程度和處理負荷，工程師能夠提升整個系統的效率。

將處理功能分解到多個功能塊上具有很多優點，最大的優點是降低了實際功耗。通過降低CPU在處理MIPS方面的負荷，只計算簡單的函數，如服務中斷，能夠以較低的頻率運行應用程序，這是因為，除了應用程序的所有函數外，CPU無需在不太復雜的函數上耗費指令周期。這樣，就能從兩個方面降低整個應用的功耗。第一個優點顯而易見，降低CPU時鐘，隨著時鐘速度的降低，實際功率呈線性下降。第二個優點有些容易被忽視，但同樣重要，CPU具有的邏輯門約是UDB的10倍以上，通過將處理功能從主CPU卸載到微處理器上，可釋放大量用于完成處理功能的邏輯門，從而進一步顯著改善實際功耗。

除了顯著降低應用程序的實際功耗外，分布式處理還具有另一項優點，由于CPU從更平凡的處理負擔中解脫出來，能夠將其MIPS更多地用在可更好發揮CPU特性的功能上，用于具有更高計算強度的函數上，如乘除指令。

為了理解將處理功能分解在架構上的方式，我們將分析常見的嵌入式應用，如無刷直流電機控制。首先我們深入實質，了解PSoC 3和PSoC 5數字子系統，以便理解其能力。

PSoC 3和PSoC 5器件公用平臺架構，這意味著在兩個系列中，基本硬件是相同的。PSoC3和5平臺架構由四個主要功能塊構成，它們是：

CPU子系統：首先是CPU子系統，它包含主CPU（8051或Cortex M3）以及所有支撐IP，包括中斷控制器，調試硬件，以及DMA控制器。其他系統功能也包含在CPU子系統中，如計時，電源管理，以及系統存儲器。通過CPU與DMA引擎的結合，可為我們提供實現分布式處理功能所需的兩個關鍵部件。

數字子系統：數字子系統是PSoC 3和PSoC 5系列架構的另一重要部分，使用它，能夠實現分布式處理系統。PSoC 3和PSoC 5中的數字子系統主要由可靈活編程的通用數字模塊（UDB）陣列構成。正如從圖X中所見到的，UDB硬件包含數據路徑元素，它本質上是8位微處理器，能夠執行標準的處理功能，如移位、加和比較。數據路徑元素（圖XX）還與PLD單元相結合，可用于實現定制的邏輯功能，甚至能夠查詢表以找出可用作參考的數據路徑元素。這些UDB可用于實現很多外圍標準功能，如PWM、定時器和SPI，它們也能用于實現定制的外圍功能。正因為這種靈活性，PSoC能夠實現分布式處理功能。

圖1