多核心系统晶片架构

由于下一代的行动通讯装置整合了许多的多媒体服务，使其不再只是一个通讯设备而已，而可以说是一个行动娱乐装置，其消费市场在未来的几年必定会不断地成长，因此多核心系统晶片系统架构的开发已成为一个重要的议题，产业界许多大公司，如德州仪器（TI）和英特尔（Intel）等皆积极研发其多核心系统晶片系统架构，以便在未来的行动通讯市场佔有一席之地。

以往人们外出洽公或旅游时，若想和同事或朋友保持联繫，就必须携带行动电话；在搭车到达目的地的期间，听一下音乐放松心情，就必须另外再携带一个MP3/CD播放机；若还想要看电影的话，就还要带一个DVD播放机，带着大大小小的装置出门，总是很不方便。为了解决这个问题，下一代的行动通讯装置，如行动电话等，不再只是一个单纯的语音通讯设备，它还整合了各式各样的多媒体应用，如数位相机（DSC）、MP3播放机、MPEG4解码器和游戏机等，使人们只要带着一个行动电话出门，就可以做到许多事，例如能够同时利用行动电话听音乐和玩游戏，在观看储存于行动电话中的电影时，若有人打电话来，行动电话必须能明确且即时的通知使用者，使重要电话不至于漏接。

随着科技不断创新，在下一代的行动通讯设备中，除了具备基本的通讯功能外，还整合了如数位相机（DSC）、MP3播放器和线上游戏机等多媒体应用，而要开发这样一个多功能的多媒体行动通讯装置，将面临到许多新的挑战，如服务品质、反应时间和功率消耗等问题，传统的单核心系统晶片已不足以负担如此庞大的工作需求，因此目前新一代的多媒体行动通讯装置皆採用多核心系统晶片的解决方案，把通讯系统和多媒体处理分开在不同的处理器上执行，以达到在不影响原有通讯功能的情况下，提供高品质的多媒体服务，且在多核心的架构下，把通讯系统和多媒体应用分开在不同的处理器上来执行，可以减少任务转换的负担，并节省系统功耗。

下一代的行动通讯装置带给人们生活上相当大的便利性，但相对的也带来许多新的设计挑战，如下列几点：

◎一定的服务品质：在观看电影时其画面的解析度必须是可接受的，不会模煳不清；
◎即时的反应时间：在观看电影时其画面不能断断续续，若有电话打进来，也必须能即时反应让使用者知道；
◎z很低的功率消耗：此为一个行动式装置的必要条件，以延长电池寿命。

下一代的行动通讯装置至少必须符合上述这三点才会被消费者所接受，举例来说，日本厂商DoCoMo的3G手机在上市后，其市场佔有率并不如预期，推究其原因就在于待机时间和通话时间太短，远远少于消费者所习惯的2G手机，所以得不到消费者的认同，必须重新设计。

传统的行动通讯装置採用单处理器的解决方案，即利用一颗处理器来处理与行动通讯相关的功能，此处理器称之为基频处理器。而下一代的行动通讯装置除了原有的通讯功能外，还整合了许多的多媒体应用，如不改变原有的设计架构，仍利用原先的基频处理器来处理这些附加的多媒体应用的话，基频处理器除了原有的通讯任务外，还要处理这些新增的多媒体应用，将大大的增加其负担，而使其效能降低，服务品质相对的也会下降。况且下一代行动通讯装置的许多功能都是同时发生的，如边听音乐边玩游戏，一颗基频处理器无法处理这些同时发生的任务，光是在不同的任务间做切换（Context Switch），就会浪费掉许多时间，进而造成音讯停顿、视讯闪烁等现象，无法做到即时的反应时间。另外，基频处理器在处理如此多样的工作时，需要花许多时间做任务转换，其功耗也相对地提昇，减少电池使用寿命。

既然单核心架构无法满足下一代行动通讯装置的需求，多核心架构应运而生，且为未来主流。一个简单的多核心系统晶片系统架构如(图一)所示。在多核心的架构下，除了原有的基频处理器处理通讯任务外，还有其他的处理器，称之为应用处理器，用来处理这些附加的多媒体应用，而处理器的组成可能为一般的泛用型处理器，如ARM和MIPS等，或是数位讯号处理器等特殊用途处理器，再根据应用需求加上一些如Java和安全等专用的硬体加速器，可以同时处理这些平行的任务，以达到一定的服务品质、即时的反应时间和很低的功率消耗。由于系统具有多个核心，如何把工作平均分摊给每一个核心来处理，就变成一个很重要的议题，也是多核心架构设计成败的关键因素。除此之外，多个核心之间要如何来做沟通，也是一个必须考虑的因素，如图一所示，各个核心透过IPCM（Inter-Processor Communications Module）来做资料的交换；且随着制程技术的不断进步，现在已经进入系统晶片的时代，所以整个多核心架构可以整合进一颗晶片中，更节省系统面积和功耗。
　

图一　多核心系统晶片架构
　

图二　TI OMAP处理器支援各种不同的应用和市场
资料来源：OMAP Processors for Wireless Devices, TI
　

图三　TI OMAP1510硬体架构图
资料来源：OMAP Developer Network, TI

产学界发展现况
多核心系统晶片架构的研发需要很多的资源，除了硬体架构外，为了能够让多个核心之间分工合作，充分发挥各个核心的效能，也需要有良好的软体搭配，一般规模较小的公司可能无法从事这方面的技术开发，所以目前市面上看到的一些多核心架构都是由规模较大的公司，如德州仪器、英特尔和摩托罗拉（Motorola）等所开发出来的，接下来几个小节将分别介绍这些大公司的多核心架构。

■TI OMAP
德州仪器（TI）结合其自有的数位讯号处理器（Digital Signal Processor）和ARM的ARM9微处理器，推出了一个称之为Open Multimedia Application Platform（OMAP）的多核心平台，是针对目前各种资讯产品的应用所设计的，特别是个人数位助理（Personal Digital Assistant）和下一代的行动通讯装置，可以做到即时的多媒体影音资料处理、网际网路通讯和无线通讯等功能。而针对不同的应用和市场，德州仪器提出了许多不同的架构，各有不同的特色，如(图二)所示，(图三)为OMAP1510的硬体架构图。

最近德州仪器推出了新一代的OMAP平台，称之为OMAP2，它整合了德州仪器本身的TMS320C55x DSP和ARM的ARM11微处理器，再加上一些图形和影像的加速器，以达到更好的效能。OMAP2420的硬体架构如(图四)所示。

■Intel PCA
英特尔所开发的Personal Internet Client Architecture（PCA）为下一世代的无线行动装置和应用提供了一个最佳化的开发平台，它特别针对目前通讯和多媒体应用整合的装置所设计，并提供一包含软体和硬体的完整解决方案，Intel PCA包含有Intel的XScale微处理器和Intel与ADI共同开发的一个新的DSP架构，称为Micro Signal Architecture（MSA），Intel PCA架构把通讯和应用分开，分别利用不同的处理器来处理，利用Intel PCA所开发的产品有针对GSM/GPRS行动电话的PXA800F处理器和针对EDGE（Enhanced Data Rates for GSM Evolution）的PXA800EF处理器等，PXA800F的硬体架构如(图五)所示。
　

图四　TI OMAP2420硬体架构图
资料来源：OMAP Developer Network, TI
　

■Motorola MXC
为了满足下一代多媒体行动通讯装置的需求，摩托罗拉提出了一个称为Mobile Extreme Convergence（MXC）的多核心架构。MXC强调高整合度，可将应用和通讯整合在同一颗晶片里，并完全分离，由不同的处理器来执行，它包含有一个StarCore的DSP，用来处理通讯协定的部分，和一个ARM的ARM1136微处理器，用来处理多媒体的应用，其硬体架构如(图六)所示。MXC可应用于智慧型电话、PDA、Wi-Fi、3G、超宽频通讯和全球定位系统等领域。

STC研发规划
可以预见的是下一代的行动通讯设备因整合了多媒体的应用，其消费市场必定会不断的成长，而构成这些多媒体行动通讯装置的最重要部分就是一多核心的系统晶片。目前多核心系统单晶片架构的提供者，都是国外的一些大厂，如德州仪器、英特尔和摩托罗拉等，国内目前并无可与其竞争的产品出现，因此，工研院系统晶片技术发展中心之多核心系统晶片技术主题的目的就在于开发出一个可与国外大厂竞争的多核心系统单晶片架构，并技术移转给国内的系统厂商，以开发出一个完全国产的下一代多媒体行动通讯装置，并在未来的行动通讯市场佔有一席之地。下面几个小节将针对本技术主题的研发内容、产业效益和未来发展做一介绍。
　

图五　Intel PXA800F硬体架构图
资料来源：Intel PXA800F Cellular Processor for GSM/GPRS Mobile solutions, Intel
　

图六　Motorola MXC硬体架构图
资料来源：Mobile Extreme Convergence：A Streamlined Architecture to Deliver Mass-Market Converged Mobile devices, Motorola
　

■多核心架构系统层级设计和验证
首先，要设计一个符合效能要求的多核心系统晶片系统架构，必须要有一个完整的多核心架构系统层级设计和验证（Multi-core System-level Design and Verification）环境，本技术主题的工作内容之一即在开发和建构此设计和验证环境，在初期可以使用一些市面上的系统层级模拟工具，如AXYS的MaxSim和Cadence的Coware等，再搭配自己发展或向thirty party所购买的用SystemC或C/C++所描述的IP模拟模型（Simulation Model），来建构和评估整个多核心系统架构，最后希望可以发展出一套自动化工具，依据规格及效能要求来自动产生相对应的系统架构。

■多核心系统晶片平台（Multi-core SoC Platform）
在系统晶片的时代，为了节省开发时间，并符合即时上市（Time-to-Market）的要求，基于平台的设计方法（Platform-based Design Methodology）应运而生，首先要建立一个基础的平台架构，包含有硬体和软体两部分，硬体方面有微处理器（Microprocessor，如ARM、MIPS和PowerPC等）、记忆体、周边（Peripherals）、互连机制（如AMBA），和一些特殊用途的元件；软体方面则包含有Firmware和OS等系统软体。另外多核心是本技术主题的重点，所以这个基础平台必须要能支援多核心的架构。本技术主题的目标之一就是要建立一多核心的系统晶片的开发平台，藉由修改这个平台架构或增加应用所需的特殊元件，就可以很快的得到符合某种应用和效能需求的多核心系统架构，以节省开发时间。
　

图七　多核心系统晶片平台架构之未来发展方向
　

■产业效应
本技术主题预期的产出有下列五项：

◎多核心系统晶片平台架构；
◎多核心系统晶片参考设计平台（Reference Design Kit）；
◎系统层级的架构设计和验证环境及方法；
◎系统架构效能评估环境和测试程式（Benchmarks）；
◎低功率的相关技术。

本技术主题研发完成后，对国内的产业界可以有下列两项助益：

1．进入系统晶片的时代后，系统层级的设计和验证在系统晶片的设计流程中扮演一个相当重要的角色，藉由本技术主题可以建立一完整的系统层级设计和验证流程，补足现今系统晶片设计流程中不足的地方，并可移转给国内的IC设计服务公司。

2．目前市面上的行动通讯设备，如个人数位助理（PDA）和手机等，都是採用国外大厂的解决方案，如TI的OMAP等，因此，本技术主题所发展的多核心系统单晶片平台架构可以技术移转给国内的系统制造厂商，以减少其开发成本和时间。

■未来发展方向（Roadmap）
本技术主题的未来发展方向如(图七)所示，先期先建立一个微处理器加数位讯号处理器的双核心平台架构，接下来再加入一些功率管理的方法，以期减低整个系统的功率消耗，达到省电的目的，而最终的目标是建立一个可重新配置（reconfigurable）并低功耗的多核心平台架构。

结论
多核心系统晶片系统架构除了可应用于下一代行动通讯装置的开发，也可以使用在如缆线数据机（Cable Modem）和机上盒（Set-top-box）等装置的研发上，可以说是未来资讯设备开发的一个基础平台，由此可见其重要性。所以本技术主题的研发刻不容缓，有了这项技术，就能在未来的资讯设备开发方面，特别是下一代的多媒体行动通讯装置中扮演举足轻重的角色。
（作者为前工研院系统晶片中心系统晶片整合技术组硬体技术部工程师，本文转载自《系统晶片》期刊001期）