基于ARM雙內(nèi)核的平臺化網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品設(shè)計

新興的無線連接技術(shù)促使更多產(chǎn)品向新一代商務(wù)及家庭網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方向發(fā)展。因此，網(wǎng)絡(luò)市場中的用戶終端設(shè)備（CPE：customer premises equipment）部分，也正朝著消費(fèi)市場的狀態(tài)轉(zhuǎn)變。
　　 CPE產(chǎn)品的成功，需要由一個設(shè)計平臺及靈活的產(chǎn)品開發(fā)流程來支撐，以滿足各種新興網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的性能需求，加快研發(fā)進(jìn)程，最終提供經(jīng)濟(jì)而節(jié)能的終端產(chǎn)品。


圖1網(wǎng)絡(luò)市場中設(shè)備數(shù)量分布
　　技術(shù)發(fā)展動力
　　對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備而言，日益增長的帶寬需求是最為顯著的技術(shù)發(fā)展動力。曾有人指出帶寬正以類似于摩爾定律的方式增長，如：客戶端的帶寬每18-24個月增加一倍，而核心/光纖帶寬約每8月增長一倍[2]。

　　然而，日益增長的帶寬需求并不是唯一促進(jìn)技術(shù)發(fā)展的原因。對CPE的功能及智能性需求的增長也是另一種驅(qū)動因素，因此，單單采用更大更快的處理器并不是最為有效的方案。
　　更多功能的集成、增強(qiáng)的安全性和多種協(xié)議的發(fā)展等都將使CPE產(chǎn)品越來越復(fù)雜。不同協(xié)議的交換處理是眾多CPE應(yīng)用產(chǎn)品的普遍需求。如：無線局域網(wǎng)接口設(shè)備中的核心功能是在以太網(wǎng)和多種IEEE802.11接口標(biāo)準(zhǔn)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。產(chǎn)品需求中可能會需要接口設(shè)備能夠提供多種接入點，以支持管理多種格式數(shù)據(jù)流的需求。
　　即使網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品不是便攜式的，低功耗也非常重要。低功耗設(shè)計可以降低對外殼及印刷電路板（PCB）制造的限制，也無需電扇散熱。除去了這些問題，設(shè)計的可靠也將大大提高。


圖2將各類產(chǎn)品集中使用的思路促使應(yīng)用產(chǎn)品往集成化方向發(fā)展

　　為了達(dá)到優(yōu)良的實時性能，處理器應(yīng)能有效地管理中斷，并同時具備足夠的數(shù)據(jù)處理能力。上下文的切換也是關(guān)鍵的需求，具有在中斷服務(wù)程序和任務(wù)模式編碼之間有效切換的能力會帶來更佳的性能。當(dāng)然，還應(yīng)盡量減少中斷服務(wù)和進(jìn)行上下文切換的延時。
　　這類產(chǎn)品中的存儲器管理是個需要仔細(xì)考慮的問題。完全的嵌入式系統(tǒng)通常運(yùn)行在固定的程序集中，無需加入新的程序。這樣的應(yīng)用產(chǎn)品并不需要帶有地址轉(zhuǎn)換的完整存儲器管理單元（MMU）。更簡單的存儲器保護(hù)單元（MPU）通?？梢愿咝У剡\(yùn)行實時操作系統(tǒng)（RTOS），允許多程序運(yùn)行，進(jìn)行上下文切換時開銷更少。含有 MMU的內(nèi)核進(jìn)行中斷服務(wù)時可能比基于MPU的內(nèi)核要低效一些，同時還需要為地址轉(zhuǎn)換設(shè)置更大的外部存儲器。
　　 CPE產(chǎn)品正朝著家用消費(fèi)品市場進(jìn)軍。目前，市場競爭激烈，終端設(shè)備的價格便成為主要的競爭優(yōu)勢。同樣地，縮短產(chǎn)品上市時間，也是提高市場占有率的重要優(yōu)勢?？椭苹K端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將真正縮短推出系列產(chǎn)品的上市時間。市場需要一種既能節(jié)約開發(fā)費(fèi)用，又能縮短研發(fā)時間，并且能簡便地開發(fā)系列產(chǎn)品的技術(shù)方案。
　　無論從商務(wù)或技術(shù)角度出發(fā)考察一個片上系統(tǒng)，都需要處理器方案能滿足多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)中的特殊控制和信號處理需求。設(shè)計的技術(shù)需求表明，若處理器性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實際需求，即設(shè)計了太多不需要的功能，意味著將無端地增加產(chǎn)品成本；但一定的性能冗余和靈活性可以支持產(chǎn)品的后續(xù)發(fā)展，而無需進(jìn)行更本性的重新設(shè)計。
　　總結(jié)上述兩個驅(qū)動因素，開發(fā)人員應(yīng)能夠從技術(shù)和商業(yè)兩方面來衡量實現(xiàn)一個具體設(shè)備。
　　ARM在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的應(yīng)用
　　為了增加帶寬并擁有更復(fù)雜的協(xié)議數(shù)據(jù)交換能力，許多設(shè)計人員正考慮在設(shè)計中使用雙核。
　　CPE系統(tǒng)需要滿足多重的復(fù)雜控制需求。許多系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建立于單內(nèi)核基礎(chǔ)上，管理高級別的功能，如進(jìn)行系統(tǒng)配置操作和運(yùn)行實時操作系統(tǒng)，而后與專用的狀態(tài)機(jī)集成，進(jìn)行如數(shù)據(jù)包處理等操作。然而，這樣做使得設(shè)計和調(diào)試非常復(fù)雜，特別是設(shè)計含有多重私有狀態(tài)機(jī)時。
　　嵌入式軟件技術(shù)方案相較于復(fù)雜的私有硬件技術(shù)方案更易維護(hù)和推廣運(yùn)用。嵌入式軟件技術(shù)方案能使用高級語言進(jìn)行編程，使用眾所周知的程序員模式，并擁有大量具有豐富經(jīng)驗的工程師作為后盾。
　　ASIC的集成度已經(jīng)非常高，因而，CPU內(nèi)核的面積非常小。用第二個或第三個處理器來代替以往用多重的獨立硬件模塊顯得更加經(jīng)濟(jì)和實際。
　　在此種趨勢的推動下，ARM推出了集成了雙ARM946E-S微處理器內(nèi)核的PrimeXsys雙內(nèi)核平臺（946DCP）。
　　ARM946E-S特點
　　ARM946E-S內(nèi)含有ARM9E-S?內(nèi)核，為運(yùn)行實時操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品提供指令（I）、數(shù)據(jù)（D）高速緩存、緊密耦合存儲器（TCM）、寫緩沖器、存儲器保護(hù)單元（MPU）。指令和數(shù)據(jù)緩存和TCM緩存都是可配置的。存儲器體系結(jié)構(gòu)令設(shè)計者可依據(jù)實際情況調(diào)整緩存和TCM大小。
　　ARM9E-S微處理體系結(jié)構(gòu)提供了快速中斷響應(yīng)和上下文切換功能。該體系結(jié)構(gòu)非常合適用于如Wind River的VxWorks或Mentor Graphics Nucleus等小型實時操作系統(tǒng)（RTOS），非常適合于CPE設(shè)計。增強(qiáng)型DSP指令集可直接在CPU內(nèi)核上運(yùn)行，滿足一些DSP需求，不需要另外一個獨立的DSP處理器。
　　EDN嵌入式微 處理器基準(zhǔn)協(xié)會（EEMBC，www.eembc.org）提供了一套完整的嵌入式處理器測試標(biāo)準(zhǔn)。EEMBC Netmark?網(wǎng)絡(luò)基準(zhǔn)是一套路由測試標(biāo)準(zhǔn)。其包含開路最短路徑第一（OSPF/Dijkstra）算法，數(shù)據(jù)包流路由基準(zhǔn)，路由表算法等。該基準(zhǔn)對處理器在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用時實現(xiàn)的功能進(jìn)行了模擬。
　　這套測試基準(zhǔn)中包含壓縮的路由測試基準(zhǔn)，用實際的IP幀結(jié)構(gòu)執(zhí)行數(shù)據(jù)打包和路由表查詢。該基準(zhǔn)可使用不止一個長度的路由表，因而更為高效。這避免了合成測試基準(zhǔn)中單一尺寸路由表的缺陷。ARM為ARM946E-S內(nèi)核提供Netmark基準(zhǔn)。在與ARM簽訂了NDA之后，您可獲得該基準(zhǔn)。
　　PrimeXsys雙核平臺
　　PrimeXsys雙核平臺（圖3）提供了可擴(kuò)展、預(yù)集成的基礎(chǔ)級IP，支持RTOS的直接運(yùn)行。946 DCP采用多層AMBA?片上總線體系結(jié)構(gòu)，在交叉型AHB總線矩陣中支持多重總線管理，并提供非常高的帶寬。在946DCP中添加IP，可以用主、從方式訪問系統(tǒng)總線。相應(yīng)地，AMBA外設(shè)總線（APB）為速度較慢的外設(shè)提供了更節(jié)能的片上系統(tǒng)連接方式。
　　每個內(nèi)核內(nèi)都含有向量中斷控制器（VIC）和嵌入式跟蹤宏單元（ETM?）。當(dāng)內(nèi)核全速工作時，ETM監(jiān)控ARM指令和數(shù)據(jù)總線，在與跟蹤調(diào)試工具進(jìn)行數(shù)據(jù)交換前，將數(shù)據(jù)暫存到MultiTrace?分析器中。
　　表1為946 DCP中IP主要模塊的性能指標(biāo)。


表1. 雙核平臺模塊門數(shù)（單位：千門）