Микроконтроллеры. Назначение. Особенности архитектуры.

 

Микроконтроллеры используются для управления менее сложными и малогабаритными устройствами связи. Они называются также однокристальными микроЭВМ.

В микроконтроллерах, в отличие от универсальных микропроцессоров, максимальное внимание уделяется именно габаритам, стоимости и потребляемой энергии.

В микроконтроллерах на одном кристалле объединяются все составные части компьютера: микропроцессор (часто называют ядро микроконтроллера), ОЗУ, ПЗУ, таймеры и порты ввода-вывода.

В микроконтроллерах в наибольшей степени проявляются все вышеперечисленные свойства микропроцессоров.

В машине (управление замками, тормоза, дворники, управление скоростью, зажигание, подвеска, управление сиденьем, антирад)

Микроконтроллеры позволяют обменивать скорость своей работы на сложность проектируемого устройства.

Микроконтроллеры позволяют реализовывать аппаратуру с минимальной стоимостью, габаритами и током потребления.

Срок разработки аппаратуры на микроконтроллерах минимален.

 

Сигнальные процессоры. Назначение. Особенности архитектуры.

 

Сигнальные процессоры используются для решения задач, которые традиционно решала аналоговая схемотехника.

К сигнальным процессорам предъявляются специфические требования.

От них требуются максимальное быстродействие, малые габариты, возможности стыковки с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями, большая разрядность обрабатываемых данных и относительно небольшой набор математических операций, обязательно включающий операцию умножения-накопления и аппаратную организацию циклов.

В этих процессорах тоже важны такие параметры как стоимость габариты и потребляемая мощность, но здесь приходится мириться с б^Ольшими значениями этих характеристик по сравнению с микроконтроллерами.

 

 

Основные параметры ЦСП

ЦОС (цифровая обработка сигналов, DSP – digital signal processing) – это арифметическая обработка в реальном масштабе времени (РМВ) последовательности значений амплитуды сигнала, получаемых через равные промежутки времени.

Примеры обработки:

1. Частотная фильтрация сигнала

2. Свертка двух сигналов

3. Вычисление корреляции двух сигналов

4. Усиление ограничений или трансформация сигнала

5. Прямое и обратное преобразования Фурье

 

Любой сигнал возможно представить в виде либо амплитуда-время, либо частота-амплитуда. Преобразования Фурье позволяют перейти от одной формы к другой.

Для эффективной реализации алгоритмов ЦОС необходима аппаратная поддержка базовых операций ЦОС (главная – умножение с накоплением результата).

Особенности архитектуры сигнальных процессоров:

1. Сокращение длительности командного такта, характерное для RISC-процессоров:

2. Конвейеризация на уровне микрокоманд и команд

3. Размещение операндов большинства команд в регистрах

4. Использование теневых регистров для сохранения состояния вычислений при переключении контекста

5. Разделение памяти команд и данных – Гарвардская архитектура

 

Особенность структуры сигнального процессора – аппаратная поддержка основных операций, необходимых для цифровой обработки массива дискретных отсчетов входного аналогового сигнала.

К основным операциям относятся аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (АЦП, ЦАП), выполняемое кодеком, организация массива дискретных отсчетов сигналов в памяти данных X, Y, умножение, сложение, умножение с накоплением в блоке MAC (multiply and accumulate), перебор элементов массива в соответствии с выбранной последовательностью индексов с помощью генератора адреса.

Области применения сигнальных процессоров с гарвардской архитектурой

• коммуникационное оборудование;

– Уплотнение каналов передачи данных;

– Кодирование аудио- и видеопотоков;

• системы гидро- и радиолокации;

• распознавание речи и изображений;

• речевые и музыкальные синтезаторы;

• анализаторы спектра;

• управление технологическими процессами;

• другие области, где необходима быстродействующая обработка сигналов, в том числе в реальном времени.

Основные параметры ЦСП

• Тип арифметики. ЦСП делятся на процессоры, обрабатывающие данные с фиксированной точкой и обрабатывающие данные с плавающей точкой. Устройства с плавающей точкой удобнее в применении, но они заметно сложнее по устройству и более дороги;

• Разрядность данных. Большинство ЦСП с фиксированной точкой обрабатывают данные с разрядностью 16 бит, процессоры с плавающей точкой — 32 бита. Многие модели могут обрабатывать данные с двойной точностью.

• Быстродействие. Быстродействие как интегральную характеристику определить достаточно сложно, поэтому скорость работы характеризуют несколькими параметрами, а также временем решения некоторых реальных задач.

– Тактовая частота и время командного цикла. Для современных ЦСП тактовая внутренняя частота может отличаться от внешней, поэтому могут указываться два значения. Время командного цикла указывает на время выполнения одного этапа команды, то есть время одного цикла конвейера команд. Так как команды могут исполняться за разное количество циклов, а также с учётом возможности одновременного исполнения нескольких команд, этот параметр может характеризовать быстродействие ЦСП достаточно приближённо.

 

– Количество выполняемых команд за единицу времени. Различное время исполнения команд, а также исполнение нескольких команд одновременно не позволяют использовать этот параметр для надёжной характеристики быстродействия.

– Количество выполняемых операций за единицу времени (MIPS). Данный параметр учитывает одновременную обработку нескольких команд и наличие параллельных вычислительных модулей, поэтому достаточно хорошо может указывать на быстродействие ЦСП. Некоторой проблемой здесь остаётся то, что понятие «операции» чётко не формализовано. Оценка – на основе стандартных «наборов» команд.

– Количество выполняемых операций с плавающей точкой за единицу времени. Параметр аналогичен предыдущему и используется для процессоров с плавающей точкой.

• Виды и объём внутренней памяти. Объём внутренней оперативной памяти показывает, сколько данных ЦСП может обработать без обращения к внешней памяти, Тип ПЗУ определяет возможности по программированию устройства.

• Адресуемый объём памяти. Объём адресуемой внешней памяти характеризуется шириной внешней шины адреса.

• Количество и параметры портов ввода-вывода. Данный параметр показывает возможности ЦСП по взаимодействию с внешними по отношению к нему устройствами.

• Состав внутренних дополнительных устройств. В число внутренних могут входить разнообразные по назначению устройства, например, общего применения — таймеры, контроллеры ПДП и т. д., а также проблемно-ориентированные — АЦП, кодеки, компрессоры данных и другие.

• Напряжение питания и потребляемая мощность. Данная характеристика особенно важна для ЦСП, встраиваемых в переносные устройства. Обычно предпочтительнее низковольтные устройства (1,8-3,3В), которые имеют быстродействие аналогично 5В процессорам, но заметно экономнее в плане потребления энергии. Многие устройства имеют режимы экономии при простое, либо позволяют программно отключать часть своих устройств.