Материал: Микропроцессорные системы (110

к содержимому регистров и стека. Наиболее же интересным моментом, пожалуй, является концепция Виртуальной Периферии – программной эмуляции периферийных устройств, активно разрабатываемой Scenix Sem. В её основе заложены быстрые прерывания у SX-микроконтроллеров.

Многим разработчикам знакомы проблемы настойчивого поиска микроконтроллера, обладающего необходимым количеством таймеров, АЦП, ШИМ и контроллеров различных последовательных интерфейсов. И чтобы всё это размещалось на одном кристалле. Стандартный ответ компанийпроизводителей – размещение на кристалле как можно большего числа периферийных модулей для потенциального использования – приводит к необходимости решения многих технологических проблем (потребление, отвод тепла и так далее) и к значительному удорожанию кристалла. Другой подход тоже не идеален – разбиение микроконтроллеров на множество подсемейств, у MICROCHIP, к примеру, до 500 отличающихся модификаций, где всегда можно найти что-нибудь подходящее и недорогое. Запросы у разработчиков могут быть весьма нестандартны. В этом случае очень изящно выглядит решение Scenix Sem. – осуществлять программную эмуляцию периферийных компонент на базе очень быстрого микроконтроллера при посредстве стандартной библиотеки программных модулей. В настоящее время библиотека модулей насчитывает несколько десятков разновидностей, некоторые из них: I2C master 50 слов программы, 3% ресурсов процессора;

Доступен широкий спектр средств программирования и отладки для микроконтроллеров SX. Выпущено несколько коммерческих и бесплатных компиляторов Си, программных симуляторов, ассемблеров, программаторов. Постоянно растут списки примеров применения виртуальной периферии: Modem 1200 бод, IRDA-интерфейс, TCP/IP – делает доступным SXмикроконтроллер в сети Internet; а скоро – USB, CAN-протоколы. В 2000 году компанией запланирован выпуск усовершенствованных микроконтроллеров SX48BD/SX52BD с расширенной памятью программ и данных.

XEMICS CoolRISC. Xemics (Швейцария) – компания, известная своими технологическими решениями в области производства микроэлектроники для применений в портативных или автономных системах с батарейным питанием. Имея большой опыт в подобных разработках, Xemics в 1996 году создаёт RISC-ядро с недвусмысленным названием CoolRISC и с уникальным соотношением производительность/потребление, ставшее базой для производства микроконтроллеров семейства XE8000, оставившим позади в соревновании за микропотребление даже лучших представителей MICROCHIP. Гарвардское RISC-ядро процессора выполняет все 33 команды 22-бит формата, в том числе и команды перехода за один машинный такт. 3-уров-

26

невый конвейер команд: выборка, исполнение и запись – позволяет достичь производительности до 1 MIPS на 1 МГц тактовой частоты. В отличие от большинства RISC-процессоров, CoolRisc-процессор содержит четыре 8-раз- рядных рабочих регистра и регистр-аккумулятор, четыре 16-разрядных индексных регистра, а также поддерживает не только инструкции регистр– регистр, но и регистр–память с возможностью запоминания результата в третьем регистре, выполняемые за один такт. Регистр-аккумулятор не имеет ничего общего с подобным регистром, использующимся во всех арифметических и логических операциях обычных CISC-процессоров. Это просто регистр, где запоминается результат операции АЛУ. Аппаратный умножитель является неотъемлемой частью АЛУ и позволяет проводить операции знакового и беззнакового умножения.

Микроконтроллеры XE8000 подразделяются на две основные ветви: XE8301 и XE88х1. Общим для всех членов семейства является встроенная память программ (FLASH или MASK ROM версии) размером 8К×22 слов, память данных 512×8 байт, внутренний RC-генератор от 100 кГц до 10 МГц

свозможностью программной настройки. В периферию микроконтроллеров входят: сторожевой таймер; схема сброса по включению питания; схема контроля питающего напряжения, UART и последовательный синхронный порт; 4 каскадируемых 8-бит таймера-счётчика с возможностью работы в режиме ШИМ и захвата/сравнения; поддержка внешних прерываний; параллельные порты, до 20 линий ввода/вывода. Кроме стандартного набора режимов SLEEP и Power Down, очень интересной особенностью является существование программной опции включения/выключения любого периферийного устройства в целях снижения энергопотребления, а также опция программной установки делителя тактовой частоты для той же цели.

XE8301 является микроконтроллером общего назначения, работающим в диапазоне питания от 1,2 до 5 В (MASK ROM) и 2,4–5,5 В (версия с FLASH ROM), выпускаемым в 20- и 28-выводном исполнении. При работе

спроизводительностью 4 MIPS потребление контроллера составляет всегонавсего 1,24 мА, при 1 MIPS – снижается до 310 мкА, а при подключении генератора 32,768 кГц суммарный ток, потребляемый микроконтроллером, составляет всего 6 мкА. Микроконтроллеры XE88х1 имеют встроенный АЦП с разрешением до 16 бит (XE8801) и АЦП плюс два дополнительных цифро-аналоговых преобразователя: широтно-импульсный и токовый (XE8851). Аналоговый мультиплексор на входе АЦП обеспечивает коммутацию 4 дифференциальных сигналов либо 7 отдельных сигналов и одного референтного. Встроенный аналоговый усилитель, следующий за мультиплексором, имеет схему компенсации напряжения смещения и программируемый коэффициент усиления 0,5–1000.

Очередной новинкой Xemics в содружестве Massana Inc. стал новый микроконтроллер CoolRISC+FILU-50, объединяющий на одном кристалле

27

архитектуру CoolRISC и 16-бит сигнальный процессор с фиксированной точкой, 40-бит аккумулятором и с суммарной производительностью до 60 MIPS.

К настоящему времени Xemics разработан стандартный набор для разработки и отладки систем на базе XE8000: ассемблер, Си-компилятор, программная среда CoolRISC Software DE для отладки и программной симуляции. Доступны также внутрисхемный эмулятор, программатор и стартовые наборы.

Ангстрем. Нельзя не обойти вниманием (все-таки своё) детище разработчиков отечественного производителя ОАО «АНГСТРЕМ» – микроконтроллерное RISC-ядро ТЕСЕЙ, на базе которого уже создано несколько микроконтроллеров, как универсальных, так и специализированного применения.

Характерной особенностью ядра ТЕСЕЙ являются: гарвардская RISCархитектура, позволяющая выполнять любую из 52 команд 16-разрядного формата за два такта частоты процессора; единая система команд для всего семейства с возможностью адресации до двух операндов, находящихся в памяти; 4-ступенчатый конвейер выполнения команд; малое время отклика на прерывание и сохранение контекста; широкий диапазон конфигураций внутренних памяти команд, памяти данных и периферийных устройств. Микроконтроллеры отличаются наличием энергонезависимой памяти данных, возможности многократного перепрограммирования памяти программ, небольшим количеством внешних выводов и низким энергопотреблением.

Микроконтроллер КР1878ВЕ1 является представителем семейства ТЕСЕЙ и обладает следующими характеристиками: производительность до 4 MIPS на тактовой частоте 8 МГц; перепрограммируемая память программ 1К×16; память данных RAM 128×8, EEPROM данных 64×8; периферия: сторожевой таймер, 16-бит таймер-счётчик с предделителем, 12 линий ввода/ вывода и поддержка прерываний; ток потребления меньше 2 мА при напряжении питания 5 В и тактовой частоте 5 МГц. Микроконтроллер выпускается в 18-выводном исполнении. Для отладки предлагается программная отладочная среда TESSA 0.1.

Современные DSP процессоры и их применение

DSP-процессоры предназначены для осуществления цифровой обработки сигнала – математических манипуляций над оцифрованными сигналами. Они широко применяются в беспроводных системах, аудио- и видеообработке, системах управления. С ростом числа приложений, использующих DSP, и сложности алгоритмов обработки увеличивается и требования к ним в плане повышения быстродействия и оснащенности интерфейсными и другими специализированными узлами. К настоящему времени появилось

28

множество типов DSP, как универсальных, так и ориентированных на достаточно узкий круг задач. Естественно, ни один из процессоров не может подойти для всех приложений. Поэтому первая задача разработчика – выбор процессора, наиболее подходящего по производительности, цене, наличию определенной периферии, потреблению мощности, простоте использования и другим критериям. Например, для таких портативных устройств, как мобильные телефоны, цифровые плееры, стоимость, степень интеграции и потребляемая мощность являются первостепенными, а максимальная производительность зачастую не нужна (т.к. обычно влечет за собой значительное повышение потребляемой мощности, не давая преимуществ при обработке относительно низкоскоростных аудиоданных). В то же время для гидроакустических или радиолокационных систем определяющими параметрами являются скорость работы, наличие высокоскоростных интерфейсов и удобная система разработки, а стоимость является второстепенным критерием. Кроме того, во многих случаях имеет смысл учитывать и место на рынке, занимаемое поставщиком процессора, т.к. далеко не все производители могут предоставить в ваше распоряжение спектр процессоров, покрывающих все ваши потребности. Сложившееся к настоящему времени распределение рынка между ведущими поставщиками (см. табл. 1) показывает, что 4 компании, стоящие в начале списка, поставляют более 80% всех используемых в мире DSP. Именно эти компании наиболее известны и на российском рынке, и их продукция часто упоминается. Следует помнить, что производители DSP, проектируя новые микросхемы, достаточно четко позиционируют их для использования в тех или иных приложениях. Это оказывает влияние и на их архитектуру, и на быстродействие, и на оснащение процессора тем или иным набором периферийных модулей. В таблице 2 показано позиционирование DSP с точки зрения их создателей.

Таблица 1

Основные производители DSP и принадлежащие им доли рынка

29

Далее будут рассмотрены основные характеристики процессоров, которые должен оценить разработчик для того, чтобы выбрать наиболее подходящий DSP. Одна из основных характеристик цифровых сигнальных процессоров – формат обрабатываемых данных. Все DSP работают либо с целыми числами, либо с числами в формате с плавающей точкой, причем для целых чисел разрядность составляет 16 или 32, а для чисел с плавающей точкой она равна 32. Выбирая формат данных, необходимо иметь в виду следующее: DSP с целочисленными данными (или данными с фиксированной точкой) обычно дешевле и обеспечивают большую абсолютную точность при равной разрядности (т.к. на мантиссу в 32-битном процессоре с фиксированной точкой отводятся все 32 бита, а в процессоре с плавающей точкой – только 24). В то же время динамический диапазон сигналов, с которыми могут без искажений работать процессоры, у процессоров с фиксированной точкой значительно уже (на несколько десятичных порядков). При относительно простых алгоритмах обработки это может быть неважно, т.к. динамический диапазон реальных входных сигналов чаще всего мень-

30