【IT168 评论】如果将上世纪70年代末单片机的出现作为嵌入式系统技术发展的起点的话，其发展历程几乎与中国社会改革开放同步，已经走过30年的历程。与Windows操作系统和Intel处理器占垄断地位的计算机平台不同的是，嵌入式系统的技术发展呈现出百家争鸣的态势，设计工程师可以针对其目标要求选择多种不同的硬件平台方案和操作系统软件。
从嵌入式处理器来看，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到日益受到广泛青睐的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式处理器，目前具有嵌入式功能特点的处理器已经逾千种，数十种常用的体系架构。广阔的市场应用前景吸引了大量的半导体公司参与竞争，其中从ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因为结合了MCU和DSP优势而近年来异军突起的汇聚式处理器，处理器速度越来越快、性能越来越强，而功耗和价格却越来越低。随着半导体技术的发展，嵌入式处理器的性能日新月异，已经广泛应用到从国防、工业、汽车到医疗设备和消费电子等几乎所有的行业和领域。
汇聚式处理器解决嵌入式设计技术挑战
尽管嵌入式设计经过数十年的发展，在核心处理器硬件平台、嵌入式操作系统和开发工具上已经有广泛的选择，然而随着市场竞争加剧、系统日益复杂化，目标应用对系统的功能、性能、成本的要求也日趋苛刻。工程师所面临的设计挑战似乎并没有随着半导体技术的发展降低，甚至日益增高，工程师在进行方案选择时必须正确评估应用面临的挑战。
处理能力要求越来越高。系统本身的复杂功能、友好的界面设计要求、各种接口和通信需求都需要占用大量的MIPS处理能力，单一的传统MCU或ASIC很多时候都难以满足系统高处理能力的需求，双芯片甚至三芯片解决方案日益增多，但随之而来的高设计复杂性、功耗和BOM(材料清单)成本让方案缺乏竞争性。此外，当前嵌入式系统设计，特别是一些新产品和功能复杂的嵌入式产品设计，要在设计周期很紧的条件下完全从零开始实现设计已经变得不现实，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的开发工具套件、必要的软件模块、成熟的参考设计、系统设计支持，以及是否有完整的设计生态系统等，对于是否能按期高质量地完成系统设计非常关键。事实上，并不是所有平台方案提供商都能提供这些支持。
标准的多样性和不确定性带来产品升级换代的顾虑。当前在各个行业都面临一些创新型应用，例如智能电表和智能视频监控等，这些应用都具有一定开创性，目前没有或尚未形成行业统一的标准，如何在保证抢占市场窗口期的先机，同时确保当前的设计满足未来变化的市场和技术需求，必须考虑方案的可扩展性和性能裕量。
低功耗的要求日益苛刻。处理器性能要求越来越高，而系统功耗要求越来越低，这几乎形成一对矛盾。然而，实际设计过程中，工程师不得不面对这种近乎矛盾的需求。随着半导体工艺技术、嵌入式处理器架构优化以及设计技术的改进，低功耗设计技术日新月异，电压、工作频率自适应调整技术、多工作模式的节能技术、数字电源管理技术，以及低功耗的最新半导体工艺技术应用层出不穷。在众多方案中选择满足设计功率预算要求的系统方案也是系统设计成功的关键因素之一。
选择具有广泛嵌入式系统支持能力的解决方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系统众多，各具优势，硬件平台方案对这些操作系统的支持能力是进行方案选型的考虑要点之一。
以MCU或ASIC为核心器件的硬件平台方案在解决上述嵌入式系统设计要求上正面临挑战，有限的处理能力通常难以满足很多应用的高处理能力需求，或者缺乏进行功能扩展和产品升级换代的设计灵活性，某些设计为了满足系统的处理能力要求而增加DSP或协处理器，从而增加系统的复杂性、功耗和成本。
结合MCU和DSP性能优势的汇聚式处理器有效解决了上述设计挑战，而Blackfin处理器是目前市面上唯一的汇聚式处理器产品。Blackfin是ADI公司基于由ADI和Intel公司联合开发的微信号架构(MSA)，它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。该架构很适合于全信号处理/分析能力，同时还可在单内核器件或双内核器件上提供高效RISC MCU控制任务执行能力。这种汇聚架构非常符合当前大多数系统需要进行数据处理、各种算法的实现、通信功能的软件实现以及对各种系统控制功能的支持。
Blackfin处理器获得电子行业广泛的青睐，具有完整的开发工具和参考设计等支持是其受广泛欢迎的重要原因之一。ADI提供业界一流的工具、初学套件与支持，包括熟知的、能够支持其他Blackfin处理器的ADI CROSSCORE®软件与硬件工具，这些工具包括获奖的VisualDSP++®集成开发与调试环境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite®评估版硬件。ADI还提供完整的参考设计，以及由本地合作伙伴开发的评估板、开发工具、算法IP、应用模块，以及由第三方合作伙伴提供包括软硬件在内的全套交钥匙方案。在嵌入式系统的支持上，Blackfin处理器可以支持目前主流的操作系统，包括uCLinux、ThreadX、Nucleus，uCOS-II等十多种嵌入式操作系统，客户完全可以根据其自身要求选择其熟悉的或更具成本效益的软件架构基础。
Blackfin处理器解决了高性能和低功耗的“矛盾”，Blackfin处理器采用了多种节能技术：基于一种选通时钟内核设计，可按照逐条指令来选择性地切断功能单元的电源;支持多种针对所需CPU动作极少期间的断电模式;Blackfin处理器支持一种自含动态电源管理电路，借助该电路即可对工作频率和电压进行独立控制，以满足正在执行的算法的性能要求;大多数Blackfin处理器都提供片上内核稳压电路，并可在低至0.8V的电压下工作。而Blackfin独特的汇聚式处理架构、90nm工艺等更是打下了其领先的低功耗处理的基础。
汇聚式处理器典型应用分析
如上所述，当前很多嵌入式设备面临标准和功能上的多样性要求，企业必须为不同的区域市场或时期设计出差异性的方案，为降低开发成本、缩短产品面市时间，方案的设计灵活性成为重要的选择要点。此外，系统的数据处理能力要求越来越高，同时还必须具有控制功能，单独的MCU或DSP解决方案难以满足系统要求。MCU+DSP或ASIC+DSP的双芯片方案受成本、功耗等因素制约，难以满足系统设计需求。结合MCU控制功能和DSP数据处理能力优势的Blackfin系列汇聚式处理器由于其卓越的性能和完善的支持获得嵌入式应用的广泛欢迎，本文将分析在电力、安防、医疗和工业领域的几个最新应用实例。
电力应用——智能电表
电力计量技术全球领导企业西门子年初宣布在其推出的最新自动抄表信息系统(AMIS)的智能电表核心引擎利用了Blackfin处理器。西门子AMIS系统覆盖整个电力系统，包括从电厂到用户端。作为用户计量终端的智能电表计量用户用电量，并对电网进行监测，将数据发送至控制中心。该系统使用电力线进行通信，避免了其他方案所用的无线通信和互联网通信所增加的成本。采用Blackfin处理器使系统具有较好的扩展灵活性，对未来的其他可能的标准保持开放(包括对其他通信媒介的支持)，通过简单的在线软件下载升级即可实现新的标准。
在AMIS设计初期，西门子公司就认识到要实现上述功能特性目标，这些智能电表就需要以较低的单价提供非凡的表内处理能力、动态和电网一体化通信以及真正的可扩展性。西门子公司选择了Blackfin汇聚处理器，就是因为该处理器具有同时作为DSP和MCU进行无缝工作的能力，Blackfin处理器负责计算用户用电情况，并执行电力线调制解调器功能，通过电力线集中器进行高效双向通信，特别适合西门子AMIS的高密度处理和动态通信应用要求。低成本的Blackfin处理器具有处理仪表级原始实时用电数据以及实现仪表和电网之间通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解决方案。
AMIS系统的智能电表采用了ADI公司的Blackfin入门级ADSP BF531，该款器件具有成本低、易于使用、性能强大的特点：在价格上，该汇聚处理器强大的处理能力和丰富的外设可以实现甚至比通用MCU+PLC(电力线载波)通信专用芯片方案更低的BOM成本，并且集成化的解决方案在实现小尺寸、低成本的同时还保证更高的可靠性;400MHz/800MMAC的强大性能保证单芯片即可高性能实现数据处理、通信协议、各种专用算法，并具有极强的扩展性，单套方案即可轻松满足各种不同应用条件要求，而且可以实现在线升级功能，对于不断发展的全球电力市场来说，这一点非常重要。低成本、高性能和可扩展的Blackfin技术使AMIS智能电表适合跨地区和针对多个标准的快速部署。目前，西门子智能电表已经在澳大利亚及意大利等国家获得规模应用。
安防应用——视频监控
随着数字视频监控技术的不断成熟和政府对平安城市建设等相关产业的投资拉动，数字视频监控应用近年来成为快速增长的市场。随着监控设备的价格门槛越来越低，特别是无线IP视频的规模化应用，未来监控系统将逐步扩展到各行各业乃至千家万户。
当前的数字视频监控应用的要求与传统的模拟产品有很大的差异性，包括传输介质(IP及无线网络)、高分辨率(D1(704×576)及以上)、多标准，等等。因此对方案的要求更高，包括方案的可扩展性、处理能力高、低功耗等。以Blackfin处理器为代表的汇聚式架构结合了MCU和DSP的性能优势，很好地满足了这类应用要求。合肥优视嵌入式技术有限责任公司的BVWVS2007 3G无线视频监控方案就采用了性能强大的双内核Blackfin BF561处理器。
BF561目前已经成为包括无线IP视频监控等中高端应用的广泛选择。BF561具有两个高性能DSP内核、灵活的高速缓存架构，以及增强的DMA子系统，适合执行复杂的控制和信号处理任务，同时保持高数据吞吐率。此外，Blackfin处理器的动态电源管理能力显著降低了整体功耗——这对采用BVWVS2007方案的电池供电产品来说非常重要。BF561处理器使合肥优视的BVWVS2007方案实现了可变分辨率及目标跟踪等高级特性，同时由于高性能及高集成度，在BOM成本上也极具吸引力。在该方案中，BF561的双内核分别用于实现运行uClinux嵌入式操作系统、用户交互控制和视频编码算法等，该方案在CIF分辨率下利用H.264编码实现了两路视频压缩编码，实现了双码流，一路低码流用于无线视频传输，另一路高码流则本地存储到SD卡/NAND/SATA硬盘，充分发挥了该处理器的双核性能优势。在无线视频监控这样典型的窄带传输应用系统中，Blackfin的H.264 编码器在30~100kbps的低码流下所表现出来的优异的图像压缩效果，是目前最核心的竞争力。
医疗设备——便携式房颤监测仪
Lechnologies公司开发了一种便携式房颤监测仪——AfibAlert。病人可以用拇指按住设备上的电极，或者通过所提供的电线和腕电极进行信号采集分析。这个监测仪使用起来非常简便，它不需要病人去做复杂的数据分析，当有必要将数据发送给医生进行分析的时候，会给出红灯提示。每次检测完毕后，病人可通过USB接口将AfibAlert与PC连接，将数据上传到AfibAlert网站的可靠存储区，然后通知医师数据已准备好。更简单一点，还可以通过标准电话线传输，只需把监视器接上电话机，按下传输按钮，就可以直接将数据传给医生或专门的接收中心。通过USB连接，还可用对AfibAlert的软件升级，从而使心率数据的分析算法得以更新。
AfibAlert能实现这些创造性的功能和性能，是基于Blackfin BF533处理器来实现对LCD控制器、LED输出、音频信号生成、闪存以及高品质ADC的控制。同时，它还是信号处理器，它从微控制器的外围设备接收数据，应用数字滤波器以及数学和统计学分析，提供给患者反馈分析结果。BF533替代了之前同时需要一个独立DSP和一个微型控制器的方案。Blackfin极低的功耗还意味着患者只需给他们的AfibAlert六个月更换一次AAA电池。Blackfin处理器帮助Lechnologies公司为心脏病患者提供了这款经久耐用、体积小、重量轻，使用方便的监测仪。Blackfin还接收来自于微控制器外设的数据，并使用数字过滤及数学和统计数据分析来向病患提供反馈信息。并且，Blackfin的可扩展性让Lechnologies能够轻松地升级AfibAlert用来分析病患心脏数据的软件算法。
工业应用——3DLevelScanner
位于以色列特拉维夫的APM公司最近发布了3DLevelScanner产品，为需要进行各种曲面、体积测量的公司在测量精度和设备可用性方面带来了革命性的提高。通过采用三维水平面测量和映射方法，APM公司的创新型设备不仅能够以图形方式表示更精确的水平面测量，而且还在结果中加入了体积测量。为了将这种新的精度和性能水平引入市场，APM公司在早期的开发过程中就选择了ADI公司的Blackfin BF534作为其设备的核心处理器，这是因为该处理器具备出色的处理性能、非常好的的信号处理能力，兼具低功耗和低成本优势。
500MHz的BF534是一款经济型器件，该器件的目标应用为要求严苛的实时仪器应用。APM公司已将可编程Blackfin的高速采样率和高容量存储器用于真正的实时分析。该处理器的增强型DMA控制器可简化APM的高复杂性算法的计算以及多通道模数采样和数模发送。采用Blackfin，该设备将平均功耗控制在1W左右，从而符合重要的工业低功耗标准。其它工业标准，例如Modbus、HART和RS485等，也可采用Blackfin的接口轻松实现。
汇聚式处理器是嵌入式技术发展的重要方向
几年以前，在很多应用领域中难觅数字信号处理器的踪迹，随着汇聚式处理器为众多专业人士青睐，它们正广泛应用于越来越多的复杂系统中。除了数字视频监控、音频系统、工业、医疗设备等应用以外，Blackfin处理器已经开始进入中国及全球的铁路和地铁市场，很好地契合铁路、地铁的信号和机车控制等应用。
ADI不断地根据用户的需求推出具有各种独特特性的汇聚式处理器系列产品：在2008年秋季推出的Blackfin BF51x系列处理器注重于减少系统级的成本、功耗、复杂性和上市时间，现已在VoIP、便携测试设备、嵌入式modem、生物特征识别和电机控制等领域吸引了众多的客户;早期产品BF53x系列不仅具有Blackfin处理器的独特汇聚式架构特点、高处理能力、低功耗等优势，还真正满足了低成本应用的需求，目前在一些成本敏感的嵌入式应用中占据较大的市场优势;BF561具有独特的双内核架构以及高达600MHz的工作频率，满足了像智能视频分析应用的高处理能力需求，已经成为该领域的主导产品;BF51x、BF52x系列Blackfin处理器集成了ADI独特的LockboxTM技术，通过软硬件方式确保您的知识产权安全性;……
Blackfin处理器不仅成为ADI的核心数字处理器产品之一，更对全球在包括安防、工业、医疗等诸多行业的技术发展发挥极其重要的作用。ADI未来将持续通过最新的半导体制造工艺技术、更深的流水线、多内核、每个核心更多的计算单元，以及充分利用信号处理加速引擎，继续提高Blackfin系列的性能，增强它们在性价比和单位毫瓦性能方面的领先地位。ADI将把市场目标放在汽车、消费、工业市场和广阔的通用DSP客户群上。ADI今后将通过Blackfin等核心处理器的开发，寻求并延续自己在低功耗高性能方面的领先地位。
在提供本地化支持和第三方合作方面，ADI在上海的研发团队开发基于Blackfin处理器的Linux内核、驱动程序和代码库，并为客户提供支持。ADI与国内的亿旗创新、英蓓特、迪码等第三方的合作包括开发板和仿真器，让高质量的本地工具和ADI世界级的工具链组成高效易用的开发工具，同时向用户提供各种应用参考设计，帮助用户实现成功的设计和缩短产品上市时间。
为加强对工程师的技术支持力度，ADI公司最近推出了“EngineerZone”DSP技术支持论坛(ez.analog.com)。该论坛由ADI公司具有丰富工程应用经验的DSP技术支持工程师负责管理，包含了大量有关嵌入式处理器和DSP的信息。工程师们可以在该论坛查找常见问答和技术问答，为您在设计中遇到的问题迅速找到答案。另外，您还可以在该论坛上与碰到类似设计挑战的其他DSP开发者建立联系。
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