嵌入处理装置的优化方案

智能摄像机可以用不同类型的数据处理装置来组装。最常用的装配方式是通用的嵌入式RISC（精简指令集计算机）的微处理器和微控制器、DSP、FPGA以及媒体处理器。也可用其他装置,如ASIC（特定应用程序集合电路）、SIMD处理器或者也可用FPGA装置上的软核处理器。

有时处理模块可以由几种装置以不同的结构（如FPGA+DSP,以及将在3.5节中介绍的CMOS结构）或多处理器结构组成,以开发一种几个相同处理单元组成的嵌入式网络。处理装置和结构的选择要满足应用需求,还需考虑物理的、设计的和计算的约束条件：

①物理约束是指装置的大小、功耗和I/O接口或引脚的数量。

②设计约束是指装置的成本、NRE成本（非经常性工程成本）、集成难度（设备集成）以及所要求的外围电路（电阻、电容、电源、振荡器等）。

③计算约束与处理能力有关（例如每秒执行的指令数量或操作）、可编程性（例如高级语言、汇编、硬件描述语言）以及应用程序灵活性。

要经常根据预期的产量和系统的可扩展性^[288,289],在这些不同特征和约束中找到折中点。图3.2粗略对比了设计一个嵌入式系统时ASIC、DSP、FPGA和媒体处理器对各种约束限制的符合程度。

在执行力和功耗方面,ASIC是理想的选择。当然,为了一个特定的应用开发一个专用的SoC（片上系统）就需要对硅片进行深度开发,优化功耗,从而使定制的结构适应ASIP数据流。然而这种开发成本太高使这种方案只适用于消费产品（例如有几千单位的产量）,由于这种局限性,ASIC装置的灵活性和可编程性很低或几乎为零。(www.xing528.com)

对于小的或中等产量的高性能应用来说,FPGA是一个极好的选择。事实上,近几十年来,FPGA技术经历了巨大的变革,而且在太空、军事、工业和研究领域越来越受欢迎。由于每个装置逻辑器件数目的增加,时钟频率的增加和大规模并行处理的可能性,如今FPGA获得了与ASIC类似的处理性能,且可以完全重新配置。因此,FPGA极其灵活且几乎可以满足每一个应用程序的要求。另外DSP或通用CPU核（软核处理器）可能会真正运行在这样的装置上也是一个引人注目的特色。但是,FPGA的功耗相对较高,甚至如果有设计方法和开发环境的话,比起基于CPU的解决方案,基于FPGA的技术需要更多的开发时间和专业知识。主要的FPGA生产商是ALTEA和XILINX。

图3.2 各类处理器及其物理、设计、计算特性的比较

DSP装置与媒体处理器有很多共同点,都拥有嵌入式通用RISC处理器（Pow-erPC、ARM等）和微控制器。所有这些装置都是基于CPU的,即基于一个处理核。所以它们都有很好的编程性能,可以在专门的开发环境中使用高级语言（如C、C++语言）。NRE成本非常低且灵活性高,这使它们有了更多的应用。

基于CPU的各装置之间的主要区别在于性能水平上。微控制器通过增加CPU核内存（RAM、ROM、闪存）、外围设备和I/O接口（ADCS、DACS等）,可以被看作升级了的RISC处理器。另外,DSP核为了优化数学运算的执行（如MAC乘法累加）和SIMD单元,使用了一种专门的结构和一些特殊的硬件结构。最后,媒体处理器只处理音频和视频,是一类适合于处理数据流的DSP装置。DSP和媒体处理器可以有VLIW（非常长的指令词）结构,例如NXP公司开发的Trimedia处理器。