Тенденции индустрии встроенных микропроцессоров

Производители встроенных 32-разрядных процессоров сократили пропасть между встроенными и настольными системами. Этому во многом способствовали современные приложения, "воспитавшие" новые классы процессоров. Как эта тенденция будет влиять на развитие индустрии встроенных микропроцессоров и определять их конструкцию?

Говоря о микропроцессорах, мы прежде всего имеем ввиду архитектуру Intel x86 и ее конкурентов - IBM/Motorola PowerPC, Digital Alpha, Sun UltraSPARC, HP PA-RISC или SGI/MIPS Rxxxx. Изначально спроектированные для рынка настольных компьютеров, эти процессоры стали сегодня доминирующими, а разработчики прилагают все усилия, чтобы обеспечить настольным компьютерам еще больше вычислительной мощности [1]. Однако, концентрируясь на настольных компьютерах, мы можем упустить другую, не менее многочисленную группу микропроцессоров - встроенных архитектур. По мнению Дэвида Петерсона, "Intel специализируется в проектировании микропроцессоров для настольных ПК, которые через пять лет могут уже не быть наиболее распространенным и важным типом компьютеров. На смену им придут персональные мобильные устройства, интегрирующие портативный компьютер и сотовый телефон, цифровую камеру, приставку для видеоигр и т.д. Такие системы требуют дешевых процессоров с низким энергопотреблением, а Intel далеко не лидер в этой области [2]".

Так что же это такое, встроенные микропроцессоры, и чем они отличаются от процессоров общего назначения?

Рынок встроенных микропроцессоров

Мы стремимся делать различия между микроконтроллерами и микропроцессорами, хотя не существует точного определения различий между ними. На первый взгляд можно найти микроконтроллеры, связанные со сферой господства встроенных устройств, и микропроцессоры, активно применяемые в области настольных компьютеров. Более подробный анализ позволяет определить микроконтроллеры как устройства, имеющие память RAM или ROM вместо кэш-памяти, присутствующей, обычно, в большинстве периферийных устройств. В противоположность микроконтроллерам микропроцессоры имеют устройство управления памятью и большой объем кэш-памяти. Иногда разница определяется производительностью или разрядностью. Например, 8- и 16-разрядные устройства обычно называют микроконтроллерами.

Совсем недавно начался рост рынка 32-разрядных встроенных микропроцессоров, что может показаться странным разработчикам бытовых управляющих систем и стиральных машин. Действительно, согласно прогнозам, в 1999 г. 8-разрядных встроенных процессоров будет поставлено в восемь раз больше, чем 32-разрядных [3]. Однако, по мере роста спроса на системы безопасности и пункты центрального управления или "интеллектуализации" холодильников, эта тенденция станет более понятной.

32-разрядные встроенные процессоры

На рынке 32-разрядных встроенных процессоров можно найти свыше сотни продавцов, поставляющих две дюжины различных архитектур [3]. Наиболее удачливым в 1996 г. оказался микропроцессор с архитектурой Motorola 68000. Хотя дальнейшая эволюция этой архитектуры пришла к своему логическому концу, аналитики полагают, что спрос на производные процессора 68000 будет еще расти в течение следующих двух лет [3].

Другими представителями рынка встроенных микропроцессоров являются Intel i960, Motorola Coldfire, Sun SPARC и встроенные платформы x86. Появились на сцене и образцы новой архитектуры: Hitachi SuperH, Advanced RISC Machines ARM и упомянутая MIPS архитектура (ARM и MIPS продали лицензии на свои архитектуры и представлены сегодня на рынке в вариациях от разных производителей). Растущий успех этих архитектур исходит, главным образом, из спроса производителей видеоигр, карманных компьютеров, цифровых фотокамер и сотовых телефонов. Если заглянуть внутрь корпуса современной приставки для видеоигр, то можно увидеть нечто эквивалентное по вычислительной мощности совсем еще не старой рабочей станции SGI.

Настольные против встроенных

Пару лет назад было достаточно делить мир микропроцессоров на настольные и встроенные системы. На Рис. 1 дана иллюстрация традиционного взгляда на классификацию процессоров и контроллеров по нескольким открытым классам. Достаточна ли этой классификации сегодня? Какова же все-таки принципиальная разница между процессорами для настольных систем и встроенными микропроцессорами? Некоторые встроенные платформы выросли из архитектур, изначально спроектированных для рынка настольных систем (MIPS, SPARC и x86). Следовательно, разницей не может служить организация регистров, базовый набор команд или концепция организации конвейерной обработки данных.

Рис. 1. В прошлом было достаточно разделить рынок на четыре базовых, отчетливо разделенных части. Слияние миниатюрных, мобильных и мультимедиа систем требует новых классов встроенных процессоров.

Вместо этого, роль критериев различия процессоров для настольных систем от встроенных процессоров играют потребляемая мощность, цена, набор интегрированных периферийных устройств. Другими важнейшими критериями являются время отклика на прерывание, количество встроенной в чип памяти типа RAM или ROM, количество параллельных портов. Тогда как в мире настольных систем определяющее значение играет вычислительная мощность, то встроенные микропроцессоры должны выполнять работу для конкретных приложений при минимально возможной цене.

Экономический подход к нуждам новых приложений является ведущей силой для создания новых классов встроенных процессоров, сужающих пропасть между настольными и встроенными системами. Приложения типа миниатюрных и сверхминиатюрных компьютеров, сетевых ПК, видеоигровых приставок, информационных автомобильных систем требуют наличия дисплея, мощного процессора, памяти и интерфейса для общения с внешним миром. По этим причинам встроенные процессоры начали включать черты, традиционно связываемые с обычными микропроцессорами, но с усилением некоторых параметров: вызывающе низкая цена, низкая потребляемая мощность и навязываемые приложением ограничения.

В угоду приложениям

Новые приложения и сегменты рынка формируют экономический спрос, стимулирующий разработку новых специализированных устройств. Соображения снижения стоимости и сокращения времени выхода на рынок диктуют требования использования этих устройств и в других приложениях, избегая при этом чрезмерных усилий, связанных с разработкой нового продукта. По тем же причинам большинство компаний проектируют встроенные процессоры для очень специфического рынка, а затем дорабатывают их для применения на общем рынке встроенных систем.

Текущие приложения, выдвигающие требования к разработкам, включают:

• приставки для видеоигр, требующих высокой графической производительности;
• миниатюрные и сверхминиатюрные компьютеры, автомобильные и сетевые ПК, которые требуют управления виртуальной памятью и стандартной периферией;
• сотовые телефоны и мобильные персональные коммуникаторы, предъявляющие к процессорам повышенные требования к потребляемой мощности, производительности и наличию функции обработки цифровых сигналов (DSP);
• модемы, факсы и принтеры, требующие дешевых компонентов;
• телевизионные приставки-декодеры и цифровые видеодиски DVD, предполагающие высокий уровень интеграции;
• цифровые камеры, которые требуют как функций общего назначения, так и специальных функций обработки изображений.

Сегодня производители большинства 32-разрядных встроенных процессоров предлагают свои изделия и для потребительского рынка, вплотную следуя за рынками коммуникаций и офисных приложений. Требования этих рынков заставляют разработчиков уменьшать стоимость производства при одновременном увеличении уровня интеграции и производительности. Следовательно, при сравнении встроенных процессоров существенны следующие критерии:

• потребляемая мощность. Для мобильных приложений критерием является соотношение MIPS/ватт;
• плотность кода. Цель - избежать сложности архитектуры CISC и плотности, присущей 32-разрядной RISC архитектуры;
• интеграция периферии и наборов микросхем. Последовательные коммуникационные интерфейсы являются стандартными для встроенных процессоров, например, для уменьшения общей стоимости разрабатываемых приложений;
• ускорение выполнение приложений мультимедиа и специального программного обеспечения. Это реализуется через функции усовершенствованного набора команд;
• соотношение цена/производительность. Помимо всего прочего, цена измеряемая соотношением MIPS/доллар - это главный критерий.

Эти параметры оценки встроенных процессоров определяют отправные точки, на которые опираются разработчики микропроцессоров.

Потребляемая мощность

Во встроенных приложениях не может использоваться радиатор или вентилятор - сотовый телефон с вентилятором вряд ли будет хорошо продаваться. Большинство встроенных микропроцессоров имеют три режима: полностью оперативный, резервный - с низкой потребляемой мощностью, и режим с отключенным генератором частоты

Полностью оперативный режим означает, что сигнал тактовой частоты распространяется на весь процессор, каждая функциональная единица которого готова к исполнению команд. В резервном режиме процессор команды не выполняет, но вся хранящаяся в памяти информация доступна, например, DRAM обновляется, содержание регистров актуально и т.д. В случае поступления внешнего прерывания процессор приходит (через пару циклов) в полностью рабочее состояние без потери информации. Чтобы стартовать из режима с отключенным генератором частоты системе требуется почти столько же времени, как для начального старта.

Уменьшенное потребление энергии. Большинство новых процессоров фокусируются на уменьшенном потреблении мощности в полностью оперативном и в резервном режимах. Это достигается за счет остановки работы транзисторов, если конкретный блок в данный момент не используется. При этом каждый регистр, переключатель или запирающий сегмент подсоединяется к дереву генератора рабочей частоты процессора. В этом случае реализация генератора рабочей частоты становится критической, и часто требуется полное его перепроектирование. (В традиционных микропроцессорах тактовый сигнал распространяется из одной точки по всему чипу.)

Простейший способ уменьшения потребляемой электрической мощности - это уменьшение рабочего напряжения. Новейшие процессоры потребляют 1.8 вольт и даже меньше. Однако, это не решает полностью проблемы - увеличенная интеграция энергопотребляющей периферии наряду с процессором заставляет измерять потребляемую мощность всей системы. Общая потребляемая мощность сильно зависит от системного дизайна. Роль рабочего напряжения меньше метрики производительности, поскольку активность внутри кристалла обычно связана с активностью периферийных устройств. Более того, кристалл процессора является только малой частью всей системы.

Производительность

Энергопотребление никогда не является независимым показателем, а тесно связано с производительностью. Целью всех производителей 32-разрядных встроенных систем сегодня является соотношение 1000 MIPS/ватт. Но только этого показателя еще недостаточно для сравнения встроенных процессоров. Примите во внимание, что даже команды NOP (нет операции), во время которых процессор не выполняет полезной работы, теоретически могут быть влиять на показатель MIPS/ватт. Для уменьшения неадекватности метрики MIPS/ватт были разработаны различные тестовые программы типа Dhrystone, которые измеряют больше показателей, чем лишь количество выполненных команд.

Другим ограничивающим фактором в мире встроенных систем является пропускная способность или ширина диапазона. Поскольку большинство встроенных систем включают массовую обработку данных (например, кодирование изображений), акцент, как и в случае настольных систем, все чаще делается на конструкции кэш-памяти и архитектуре шины данных. Разница лишь в том, что для встроенных систем дополнительный упор делается на низкой цене и возможностях работы в реальном времени. Как и в случае с энергопотреблением, возрастающая общая производительность системы будет главным вызовом для дизайна будущих встроенных систем.

Плотность кода

Архитектура CISC традиционно имела лучшую плотность кода, ставшую следствием ее более сложного чем у RISC набора команд. Базовым требованием философии архитектуры RISC была фиксированная длина команд, что использовалось для упрощения и ускорения их декодирования. Хотя декодирование происходило быстрее, архитектуре RISC требовалось больше команд для выполнения той же самой работы. Философия RISC также тесно связана с введением конвейерной обработки, заставляющей процессор более унифицировано декодировать команды. Примерами тому могут быть 32-разрядные архитектуры с фиксированной длиной команд: MIPS, SPARC, PowerPC. Использование 32-разрядных команд фиксированной длины отрицательно влияет на плотность кода программ.

Чтобы преодолеть эту проблему, производители применили новые стратегии, например, Hitachi использует в своей архитектуре SuperH команды фиксированной длины 16 бит вместо 32. Этот подход локализует программный код, исключая обработку адресов и непосредственно чисел, что также увеличивает полосу памяти для загрузки команд.

Компания ARM использовала другую стратегию, когда ввела расширение Thubm - поднабор 32-разрядных ARM команд, записанных 16-разрядными оптимизированными кодами. Логика чипа декомпрессирует эти коды в их 32-разрядный эквивалент в масштабе реального времени [4]. В качестве другого примера можно назвать подход MIPS 16.

Другое решение состоит в том, чтобы использовать команды различной длины, скажем, 16, 32 и 48 бит [5]. Числа непосредственно не адресуются через табличные ссылки, а кодируются напрямую в 48-разрядные команды. Этот подход улучшает процесс декодирования по сравнению с архитектурой CISC. Однако, это еще более сложный подход, чем использование команд фиксированной длины, поскольку на каждом шаге машина должна заранее решить, что является командой для декодирования, а что - данными, которые должны быть переданы на следующий шаг.

Другим важным фактором воздействия на плотность кода, является качество компилятора с языка Си. Сегодня ANSI C является для встроенных систем стандартом де-факто. По мере возрастания производительности встроенных процессоров, все большую роль в будущем будут играть объектно-ориентированные языки. К счастью, производители компиляторов уже реализовали мудрые решения для снижения плотности кода, что будет обеспечивать рост производительности систем.

Периферия и высокая интеграция

При проектировании процессора обязательно рассматривается вопрос, какую периферию необходимо интегрировать для нужд целевого рынка. Интеграция всего, что можно, в одном кристалле не всегда будет самым дешевым решением - периферия приводит к усложнению чипа и имеет тенденцию уменьшать "отдачу". Кроме того, чем больше периферии, тем больше разъемов на плате и тем больше требуется тестов, а это существенные мерки для конечной цены и, как следствие, для потенциального успеха на рынке. Следовательно, интегрированная периферия должна упрощать системный дизайн и укорачивать цикл разработки полной системы.

Другое требование возникает из быстро меняющегося бизнеса DRAM. Пользователи часто требуют интеграции DRAM на кристалле, чтобы самим не связываться с рынком памяти. Благодаря возрастающей возможности интегрировать транзисторы в кристалле, удается также избежать проблем электромагнитной интерференции, которые возникают при внешнем размещении памяти. Кроме того, встроенная DRAM или eRAM, обеспечивают дополнительную экономию мощности, поскольку благодаря экстремально малой электрической емкости соединения шины между CPU и DRAM рассеивают меньшую мощность [6].

Существует две стратегии интеграции периферийной логики:

• можно обеспечить базис и интегрировать дополнительную логику устройств заказчика для создания ASIC или ASSP (application-specific standard part);
• можно предложить стандартный микропроцессор вместе с чипом-компаньоном, который обслуживает специфические запросы приложения. Этот подход с набором микросхем хорошо известен в практике производства плат для ПК.

Разница между стратегиями технически не столь существенна. Если речь идет о разработке макроячейки для чипа-компаньона, то очень просто интегрировать ее в ASIC. В большей степени разница - это вопрос маркетинга, и в некотором смысле процесс стандартизации рынка встроенных систем протекает так же как и на рынке персональных систем. На Рис. 2 приведена упрощенная блок-схема миниатюрного ПК, иллюстрирующая подход к дальнейшей стандартизации.

Рис. 2 Двухчиповый подход к созданию устройств миниатюрных ПК. Можно увеличить гибкость системы за счет семейства чипов-компаньонов и путем смены главного процессора. Такие чипы-компаньоны, как, например, контроллер Hitachi HD64461 LCD с дополнительными интерфейсами для специализированных применений, прокладывают сегодня дорогу к дальнейшей стандартизации на рынке встроенных систем.

Ускорители для мультимедиа

Во встроенных системах стандартные возможности CPU и DSP сливаются, причем тем же способом, как это происходит в настольных системах. Так называемые Media MIPS (MMIPS) возможности доминируют сегодня в дискуссиях о встроенных системах. Для применения этих возможностей разработчики улучшают набор команд стандартного микроконтроллера, добавляя команды, ускоряющие выполнение мультимедиа кода. В большинстве случаев, эти команды имеют много общего с набором команд DSP-процессора: поддержка мультиопераций для быстрой фильтрации, режимов улучшенной адресации, ускорения графики, команд дискретных преобразований для алгоритмов компрессии изображений по JPEG и MPEG. Фильтрация, в частности, является традиционной функцией DSP. Времена, когда микроконтроллер только обрабатывал стек протокола управления, а отдельный DSP-процессор работал над своими задачами прошли - теперь все выполняется самим встроенным микропроцессором. Взять хотя бы сотовый телефон. Такому приложению нужны функции для обработки стека протокола и интерфейс с внешним миром, но одновременно выполняется множество операций коррекции, кодирования/декодирования голоса, а также компрессия. Традиционно, здесь применялся низкопроизводительный микроконтроллер и специализированный DSP процессор (рис. 3а), возможно, интегрированный в простой ASIC или ASSP.

Рис. 3а. Традиционный подход (микроконтроллер и специализированный DSP-процессор.
3б. Усовершенствованная схема обработки потока в рамках одного встроенного процессора.

Применение отдельного микропроцессора существенно упрощает общий дизайн системы. Схема обработка потока команд в такой системе представлена на рис. 3б. Примеры такого типа интеграции включают линии ARM Piccolo или Hitachi SH-DSP. В качестве примеров высокоуровневых встроенных процессоров можно назвать NEC V830R/AV [7] который обеспечивает программное декодирование для MPEG-2, и Hitachi SH4 [8] обеспечивающий графическую поддержку. Кроме устройств общего назначения с мультимедиа расширениями, новые высокоуровневые мультимедиа-процессоры могут применяться в системах, одновременно обрабатывающих несколько MPEG потоков во время работы с модемом. Хотя успех этих новых стратегий поддержки многопоточности не гарантирован, они, несомненно, окажут влияние на дизайн будущих процессоров.

Стандартизация через Windows CE и Java

Если настольные системы управляются лишь несколькими операционными системами, то для встроенных систем имеется целая коллекция различных платформ, предназначенных для массы разнообразных приложений. Но похоже, что сегодня мы становимся очевидцами усиления тенденций на стандартизацию и унификацию. Растущий интерес к миниатюрным и сверхминиатюрным ПК, персональным коммуникаторам, телефонии на основе Internet, приставкам для видеоигр породил спрос на стандартные операционные системы, которые могли бы унифицировать рынок встроенных процессоров, как это уже произошло на рынке персональных систем.

Компания Microsoft уже отреагировала на это, разработав ОС Windows CE (Windows Compact Edition). Компания Sun Microsystems использует этот спрос для продвижения языка Java, позволяющего создавать код для специфических систем независимо от процессорной платформы нижнего уровня. Sun также предложила специальные процессоры, для более эффективного выполнения Java, что также способствует процессу унификации. Нынешний успех Java и Windows CE во встроенных сферах применения во многом объясняется их отличными графическими пользовательскими интерфейсами. Дальнейший рост популярности этих систем будет зависеть от их способности выполнять обычные программы управления встроенными комплексами реального времени.

Менеджеры всегда стремились к тому, чтобы конструктив встроенных систем был более стандартизован и менее зависим от платформы, однако именно рынок встроенных систем был многие годы полем деятельности для инженеров, ищущих лучшее техническое решение. Поэтому сегодня стандартизация еще оказывает определяющего воздействия на дизайн и выбор платформы - лучшее техническое решение по-прежнему вытекает из требований проекта. До сегодняшнего дня встроенные микропроцессоры имели также соотношение цена/производительность, которое легко перевешивало все выгоды стандартизации. Тем не менее, инженеры понимают, что они не могут более полагаться лишь на свой собственный выбор - менеджмент будет иметь все возрастающее влияние на выбор платформы. Используя стандартизованные платформы, конструкторские бюро смогут резко уменьшить время проектирования - и это именно то, что имеет значение для менеджмента.

Рис.4 Новый взгляд на рынок 32-разрядных встроенных систем. Слева на право: традиционные применения, традиционные DSP, объединенные CPU/DSP, архитектуры с мультимедиа расширениями.

Выводы

Идеальный встроенный процессор будущего обладает высокой производительностью, выполняет DSP-программы не хуже специализированного DSP-процессора, интегрирует всю периферию, охлаждает окружающую среду подобно холодильнику и стоит всего несколько центов.

Бурлящий рынок встроенных систем породил несколько новых классов 32-разрядных встроенных контроллеров и процессоров начиная с низкоуровневого 10 мегагерцового устройства и заканчивая областью с производительностью 300 MIPS. В промежутке имеется несколько новых классов, каждый из которых связан с определенным сегментом рынка и своей областью приложений. На рис. 4 дана классификация новых 32-разрядных встроенных процессоров.

Пока еще большой вопрос, получит ли мир встроенных систем доминирующую архитектуру типа той, какой стала х86 для настольных систем - сегодня же развитие встроенных систем определяется разнообразием приложений, этого, вероятно, не случится. Но тенденция движения навстречу стандартным ОС и платформам будет исходить из требований менеджмента уменьшить стоимость разработки, увеличить возможность повторного использования технических решений и сократить время проектирования. Очень реальна возможность, что каждый сегмент рынка будет иметь свою доминирующую архитектуру и, следовательно, своего поставщика.

Литература

Чтобы смотреть вперед, обернись назад

Каждый период в истории микропроцессоров - встроенных и настольных систем - имеет свою изюминку. Чтобы оценить будущие тенденции, всегда полезно посмотреть на предыдущие периоды. Большинство встроенных систем связано с архитектурой настольных компьютеров, поэтому эволюцию встроенных процессоров нельзя рассматривать независимо.

1980-е гг. Базис для сегодняшних наиболее популярных архитектур был разработан в 80-е гг., когда появилась архитектура RISC. Архитектура была расширена, но базис остался тот же. В то время аббревиатура RISC "уменьшенный набор команд" звучала противовесом CISC - "сложный набор команд".

Начало 1990-х. гг. В течение этого периода мы видели много публикаций по супермасштабируемости, стратегиям работы с кэш-памятью, статьям с предсказаниями разных путей развития и дебатов на тему "RISC против CISC". Но случилось еще что-то - появился дизайн ASIC и получило популярность лицензирование технологии изготовления кристаллов. Становятся важными такие факторы, как потребляемая мощность, плотность кода, стратегии интеграции.

Середина 1990-х. гг. На рынке появляется все больше 32-разрядных встроенных процессоров, которые фокусируются главным образом на специализированных областях применения. Мультимедиа и DSP становятся основными объектами дискуссий, вытесняя дебаты о CISC/RISC. Мы были свидетелями первых мультимедиа расширений и слияний RISC и DSP архитектур, заполнивших нишу рынка высокоуровневых встроенных мультимедиа процессоров.

Конец 1990-х. гг. Сегодня мы видим возрожденную идею SIMD (single-instruction, multiple-data), примененную для ускорения мультимедиа приложений. Развиваются новые рынки Java и Windows CE. Предыдущие дискуссии об ASIC и о продвижении в технологии обработки сменились дебатами о суперинтеграции: вся система в одном чипе. Появление портативных приложений сделало потребляемую мощность важнейшим фактором. Производители представляют наборы микросхем для специализированных потребительских приложений.

Сегодня наиболее горячие темы для обсуждения из мира встроенных систем - это: суперинтеграция, программное обеспечение, мультимедиа и энергопотребление.