如果將上世紀70年代末單片機的出現(xiàn)作為嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的起點的話，其發(fā)展歷程幾乎與中國社會改革開放同步，已經(jīng)走過30年的歷程。與Windows操作系統(tǒng)和Intel處理器占壟斷地位的計算機平臺不同的是，嵌入式系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出百家爭鳴的態(tài)勢，設(shè)計工程師可以針對其目標要求選擇多種不同的硬件平臺方案和操作系統(tǒng)軟件。

　　從嵌入式處理器來看，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機，到日益受到廣泛青睞的32位MCU，以及更高性能的64位嵌入式處理器，目前具有嵌入式功能特點的處理器已經(jīng)逾千種，數(shù)十種常用的體系架構(gòu)。廣闊的市場應(yīng)用前景吸引了大量的半導(dǎo)體公司參與競爭，其中從ASIC、MCU、DSP到FPGA以及因為結(jié)合了MCU和DSP優(yōu)勢而近年來異軍突起的匯聚式處理器，處理器速度越來越快、性能越來越強，而功耗和價格卻越來越低。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器的性能日新月異，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到從國防、工業(yè)、汽車到醫(yī)療設(shè)備和消費電子等幾乎所有的行業(yè)和領(lǐng)域。

　　匯聚式處理器解決嵌入式設(shè)計技術(shù)挑戰(zhàn)

　　盡管嵌入式設(shè)計經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，在核心處理器硬件平臺、嵌入式操作系統(tǒng)和開發(fā)工具上已經(jīng)有廣泛的選擇，然而隨著市場競爭加劇、系統(tǒng)日益復(fù)雜化，目標應(yīng)用對系統(tǒng)的功能、性能、成本的要求也日趨苛刻。工程師所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)似乎并沒有隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展降低，甚至日益增高，工程師在進行方案選擇時必須正確評估應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)。

　　處理能力要求越來越高。系統(tǒng)本身的復(fù)雜功能、友好的界面設(shè)計要求、各種接口和通信需求都需要占用大量的MIPS處理能力，單一的傳統(tǒng)MCU或ASIC很多時候都難以滿足系統(tǒng)高處理能力的需求，雙芯片甚至三芯片解決方案日益增多，但隨之而來的高設(shè)計復(fù)雜性、功耗和BOM(材料清單)成本讓方案缺乏競爭性。此外，當前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，特別是一些新產(chǎn)品和功能復(fù)雜的嵌入式產(chǎn)品設(shè)計，要在設(shè)計周期很緊的條件下完全從零開始實現(xiàn)設(shè)計已經(jīng)變得不現(xiàn)實，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的開發(fā)工具套件、必要的軟件模塊、成熟的參考設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計支持，以及是否有完整的設(shè)計生態(tài)系統(tǒng)等，對于是否能按期高質(zhì)量地完成系統(tǒng)設(shè)計非常關(guān)鍵。事實上，并不是所有平臺方案提供商都能提供這些支持。

　　標準的多樣性和不確定性帶來產(chǎn)品升級換代的顧慮。當前在各個行業(yè)都面臨一些創(chuàng)新型應(yīng)用，例如智能電表和智能視頻監(jiān)控等，這些應(yīng)用都具有一定開創(chuàng)性，目前沒有或尚未形成行業(yè)統(tǒng)一的標準，如何在保證搶占市場窗口期的先機，同時確保當前的設(shè)計滿足未來變化的市場和技術(shù)需求，必須考慮方案的可擴展性和性能裕量。

　　低功耗的要求日益苛刻。處理器性能要求越來越高，而系統(tǒng)功耗要求越來越低，這幾乎形成一對矛盾。然而，實際設(shè)計過程中，工程師不得不面對這種近乎矛盾的需求。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)、嵌入式處理器架構(gòu)優(yōu)化以及設(shè)計技術(shù)的改進，低功耗設(shè)計技術(shù)日新月異，電壓、工作頻率自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)、多工作模式的節(jié)能技術(shù)、數(shù)字電源管理技術(shù)，以及低功耗的最新半導(dǎo)體工藝技術(shù)應(yīng)用層出不窮。在眾多方案中選擇滿足設(shè)計功率預(yù)算要求的系統(tǒng)方案也是系統(tǒng)設(shè)計成功的關(guān)鍵因素之一。

　　選擇具有廣泛嵌入式系統(tǒng)支持能力的解決方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系統(tǒng)眾多，各具優(yōu)勢，硬件平臺方案對這些操作系統(tǒng)的支持能力是進行方案選型的考慮要點之一。

　　以MCU或ASIC為核心器件的硬件平臺方案在解決上述嵌入式系統(tǒng)設(shè)計要求上正面臨挑戰(zhàn)，有限的處理能力通常難以滿足很多應(yīng)用的高處理能力需求，或者缺乏進行功能擴展和產(chǎn)品升級換代的設(shè)計靈活性，某些設(shè)計為了滿足系統(tǒng)的處理能力要求而增加DSP或協(xié)處理器，從而增加系統(tǒng)的復(fù)雜性、功耗和成本。

　　結(jié)合MCU和DSP性能優(yōu)勢的匯聚式處理器有效解決了上述設(shè)計挑戰(zhàn)，而Blackfin處理器是目前市面上唯一的匯聚式處理器產(chǎn)品。Blackfin是ADI公司基于由ADI和Intel公司聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)(MSA)，它將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。該架構(gòu)很適合于全信號處理/分析能力，同時還可在單內(nèi)核器件或雙內(nèi)核器件上提供高效RISC MCU控制任務(wù)執(zhí)行能力。這種匯聚架構(gòu)非常符合當前大多數(shù)系統(tǒng)需要進行數(shù)據(jù)處理、各種算法的實現(xiàn)、通信功能的軟件實現(xiàn)以及對各種系統(tǒng)控制功能的支持。

    Blackfin處理器獲得電子行業(yè)廣泛的青睞，具有完整的開發(fā)工具和參考設(shè)計等支持是其受廣泛歡迎的重要原因之一。ADI提供業(yè)界一流的工具、初學(xué)套件與支持，包括熟知的、能夠支持其他Blackfin處理器的ADI CROSSCORE®軟件與硬件工具，這些工具包括獲獎的VisualDSP++®集成開發(fā)與調(diào)試環(huán)境(IDDE)、仿真器，以及EZ-KIT Lite®評估版硬件。ADI還提供完整的參考設(shè)計，以及由本地合作伙伴開發(fā)的評估板、開發(fā)工具、算法IP、應(yīng)用模塊，以及由第三方合作伙伴提供包括軟硬件在內(nèi)的全套交鑰匙方案。在嵌入式系統(tǒng)的支持上，Blackfin處理器可以支持目前主流的操作系統(tǒng)，包括uCLinux、ThreadX、Nucleus，uCOS-II等十多種嵌入式操作系統(tǒng)，客戶完全可以根據(jù)其自身要求選擇其熟悉的或更具成本效益的軟件架構(gòu)基礎(chǔ)。

　　Blackfin處理器解決了高性能和低功耗的“矛盾”，Blackfin處理器采用了多種節(jié)能技術(shù)：基于一種選通時鐘內(nèi)核設(shè)計，可按照逐條指令來選擇性地切斷功能單元的電源;支持多種針對所需CPU動作極少期間的斷電模式;Blackfin處理器支持一種自含動態(tài)電源管理電路，借助該電路即可對工作頻率和電壓進行獨立控制，以滿足正在執(zhí)行的算法的性能要求;大多數(shù)Blackfin處理器都提供片上內(nèi)核穩(wěn)壓電路，并可在低至0.8V的電壓下工作。而Blackfin獨特的匯聚式處理架構(gòu)、90nm工藝等更是打下了其領(lǐng)先的低功耗處理的基礎(chǔ)。

　　匯聚式處理器典型應(yīng)用分析

　　如上所述，當前很多嵌入式設(shè)備面臨標準和功能上的多樣性要求，企業(yè)必須為不同的區(qū)域市場或時期設(shè)計出差異性的方案，為降低開發(fā)成本、縮短產(chǎn)品面市時間，方案的設(shè)計靈活性成為重要的選擇要點。此外，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力要求越來越高，同時還必須具有控制功能，單獨的MCU或DSP解決方案難以滿足系統(tǒng)要求。MCU+DSP或ASIC+DSP的雙芯片方案受成本、功耗等因素制約，難以滿足系統(tǒng)設(shè)計需求。結(jié)合MCU控制功能和DSP數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)勢的Blackfin系列匯聚式處理器由于其卓越的性能和完善的支持獲得嵌入式應(yīng)用的廣泛歡迎，本文將分析在電力、安防、醫(yī)療和工業(yè)領(lǐng)域的幾個最新應(yīng)用實例。

　　電力應(yīng)用——智能電表

　　電力計量技術(shù)全球領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)西門子年初宣布在其推出的最新自動抄表信息系統(tǒng)(AMIS)的智能電表核心引擎利用了Blackfin處理器。西門子AMIS系統(tǒng)覆蓋整個電力系統(tǒng)，包括從電廠到用戶端。作為用戶計量終端的智能電表計量用戶用電量，并對電網(wǎng)進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心。該系統(tǒng)使用電力線進行通信，避免了其他方案所用的無線通信和互聯(lián)網(wǎng)通信所增加的成本。采用Blackfin處理器使系統(tǒng)具有極佳的擴展靈活性，對未來的其他可能的標準保持開放(包括對其他通信媒介的支持)，通過簡單的在線軟件下載升級即可實現(xiàn)新的標準。

　　在AMIS設(shè)計初期，西門子公司就認識到要實現(xiàn)上述功能特性目標，這些智能電表就需要以較低的單價提供非凡的表內(nèi)處理能力、動態(tài)和電網(wǎng)一體化通信以及真正的可擴展性。西門子公司選擇了Blackfin匯聚處理器，就是因為該處理器具有同時作為DSP和MCU進行無縫工作的能力，Blackfin處理器負責(zé)計算用戶用電情況，并執(zhí)行電力線調(diào)制解調(diào)器功能，通過電力線集中器進行高效雙向通信，特別適合西門子AMIS的高密度處理和動態(tài)通信應(yīng)用要求。低成本的Blackfin處理器具有處理儀表級原始實時用電數(shù)據(jù)以及實現(xiàn)儀表和電網(wǎng)之間通信的能力，可提供一站式、低成本、易于配置的解決方案。

    AMIS系統(tǒng)的智能電表采用了ADI公司的Blackfin入門級ADSP BF531，該款器件具有成本低、易于使用、性能強大的特點：在價格上，該匯聚處理器強大的處理能力和豐富的外設(shè)可以實現(xiàn)甚至比通用MCU+PLC(電力線載波)通信專用芯片方案更低的BOM成本，并且集成化的解決方案在實現(xiàn)小尺寸、低成本的同時還保證更高的可靠性;400MHz/800MMAC的強大性能保證單芯片即可高性能實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、通信協(xié)議、各種專用算法，并具有極強的擴展性，單套方案即可輕松滿足各種不同應(yīng)用條件要求，而且可以實現(xiàn)在線升級功能，對于不斷發(fā)展的全球電力市場來說，這一點非常重要。低成本、高性能和可擴展的Blackfin技術(shù)使AMIS智能電表適合跨地區(qū)和針對多個標準的快速部署。目前，西門子智能電表已經(jīng)在澳大利亞及意大利等國家獲得規(guī)模應(yīng)用。

　　安防應(yīng)用——視頻監(jiān)控

　　隨著數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)的不斷成熟和政府對平安城市建設(shè)等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的投資拉動，數(shù)字視頻監(jiān)控應(yīng)用近年來成為快速增長的市場。隨著監(jiān)控設(shè)備的價格門檻越來越低，特別是無線IP視頻的規(guī)?；瘧?yīng)用，未來監(jiān)控系統(tǒng)將逐步擴展到各行各業(yè)乃至千家萬戶。

　　當前的數(shù)字視頻監(jiān)控應(yīng)用的要求與傳統(tǒng)的模擬產(chǎn)品有很大的差異性，包括傳輸介質(zhì)(IP及無線網(wǎng)絡(luò))、高分辨率(D1(704×576)及以上)、多標準，等等。因此對方案的要求更高，包括方案的可擴展性、處理能力高、低功耗等。以Blackfin處理器為代表的匯聚式架構(gòu)結(jié)合了MCU和DSP的性能優(yōu)勢，很好地滿足了這類應(yīng)用要求。合肥優(yōu)視嵌入式技術(shù)有限責(zé)任公司的BVWVS2007 3G無線視頻監(jiān)控方案就采用了性能強大的雙內(nèi)核Blackfin BF561處理器。

　　BF561目前已經(jīng)成為包括無線IP視頻監(jiān)控等中高端應(yīng)用的廣泛選擇。BF561具有兩個高性能DSP內(nèi)核、靈活的高速緩存架構(gòu)，以及增強的DMA子系統(tǒng)，適合執(zhí)行復(fù)雜的控制和信號處理任務(wù)，同時保持高數(shù)據(jù)吞吐率。此外，Blackfin處理器的動態(tài)電源管理能力顯著降低了整體功耗——這對采用BVWVS2007方案的電池供電產(chǎn)品來說非常重要。BF561處理器使合肥優(yōu)視的BVWVS2007方案實現(xiàn)了可變分辨率及目標跟蹤等高級特性，同時由于高性能及高集成度，在BOM成本上也極具吸引力。在該方案中，BF561的雙內(nèi)核分別用于實現(xiàn)運行uClinux嵌入式操作系統(tǒng)、用戶交互控制和視頻編碼算法等，該方案在CIF分辨率下利用H.264編碼實現(xiàn)了兩路視頻壓縮編碼，實現(xiàn)了雙碼流，一路低碼流用于無線視頻傳輸，另一路高碼流則本地存儲到SD卡/NAND/SATA硬盤，充分發(fā)揮了該處理器的雙核性能優(yōu)勢。在無線視頻監(jiān)控這樣典型的窄帶傳輸應(yīng)用系統(tǒng)中，Blackfin的H.264 編碼器在30~100kbps的低碼流下所表現(xiàn)出來的優(yōu)異的圖像壓縮效果，是目前最核心的競爭力。

    醫(yī)療設(shè)備——便攜式房顫監(jiān)測儀

　　Lechnologies公司開發(fā)了一種便攜式房顫監(jiān)測儀——AfibAlert。病人可以用拇指按住設(shè)備上的電極，或者通過所提供的電線和腕電極進行信號采集分析。這個監(jiān)測儀使用起來非常簡便，它不需要病人去做復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，當有必要將數(shù)據(jù)發(fā)送給醫(yī)生進行分析的時候，會給出紅燈提示。每次檢測完畢后，病人可通過USB接口將AfibAlert與PC連接，將數(shù)據(jù)上傳到AfibAlert網(wǎng)站的可靠存儲區(qū)，然后通知醫(yī)師數(shù)據(jù)已準備好。更簡單一點，還可以通過標準電話線傳輸，只需把監(jiān)視器接上電話機，按下傳輸按鈕，就可以直接將數(shù)據(jù)傳給醫(yī)生或?qū)ｉT的接收中心。通過USB連接，還可用對AfibAlert的軟件升級，從而使心率數(shù)據(jù)的分析算法得以更新。

　　AfibAlert能實現(xiàn)這些創(chuàng)造性的功能和性能，是基于Blackfin BF533處理器來實現(xiàn)對LCD控制器、LED輸出、音頻信號生成、閃存以及高品質(zhì)ADC的控制。同時，它還是信號處理器，它從微控制器的外圍設(shè)備接收數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)字濾波器以及數(shù)學(xué)和統(tǒng)計學(xué)分析，提供給患者反饋分析結(jié)果。BF533替代了之前同時需要一個獨立DSP和一個微型控制器的方案。Blackfin極低的功耗還意味著患者只需給他們的AfibAlert六個月更換一次AAA電池。Blackfin處理器幫助Lechnologies公司為心臟病患者提供了這款經(jīng)久耐用、體積小、重量輕，使用方便的監(jiān)測儀。Blackfin還接收來自于微控制器外設(shè)的數(shù)據(jù)，并使用數(shù)字過濾及數(shù)學(xué)和統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析來向病患提供反饋信息。并且，Blackfin的可擴展性讓Lechnologies能夠輕松地升級AfibAlert用來分析病患心臟數(shù)據(jù)的軟件算法。

　　工業(yè)應(yīng)用——3DLevelScanner

　　位于以色列特拉維夫的APM公司最近發(fā)布了3DLevelScanner產(chǎn)品，為需要進行各種曲面、體積測量的公司在測量精度和設(shè)備可用性方面帶來了革命性的提高。通過采用三維水平面測量和映射方法，APM公司的創(chuàng)新型設(shè)備不僅能夠以圖形方式表示更精確的水平面測量，而且還在結(jié)果中加入了體積測量。為了將這種新的精度和性能水平引入市場，APM公司在早期的開發(fā)過程中就選擇了ADI公司的Blackfin BF534作為其設(shè)備的核心處理器，這是因為該處理器具備出色的處理性能、最佳的信號處理能力，兼具低功耗和低成本優(yōu)勢。

    500MHz的BF534是一款經(jīng)濟型器件，該器件的目標應(yīng)用為要求嚴苛的實時儀器應(yīng)用。APM公司已將可編程Blackfin的高速采樣率和高容量存儲器用于真正的實時分析。該處理器的增強型DMA控制器可簡化APM的高復(fù)雜性算法的計算以及多通道模數(shù)采樣和數(shù)模發(fā)送。采用Blackfin，該設(shè)備將平均功耗控制在1W左右，從而符合重要的工業(yè)低功耗標準。其它工業(yè)標準，例如Modbus、HART和RS485等，也可采用Blackfin的接口輕松實現(xiàn)。

　　匯聚式處理器是嵌入式技術(shù)發(fā)展的重要方向

　　幾年以前，在很多應(yīng)用領(lǐng)域中難覓數(shù)字信號處理器的蹤跡，隨著匯聚式處理器為眾多專業(yè)人士青睞，它們正廣泛應(yīng)用于越來越多的復(fù)雜系統(tǒng)中。除了數(shù)字視頻監(jiān)控、音頻系統(tǒng)、工業(yè)、醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用以外，Blackfin處理器已經(jīng)開始進入中國及全球的鐵路和地鐵市場，很好地契合鐵路、地鐵的信號和機車控制等應(yīng)用。

　　ADI不斷地根據(jù)用戶的需求推出具有各種獨特特性的匯聚式處理器系列產(chǎn)品：在2008年秋季推出的Blackfin BF51x系列處理器注重于減少系統(tǒng)級的成本、功耗、復(fù)雜性和上市時間，現(xiàn)已在VoIP、便攜測試設(shè)備、嵌入式modem、生物特征識別和電機控制等領(lǐng)域吸引了眾多的客戶;早期產(chǎn)品BF53x系列不僅具有Blackfin處理器的獨特匯聚式架構(gòu)特點、高處理能力、低功耗等優(yōu)勢，還真正滿足了低成本應(yīng)用的需求，目前在一些成本敏感的嵌入式應(yīng)用中占據(jù)較大的市場優(yōu)勢;BF561具有獨特的雙內(nèi)核架構(gòu)以及高達600MHz的工作頻率，滿足了像智能視頻分析應(yīng)用的高處理能力需求，已經(jīng)成為該領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品;BF51x、BF52x系列Blackfin處理器集成了ADI獨特的LockboxTM技術(shù)，通過軟硬件方式確保您的知識產(chǎn)權(quán)安全性;……

　　Blackfin處理器不僅成為ADI的核心數(shù)字處理器產(chǎn)品之一，更對全球在包括安防、工業(yè)、醫(yī)療等諸多行業(yè)的技術(shù)發(fā)展發(fā)揮極其重要的作用。ADI未來將持續(xù)通過最新的半導(dǎo)體制造工藝技術(shù)、更深的流水線、多內(nèi)核、每個核心更多的計算單元，以及充分利用信號處理加速引擎，繼續(xù)提高Blackfin系列的性能，增強它們在性價比和單位毫瓦性能方面的領(lǐng)先地位。ADI將把市場目標放在汽車、消費、工業(yè)市場和廣闊的通用DSP客戶群上。ADI今后將通過Blackfin等核心處理器的開發(fā)，尋求并延續(xù)自己在低功耗高性能方面的領(lǐng)先地位。

　　在提供本地化支持和第三方合作方面，ADI在上海的研發(fā)團隊開發(fā)基于Blackfin處理器的Linux內(nèi)核、驅(qū)動程序和代碼庫，并為客戶提供支持。ADI與國內(nèi)的億旗創(chuàng)新、英蓓特、迪碼等第三方的合作包括開發(fā)板和仿真器，讓高質(zhì)量的本地工具和ADI世界級的工具鏈組成高效易用的開發(fā)工具，同時向用戶提供各種應(yīng)用參考設(shè)計，幫助用戶實現(xiàn)成功的設(shè)計和縮短產(chǎn)品上市時間。

　　為加強對工程師的技術(shù)支持力度，ADI公司最近推出了“EngineerZone”DSP技術(shù)支持論壇(ez.analog.com)。該論壇由ADI公司具有豐富工程應(yīng)用經(jīng)驗的DSP技術(shù)支持工程師負責(zé)管理，包含了大量有關(guān)嵌入式處理器和DSP的信息。工程師們可以在該論壇查找常見問答和技術(shù)問答，為您在設(shè)計中遇到的問題迅速找到答案。另外，您還可以在該論壇上與碰到類似設(shè)計挑戰(zhàn)的其他DSP開發(fā)者建立聯(lián)系。