Встраиваемые микропроцессоры

Обзор архитектуры процессоров Blackfin

Процессоры Blackfin - это новая разновидность 16-/32-разрядного встраиваемого процессора, который разработан с учетом требований к вычислительной производительности и потребляемой мощности, предъявляемых в современных встраиваемых системах связи, обработки звука и видеоизображений. Процессоры Blackfin, основанные на микросигнальной архитектуре (Micro Signal Architecture, MSA), которая разработана совместно с корпорацией Intel, совмещают в себе 32-разрядный набор команд, характерный для процессоров типа RISC, два блока обработки сигналов с 16-разрядным умножением-накоплением (multiply accumulate, MAC) и упрощающие практическое применение атрибуты, типичные для универсальных микроконтроллеров. Эта комбинация позволяет процессорам Blackfin одинаково хорошо справляться как с задачами обработки сигналов, так и с функциями управления, и во многих случаях избавляет от необходимости применения отдельных гетерогенных процессоров. Такая способность значительно упрощает реализацию программного и аппаратного обеспечения.

Процессоры семейства Blackfin также обладают наилучшими в отрасли показателями потребляемой мощности, поддерживая работу с напряжением питания вплоть до 0.8 В. Подобная комбинация высокой производительности и низкого энергопотребления крайне важна для удовлетворения потребностей современных и будущих систем обработки сигналов в таких областях, как широкополосная беспроводная связь, мобильная связь и обработка звука/видеоизображений в устройствах с подключением к сети Internet.

Применение любого процессора семейства Blackfin дает разработчику системы целый ряд фундаментальных преимуществ:

  • Комбинация высокопроизводительной обработки сигналов и эффективного выполнения функций управления открывает множество новых рынков и приложений.
  • Возможности динамического управления энергопотреблением (DPM,Dynamic Power Management) позволяют разработчику изменять потребляемую устройством мощность в соответствии с требованиями к проектируемой системе.
  • Простые в применении смешанный набор 16-/32-разрядных команд и комплект средств разработки обеспечивают минимизацию времени, затрачиваемого на проектирование продукта.

Высокопроизводительное процессорное ядро

Архитектура процессоров Blackfin основана ядре RISC МК/DSP с 10-уровневым конвейером и смешанным набором 16-/32-разрядных команд, который разработан специально для обеспечения оптимальной плотности кода. Архитектура процессоров Blackfin также обладает полной поддержкой режима SIMD (одна команда - много данных) и имеет специализированные команды для ускорения обработки неподвижных и видеоизображений. Она хорошо подходит для выполнения всех требуемых задач обработки/анализа сигналов, а также эффективного выполнения функций управления в стиле МК с архитектурой RISC MCU в рамках одноядерного или двухъядерного устройства. Благодаря оптимальной плотности кода и малой потребности в его оптимизации можно добиться сокращения времени от задумки концепции до выхода готовой продукции на рынок без характерных для традиционных процессоров проблем, связанных с потолком производительности.

Прямой доступ к памяти с высокой пропускной способностью

Все процессоры Blackfin имеют несколько независимых контроллеров прямого доступа к памяти (DMA), которые поддерживают автоматизированный обмен данными с ядром с минимальными непроизводительными издержками. Пересылки DMA могут осуществляться между областями внутренней памяти и любым из множества поддерживающих режим DMA периферийных модулей. Также пересылки могут осуществляться между периферийными модулями и внешними устройствами, подключаемыми к интерфейсам внешней памяти, включая контроллер SDRAM и контроллер асинхронной памяти.

Команды для обработки видеоизображений

В дополнение к аппаратной поддержке 8-разрядных слов данных, которые являются стандартными для многих алгоритмов обработки пикселей, архитектура процессоров Blackfin включает в себя команды, которые предназначены специально для повышения производительности в задачах обработки видеоизображений. Так, например, дискретное косинусное преобразование (DCT, Discrete Cosine Transform) поддерживается операцией округления IEEE 1180, а команда "SUM ABSOLUTE DIFFERENCE" (сумма модулей разности) может быть использована в алгоритмах определения движения, которые применяются стандартах сжатия видеоизображений MPEG2, MPEG4 и JPEG.

Реализация алгоритмов сжатия видеоизображений программными средствами позволяет производителям оборудования адаптироваться к эволюции стандартов и новым требованиям к функциональным возможностям без внесения изменений в аппаратную часть. Расширенный набор команд позволяет рассматривать процессоры Blackfin в качестве потенциальных кандидатов для решения задач, которые прежде решались преимущественно при помощи специализированных микросхем, медиапроцессоров с архитектурой VLIW или аппаратных чипсетов. Применение процесс Blackfin, в конечном итоге, поможет снизить общую стоимость системы, сократив при этом время от задумки концепции до выхода готовой продукции на рынок.

Эффективное выполнение задач

Архитектура процессоров Blackfin также обладает рядом достоинств, которые наиболее часто встречаются в процессорах для задач управления с архитектурой RISC. К ним относятся иерархическая система памяти с широкими возможностями, превосходная плотность порождаемого кода и множество характерных для микроконтроллеров периферийных модулей, включая контроллер уровня MAC 10/100 Ethernet, порты UART и SPI, контроллер CAN, универсальные таймеры с поддержкой ШИМ, сторожевой таймер, часы реального времени, а также контроллеры синхронной и асинхронной памяти. Все перечисленные особенности дают разработчику системы огромную свободу при одновременной минимизации стоимости системы

Blackfin_Overview_Diagram

Иерархическая модель памяти

Архитектура памяти процессоров Blackfin поддерживает блоки памяти первого (L1) и второго (L2) уровня. Память L1 подключена непосредственно к ядру процессора, работает с полной системной тактовой частотой и обеспечивает максимальную производительность для критичных к времени исполнения сегментов алгоритма. Память L2 имеет больший объем и несколько меньшую производительность, однако обращение к ней, все равно, производится быстрее, чем к внешней памяти.

Структура памяти L1 реализована таким образом, что она обеспечивает производительность, необходимую для задач обработки сигналов, и при этом обладает простой моделью программирования, характерной для универсальных микроконтроллеров. Это достигается за счет того, что память L1 может быть сконфигурирована как статическая оперативная память (SRAM), кэш-память или их комбинация. Благодаря поддержке моделей программирования SRAM и кэш-памяти разработчики систем могут разместить критичные к обработке в режиме реального времени наборы данных, для которых необходима высокая пропускная способность и малая задержка обращения, в SRAM, а задачи управления/ поддержки ОС, работающие в более "мягком" режиме реального времени - в кэш памяти.

Блок управления памятью (Memory Management Unit, MMU) обеспечивает формат защиты памяти, который, в комбинации с поддерживаемыми ядром  пользовательским режимом и режимом супервизора, позволяет реализовать полнофункциональную операционную систему реального времени (ОСРВ). ОСРВ работает в режиме супервизора, выделяя блоки памяти и другие системные ресурсы для пользовательского программного обеспечения, которое работает в пользовательском режиме. подобным образом MMU обеспечивает изолированную и защищенную среду для надежной работы систем и приложений.

Превосходная плотность кода

Архитектура процессоров Blackfin поддерживает команды разной длины. Очень часто используемые команды управления кодируются компактными 16-разрядными словами, а команды обработки сигналов, используемые при интенсивных математических вычислениях - 32-разрядными словами. Процессор смешивает 16-разрядные команды управления с 32-разрядными командами обработки сигналов, компонуя их в 64-разрядные группы для максимально компактного размещения в памяти. При кэшировании и выборке команд ядро автоматически использует полную разрядность шины, поскольку ограничения на выравнивание команд отсутствуют. Комбинация этих двух особенностей позволяет процессорам Blackfin достигать показателей плотности кода, сопоставимой с передовыми RISC процессорами.

Динамическое управление энергопотреблением

Во всех процессорах Blackfin реализовано множество методов сбережения электроэнергии. Ядро процессоров Blackfin работает со стробированным тактовым сигналом и способно выборочно отключать питание функциональных модулей в каждой команде. Процессоры Blackfin также поддерживают несколько режимов пониженного энергопотребления для периодов времени, характеризующихся малой активностью или отсутствием активности ЦП. И, наконец, вероятно наиболее важной особенностью является интегрированная в процессорах Blackfin схема динамического управления энергопотреблением, при помощи которой можно независимо управлять рабочей частотой И напряжением питания в зависимости от требований к производительности, предъявляемых исполняемым в текущий момент времени приложением. Переходы из одного состояния могут осуществляться  непрерывно под управлением ОСРВ или пользовательской программы. Большинство процессоров Blackfin имеют интегрированную схему стабилизации напряжения ядра и способны работать с напряжением ядра от 0.8 В, благодаря чему они идеально подходят для портативных устройств, в которых требуется длительный срок службы батарей.

Простота применения

Один процессор Blackfin может быть использован в многих задачах, в которых прежде требовалась комбинация высокопроизводительного сигнального процессора и отдельного эффективного управляющего процессора. Это значительно сокращает время и стоимость проектирования, позволяя, в конечном итоге, ускорить процесс выхода нового продукта на рынок. Кроме того, в ходе разработки может быть использован один набор инструментов, за счет чего сокращаются начальные вложения разработчика системы и упрощается процесс обучения новым средствам.


Дополнительные ресурсы

Руководство новичка по цифровой обработке сигналов (DSP)