Technika mikroprocesorowa W. Daca, Politechnika Szczecińska

Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
•
Geneza powstania mikrokontrolerów 32-bitowych jest zupełnie inna niż mikrokontrolerów
8- i 16-bitowych. Już w latach 90-tych stało się jasne, że rozwój oprogramowania nie
nadąża za rozwojem mikroprocesorów.
•
W tej sytuacji naturalnym pomysłem było wykorzystanie mikroprocesorów poprzednich
generacji jako bazy do tworzenia mikrokontrolerów. W taki sposób zaprojektowane
mikrokontrolery określane są czasem jako mikroprocesory zagnieżdżone (embedded
microprocessor).
•
Podstawową zaletą takiego rozwiązania jest możliwość wykorzystania istniejącego
oprogramowania, a przede wszystkim programów narzędziowych do ich tworzenia
(kompilator, linker itp.) opracowanych dla bazowego mikroprocesora.
•
Wadą tego rozwiązania jest czasami niedostateczne dostosowanie architektury takich
mikrokontrolerów do wymagań pracy w systemach pomiarowo-kontrolnych i
komunikacyjnych. Dotyczy to głównie układów przerwań.
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
1
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
•
Tendencja do tworzenia mikrokontrolerów jako mikroprocesorów zagnieżdżonych wydaje
się trwała. Obecnie praktycznie każdy mikroprocesor 32-bitowy oferowany jest w wersji
„embedded”.
•
Rynek mikrokontrolerów 32-bitowych jest najbardziej dynamicznie rozwijającym się
segmentem rynku mikrokontrolerów
•
Motorem napędowym rozwoju tej grupy mikrokontrolerów jest telekomunikacja.
Współczesne aplikacje z dziedziny telekomunikacji wymagają zarówno dużych mocy
obliczeniowych ze względu na konieczność obsługi wielu szybkich łączy komunikacyjnych
jak i bardzo zaawansowanych specjalizowanych układów peryferyjnych
•
W ostatnich latach obserwuje się zwiększone zapotrzebowanie na mikrokontrolery 32bitowe ze strony przemysłu komunikacyjnego (automotive, aerospace)
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
2
Technika mikroprocesorowa
Przykładowe rodziny mikrokontrolerów 32-bitowych
oznaczenie rodziny
80960VH
80386EX
ColdFire
MPC5xx/6xx/7xx/8xx
ARM embedded
producent
Intel
Intel
Motorola/Freescale
Motorola/Freescale
Freescale, TI
mikroprocesor bazowy
i960
80386
68k
PowerPC
ARM archtecture
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
3
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32 bitowe
Intel 80386EX
From Wikipedia, the free encyclopedia
The Intel 80386EX (386EX) is a variant of the Intel 386 microprocessor designed for
embedded systems. Introduced in August 1994 and was successful in the market being used
aboard several orbiting satellites and microsatellites.
Characteristics
Introduced August 1994
Variant of 80386SX intended for embedded systems
Static core, i.e. may run as slowly (and thus, power efficiently) as desired, down to full halt
On-chip peripherals:
clock and power mgmt
timers/counters
watchdog timer
serial I/O units (sync and async) and parallel I/O
DMA
RAM refresh
JTAG test logic
Used aboard several orbiting satellites and microsatellites
Used in NASA's FlightLinux project
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
4
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
ARM architecture
From Wikipedia, the free encyclopedia
•
The ARM architecture (previously, the Advanced RISC Machine, and prior to that Acorn
RISC Machine) is a 32-bit RISC processor architecture developed by ARM Limited that is
widely used in a number of embedded designs. Because of their power saving features,
ARM CPUs are dominant in the mobile electronics market, where low power consumption is
a critical design goal.
•
Today, the ARM family accounts for approximately 75% of all embedded 32-bit RISC CPUs,
making it the most widely used 32-bit architecture in the world.
•
ARM CPUs are found in all corners of consumer electronics, from portable devices (PDAs,
mobile phones, media players, handheld gaming units, and calculators) to computer
peripherals (hard drives, desktop routers).
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
5
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
ARM architecture
From Wikipedia, the free encyclopedia
ARM11
•
CPU: RISC, 8-stage pipeline
•
MIPS: 740 @ 600 MHz
•
Applications: Nokia N93, Nokia N95, Apple iPhone’ Motorola RIZR Z8, Motorola RIZR Z10
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
6
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
Mikrokontrolery rodziny MPC860 wprowadzone zostały na rynek w drugiej połowie lat
dziewięćdziesiątych. Jest to zatem najnowsza generacja mikrokontrolerów. Ich opracowanie
przez firmę Motorola wiązało się z następującymi faktami:
•
Motorem rozwoju mikrokontrolerów w latach 90-tych stały się techniki komunikacyjne
(m.in. takie tendencje jak integracja sieci komputerowych i telekomunikacyjnych, rozwój
sieci szerokopasmowych oraz upowszechnianie się Internetu).
•
Dla zaspokojenia tych wymagań firma Motorola oferowała dotychczas 32-bitowe
mikrokontrolery bazujące na jednostce centralnej 68000. Dla najbardziej zaawansowanych
zastosowań zarówno moc obliczeniowa jednostki centralnej jak i zestaw wewnętrznych
układów peryferyjnych okazywały się często niewystarczające.
•
Od połowy lat 90-tych firma Motorola dysponowała bardzo nowoczesnymi jednostkami
centralnymi określanymi jako PowerPC. Zostały one opracowane wspólnie z firmą IBM jako
alternatywa dla jednostek centralnych typu Pentium w zastosowaniach dla komputerów
osobistych.
Logiczną konsekwencją tej sytuacji było zatem wykorzystanie jednostki centralnej PowerPC do
budowy nowej generacji mikrokontrolerów zorientowanych są na zastosowania komunikacyjne.
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
7
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
Schemat blokowy mikrokontrolerów rodziny MPC860
jednostka centralna (CPU)
PowerPC
pamięci
podręczne
moduł integracji przez
szyny systemowe
(SIU)
moduł procesora komunikacyjnego (CPM)
•
•
•
CPU - jednostka centralna bazująca na PowerPC z pamięciami
podręcznymi danych (Data Cache Memory) i programu
(Instruction Cache Memory)
SIU (System Integration Unit) - moduł zawierający urządzenia
peryferyjne przeznaczone głownie do integracji mikrokontrolera
z układami zewnętrznymi poprzez szyny systemowe
CPM (Communication Processor Module) – moduł zawierający
urządzenia peryferyjne, głównie zaawansowane łącza
komunikacji szeregowej
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
8
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
CPU
SIU
pamięć podręczna
programu
kontroler pamięci zewnętrznych
moduł zarządzania
sterownik zewnętrznych
szyn systemowych
PowerPC
moduł zarządzania
zegar czasu rzeczywistego
pamięć podręczna
danych
porty PCMCIA
DP RAM
S
C
C
1
S
C
C
2
S
C
C
3
S
C
C
4
S
M
C
1
S
M
C
2
S
P
I
I
2
C
32-bit RISC
jednostka
centralna
układy generatory
czasowe prędkości
transmisji
CPM
moduł multipleksacji czasowej
porty
Budowa wewnętrzna mikrokontrolera MPC860
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
9
Technika mikroprocesorowa
Mikrokontrolery 32-bitowe
szyna adresowa (0-31)
zasilanie układu
szyna danych (0-31)
port A (0-15)
szyna sterująca
port B (14-31)
MPC860
przerwania zewnętrzne
kontrola pamięci zewnętrznych
port C (4-15)
reset jednostki centralnej
port D (3-15)
zegar taktujący
PCMCIA port A
standard JTAG /
wewnętrzny debugger
PCMCIA port B
Wyprowadzenia– w liczbie 357 – można podzielić na następujące grupy:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
napięcia zasilające (+5 oraz 3.3 V)
wyprowadzenia dla podłączenia oscylatora kwarcowego (80 MHz)
szyny systemowe (szyna danych, adresowa oraz sterująca)
sygnały sterujące pamięciami zewnętrznymi (m.in. typu CS – Chip Select)
wejścia przerwań zewnętrznych
sygnały związane z resetowaniem jednostki centralnej
wyprowadzenia portów (z alternatywną funkcją wejść i wyjść łączy komunikacyjnych)
wyprowadzenia portów zgodnych ze standardem PCMCIA
wyprowadzenia służące do testowania układu (według standardu JTAG) oraz umożliwiające dostęp do
wewnętrznych mechanizmów sprzętowych wspomagających uruchamianie oprogramowania
(Debugger Port)
W. Daca, Politechnika Szczecińska, Wydział Elektryczny, 2007/08
10