Mikrokontrolery...TI DSP C5000 Application MP3 Player/Recorder TI C6000 Single Core TI DSP C6000 Single Core Application Signal/Waveform Generator TI DSP C6000 Single Core Application

Mikrokontrolery

Mikrokontroler – układ cyfrowy z wyspecjalizowanym

mikroprocesorem, niezbędnymi urządzeniami peryferyjnymi

zawartymi w jednym układzie scalonym, który

• jest zdolny do autonomicznej pracy,

• został zaprojektowany do pracy w systemach kontrolno –

pomiarowych oraz komunikacyjnych stąd posiada

rozbudowany system komunikacyjny z otoczeniem,

• z reguły pracuje w czasie rzeczywistym.

Kryteria wyboru mikrokontrolerów

• Liczba linii we/wy niezbędnych do współpracy z

otoczeniem;

• Ilość układów peryferyjnych;

parametry timerów, liczników;

liczba przerwań;

moduły umożliwiające współpracę z układami

analogowymi;

rodzaje interfejsów.

• Szacowane wymagania programu:

wielkość pamięci programu, danych,

architektura, lista rozkazów, częstotliwość taktowania.

Kryteria wyboru mikrokontrolerów

• Parametry systemu:

rodzaj i napięcie zasilania;

pobór prądu;

możliwość stosowania trybów zmniejszonego poboru

energii, zmniejszenie szybkości pracy systemu;

wydajność prądowa linii we/wy.

Cechy mikrokontrolerów

• umieszczenie magistrali danych i adresowej wewnątrz

układu scalonego (najczęściej wyprowadzana jest również

na zewnątrz),

• stała struktura pamięci ROM i RAM,

• niezmienność programu sterującego,

• rejestrowa struktura jednostki centralnej,

• dostęp do rejestrów procesora i układów we/wy poprzez

mechanizm adresowania pamięci RAM,

• procesory boolowskie wykonujące operacje na

pojedynczych bitach w pamięci, rejestrach i układach

we/wy,

• szeroki zestaw urządzeń peryferyjnych,

Cechy mikrokontrolerów

• szybkie i rozbudowane systemy przerwań,

• różnorodne tryby pracy i środki redukcji poboru mocy,

• rozbudowane mechanizmy kontroli i detekcji

nieprawidłowych stanów mikrokontrolera.

Mikrokontrolery

• Architektura procesora według mapy pamięci architektura Von-Neumana (systemy z jednolitą przestrzenią

adresową) – jedna szyna danych wspólna dla danych i programu,

a podział obszaru pamięci na dane i program jest umowny

(zależy wyłącznie od rozmieszczenia tych elementów w obszarze

adresowym podczas projektowania systemu.

programowanie ułatwione

powolna realizacja cyklu rozkazowego.

Mikrokontrolery

• Architektura procesora według mapy pamięci architektura harwardzka – dwie oddzielne szyny dla

danych i rozkazów, w trakcie pobierania argumentów

wykonywanej właśnie instrukcji można równocześnie

zacząć pobieranie następnego słowa rozkazowego.

Magistrala danych i rozkazów mają rożną szerokość.

Wada: utrudniony przepływ danych z pamięci programu do

pamięci operacyjnej

Mikrokontrolery

• Architektura procesora według mapy pamięci Zmodyfikowana architektura harwardzka – obszary

pamięci ROM i RAM są rozdzielone, ale mają taką

samą długość słowa.

Mikrokontrolery

• Architektura procesora według listy rozkazów: RISC – ang. Reduced instruction set computer:

procesor jest zbudowany zgodnie z architekturą

harwardzką,

procesor wykorzystuje przetwarzanie potokowe

(pipeling ) w celu zwiększenia szybkości

wykonywania programu,

zbiór realizowanych instrukcji jest ograniczony (do

kilkudziesięciu) i spełnia warunki ortogonalności

(symetrii).

Mikrokontrolery

• Architektura RISC ortogonalność: każda instrukcja może operować na dowolnym

rejestrze roboczym,

każda instrukcja może wykorzystywać dowolny tryb

adresowania argumentów,

brak ukrytych powiązań między instrukcjami (efektów

ubocznych), które powodowałyby nieprzewidziane

reakcje systemu w zależności od kontekstu użycia

rozkazów w programie,

kody rozkazów i formaty instrukcji są zunifikowane –

instrukcje zajmują w pamięci programu taką samą

liczbę bajtów.

Mikrokontrolery

Rodziny mikrokontrolerów o architekturze RISC:

Alpha

AMD 29000

ARM

Atmel AVR

IBM 801

Intel i860

Intel i960

Motorola M88000

MIPS

PA-RISC

PowerPC

SPARC

Mikrokontrolery • Architektura procesora według listy rozkazów:

CISC – ang. Complex instruction set computer –

charakteryzują się: złożonymi, specjalistycznymi rozkazami (instrukcjami), które do

wykonania wymagają od kilku do kilkunastu cykli zegara,

szeroką gama trybów adresowania,

w przeciwieństwie do architektury RISC rozkazy mogą operować

bezpośrednio na pamięci (zamiast przesłania wartości do

rejestrów i operowania na nich),

powyższe właściwości powodują, iż dekoder rozkazów jest bardzo

rozbudowany.

W architekturze CISC pojedynczy rozkaz mikroprocesora

wykonuje kilka operacji niskiego poziomu – pobranie z pamięci,

operację arytmetyczną i zapis do pamięci.

Mikrokontrolery

Rodziny mikrokontrolerów o architekturze CISC:

IBM System/360,

VAX – Digital,

PDP-11 – Digital,

x86

Mikrokontrolery • Architektura procesora według listy rozkazów:

MISC – ang. Minimal instruction set computer –

charakteryzują się: bardzo małą liczbą podstawowych operacji i odpowiadającymi im

kodami operacji,

zestawy instrukcji są częściej oparte na stosie, niż na rejestrach,

mniejsza i szybsza jednostka do dekodowania instrukcji,

szybsze wykonanie pojedynczych instrukcji.

Wadą architektury MISC jest to, że instrukcje mają skłonność

do posiadania większej ilości uzależnień sekwencyjnych, to

ogranicza liczbę instrukcji wykonywanych jednocześnie.

Komercyjne zastosowanie architektury MISC był INMOS transputer

Mikrokontrolery • Architektura procesora według listy rozkazów:

VLIW – ang. Very Long Instruction Word – mikroprocesory z

bardzo długim słowem instrukcji charakteryzują się: maksymalnym uproszczeniem jednostek sterujących (CU) w

samym mikroprocesorze,

przerzuceniem na barki oprogramowania złożoności przepływu

sterowania w mikroprocesorze, czyli wykonywania rozkazów

(programu),

uproszczoną logiką,

dużą liczbą danych - sygnałów sterujących,

pojedynczy rozkaz posiada w sobie zdekodowane (lub wstępnie

zdekodowane) sygnały sterujące – dane oraz instrukcje dla

konkretnych jednostek wykonawczych.

Pojedyncza instrukcja procesora VLIW ma wielkość kilkuset bitów –

256 i więcej.

Mikrokontrolery • Architektura procesora według listy rozkazów:

EPIC – ang. Explicitly Parallel Instruction Computing –

odmiana architektury VLIW wykorzystują mechanizmy: ładowania spekulatywnego ang. speculative loading,

pobieranie danych z pamięci za nim są one wymagane przez

program,

minimalizowanie opóźnień dostępu do pamięci,

jest kombinacją kompilacji i optymalizacji kodu wynikowego,

kompilator wyszukuje instrukcji wymagających danych z

pamięci i jeżeli to możliwe wrzuca w strumień instrukcji ich

pobranie,

przewidywania ang. prediction,

jawnej współbieżności ang. explicit parallelism,

grupowania instrukcji w paczki, które wykonywane są w jednym

cyklu zegara.

Mikrokontrolery • Architektura procesora według listy rozkazów:

ZISC – ang. Zero instruction set computer –

charakteryzują się: budową opartą na niezależnych komórkach, które mogą być

traktowane jak neurony lub równoległe procesory, każdy może

porównywać wektor wejściowy z wzorcem zapisanym w pamięci,

szybkością działania,

nieograniczona skalowalnością.

Układów ZISC stosowane są powszechnie w rozpoznawaniu

wzorców, ochronie oraz wyszukiwaniu informacji.

MSP430 BLOCK DIAGRAM

MSP430 Snapshot of Integrated Peripherals

• ADC10 • ADC12 • SD16 • SD24 • Comparator • DAC12 • DMA • Multiplier • OpAmp

•Timers •Watchdog timer WDT • RTC •Brouwnout reset • PMM • SVS • A-POOL • AES • USB

• SPI • I2C • UART • LIN/IrDA • SCAN_IF • ESP430 • LCD • Capacitive Touch

MSP430

MSP430 Applications Metering Portable Medical Data Logging

Wireless Communications Capacitive Touch Personal Health and Fitness

Energy Harvesting Motor Control Security and Safety

AVR XMEGA Key Features High-precision analog — 12-bit ADCs with gain stage and combined throughput of 4 MSPS. Fast 12-bit DAC with high drive strength, as well as other functions that reduce the need for external components. Real-time performance — The event system facilitates inter-peripheral signaling with 100% predictable response time. To offload the CPU, all peripherals can use DMA for data transfer. Atmel picoPower® technology — True 1.6 volt operation, and 500 nA RTC operation with full SRAM retention for fastest possible wake-up time. High Integration — XMEGA devices integrate AES and DES crypto modules, up to 32 PWM outputs, 8 UART, 4 TWI (I2C) and 4 SPI channels, a CRC generator module, and more. AVR Software Library — A complete library of device drivers and communication stacks save time and development effort so you can focus on more important design tasks. Atmel QTouch® Sensing — QTouch Library support enables you to easily realize robust capacitive touch sensing interfaces for button, sliders and wheels. USB Connectivity — Delivers full-speed operation without the need for external crystals, 31 endpoints, and a special multi-packet function that maximizes data transfer rates while minimizing CPU load.

AVR XMEGA

•1 or 2 ADCs in each device •12-bit resolution •Up to 2 MSPS per ADC •Built-in gain stage •Differential and single-ended input •Integrated temperature sensor

•0 – 4 DAC channels in each device •12-bit resolution •Up to 1MSPS per DAC channels

AVR XMEGA

EVENT SYSTEM

AVR XMEGA

AVR XMEGA

Sleep mode Active Sleep mode Power save Sleep mode Power down

AVR XMEGA

Interrupt Controller

AVR XMEGA

Analog Comparators

Digital Signal Processors

Procesory sygnałowe – ang. Digital Signal Processors –

układy elektroniczne należące do klasy procesorów,

wyspecjalizowane w przetwarzaniu sygnałów analogowych

lub cyfrowych w czasie rzeczywistym.

Digital Signal Processors Cechy procesorów sygnałowych:

rozdzielenie pamięci programu i danych (architektura

harwardzka) z możliwością równoczesnego odczytu

instrukcji oraz danych,

sprzętowe dostosowanie do wykonywania operacji

najczęściej występujących przy przetwarzaniu sygnałów tj.

filtracji FIR i IIR, transformacji Fouriera, obliczaniu

korelacji wzajemnej,

potokowe przetwarzaniem instrukcji,

specjalne mechanizmy do realizacji operacji wejścia i wyjścia

w czasie rzeczywistym,

niższe zużycie energii oraz niższy koszt zakupu w

porównaniu z procesorami ogólnego przeznaczenia.

Digital Signal Processor Dziedziny zastosowań procesorów sygnałowych:

• Cyfrowa telefonia komórkowa

• Telefonia VOIP (ang. Voice over Internet)

• Komunikacja satelitarna

• Sprzęt nawigacyjny

• Modemy

• Poczta głosowa

• Automatyczne sekretarki

• Systemy wideokonferencjne

• Cyfrowe kamery

• Sonary

• Radary

Digital Signal Processors

Dziedziny zastosowań procesorów sygnałowych cd.:

• Sterowanie napędami

• Systemy zapobiegania kolizjom pojazdów

• Systemy bezpieczeństwa w komunikacji

• Sejsmologia

• Realizacja nagrań fonicznych

• Usuwanie szumu

• Ultradźwiękowe systemy diagnostyki medycznej

TI DSP C5000

TI DSP C5000 Zalety:

bardzo niskie zużycie mocy w trybie standby power 0.15mW;

niskie zużycie energii w trybie active power 0.15mW/MHz; (75% dual-MAC, 25%

add operation)

wysoki stopień integracji – duża ilość układów peryferyjnych;

duża ilość pamięci typu on-chip memory;

zaawansowane cyfrowe przetwarzanie sygnałów;

TI DSP C55x

TI DSP C5000

TI DSP C5000 Application

Pulsoksymetr

TI DSP C5000 Application

Cyfrowy stetoskop

TI DSP C5000 Application Elektrokardiogram

TI DSP C5000 Application

MP3 Player/Recorder

TI C6000 Single Core

TI DSP C6000 Single Core Application

Signal/Waveform Generator

TI DSP C6000 Single Core Application Military: Sonar/Radar

TI DSP C6000 Multicore

TI DSP C6000 Multicore Application High-Speed Data Acquisition and Generation

TI DSP C6000 Multicore Application Military and Avionics Imaging

TI DSP C6000 Multicore Application Military: Munitions and Targeting