Procesor Blackfin: Architektura, funkce a jeho aplikace

Procesor Blackfin byl navržen, vyvinut a prodáván prostřednictvím Analog Devices & Intel jako Micro Signal Architecture (MSA). Architektura tohoto procesoru byla oznámena v prosinci 2000 a poprvé představena na ESC ( Vestavěné systémy Conference) v červnu 2001. Tento procesor Blackfin byl navržen především tak, aby splnil energetická omezení a výpočetní požadavky současných vestavěných audio, video a komunikačních aplikací. Tento článek pojednává o přehledu a procesor Blackfin – architektura a její aplikace.

Co je to procesor Blackfin?

Procesor Blackfin je 16bitový nebo 32bitový mikroprocesor která zahrnuje vestavěnou funkci DSP s pevným bodem dodávanou prostřednictvím 16bitových MAC (multiply-accumulates). Tyto procesory byly navrženy hlavně pro kombinovanou architekturu procesoru s nízkou spotřebou, která může spouštět OS a současně zpracovávat obtížné numerické úlohy, jako je kódování videa H.264 v reálném čase.

Tento procesor kombinuje 32bitové RISC a duální 16bitové funkce zpracování signálu MAC jednoduchým použitím atributů, které se nacházejí u univerzálních mikrokontrolérů. Takže tato kombinace vlastností zpracování umožňuje procesorům Blackfin dosahovat podobně dobrých výsledků jak v aplikacích pro zpracování řízení, tak pro zpracování signálu. Tato schopnost značně zjednodušuje implementační úkoly návrhu hardwaru i softwaru.

Vlastnosti Blackfin:

• Tento procesor má architekturu s jednou instrukční sadou včetně výkonu zpracování, který jednoduše splňuje/předčí produktovou řadu digitální signálový procesor nebo DSP, které poskytují lepší cenu, výkon a efektivitu paměti.
• Tento procesor s 16 nebo 32bitovou architekturou jednoduše umožňuje nadcházející vestavěné aplikace.
  Zpracování multimédií, signálů a řízení v rámci jednoho jádra.
• Zvyšuje produktivitu vývojářů.
• Má laditelný výkon v rámci dynamické správy napájení pro spotřebu energie nebo zpracování signálu.
• Je velmi rychle přijat do různých návrhů, které jsou jednoduše podporovány několika nástrojovými řetězci a také operačními systémy.
• Vyžaduje minimální optimalizaci kvůli vývojovému prostředí výkonného softwaru spojeného s výkonem jádra.
• Procesor Blackfin podporuje špičkové vývojové nástroje.
• Výkon tohoto procesoru a poloviční výkon oproti konkurenčním DSP umožňuje pokročilé specifikace a nové aplikace.

Architektura procesoru Blackfin

Procesor Blackfin poskytuje jak funkce mikrořadiče, tak zpracování digitálních signálů v rámci jednoho procesoru tím, že umožňuje flexibilitu. Tento procesor tedy obsahuje procesor SIMD (single installation multiple data) včetně některých funkcí, jako je proměnná délka RIZIKO instrukce, hlídací časovač, PLL na čipu, jednotka správy paměti, hodiny reálného času, sériové porty s rychlostí 100 Mbps, UART ovladače & SPI porty.

MMU podporuje více DMA kanály pro přenos dat mezi periferními zařízeními a paměťovými subsystémy FLASH, SDRAM a SRAM. Podporuje také datové mezipaměti a konfigurovatelné instrukce na čipu. Procesor Blackfin je jednoduchý hardware, který podporuje 8, 16 a 32bitové aritmetické operace.

Architektura Blackfin je založena hlavně na architektuře mikro signálu a byla vyvinuta společně společnostmi ADI (Analog Devices) & Intel, která zahrnuje 32bitovou instrukční sadu RISC a 8bitovou sadu video instrukcí s duálním 16bitovým multiply-accumulate (MAC) jednotky.

Analogová zařízení jsou schopna dosáhnout rovnováhy mezi požadavky DSP a MCU prostřednictvím architektury instrukční sady Blackfin. Obecně platí, že procesor Blackfin je spojen s výkonnými nástroji pro vývoj softwaru VisualDSP++, ale nyní pomocí C nebo C++ je možné vytvářet vysoce efektivní kód velmi snadno než dříve. Pro požadavky v reálném čase se podpora operačního systému stává kritickou, takže Blackfin podporuje ne. operačních systémů a ochrany paměti. Procesor Blackfin se dodává jak v jednojádrovém provedení jako BF533, BF535 & BF537, tak v dvoujádrovém provedení jako BF561.

Architektura procesoru Blackfin zahrnuje různá periferní zařízení na čipu, jako je PPI (paralelní periferní rozhraní), SPORTS (sériové porty), SPI (sériové periferní rozhraní), UART (univerzální asynchronní přijímač přijímače), univerzální časovače, RTC (v reálném čase). Hodiny), časovač Watchdog, univerzální I/O (programovatelné příznaky), Rozhraní Controller Area Network (CAN). , Ethernet MAC, periferní DMA -12, Memory to Memory DMA -2 včetně Handshake DMA, TWI (Two-Wire Interface) Controller, ladicí popř. JTAG Rozhraní a obsluha událostí s 32 Přerušit Vstupy. Všechny tyto periferie v architektuře jsou jednoduše připojeny přes různé širokopásmové sběrnice k jádru. Níže je tedy uveden popis některých z těchto periferií.

PPI nebo paralelní periferní rozhraní

Procesor Blackfin jednoduše poskytuje PPI, které je také známé jako paralelní periferní rozhraní. Toto rozhraní je přímo připojeno k paralelním analogovým na digitálním a digitálním na analogovým převodníkům, kodérům videa a dekodérům a také k dalším periferním zařízením pro všeobecné použití.

Toto rozhraní obsahuje vyhrazený vstupní pin CLK, tři piny pro synchronizaci snímků a 16 datových pinů. Zde vstupní pin CLK jednoduše podporuje paralelní datové rychlosti rovnající se polovině systémové rychlosti CLK. Tři různé režimy ITU-R 656 podporují pouze aktivní video, vertikální zatemnění a kompletní pole.

Univerzální režimy PPI jsou určeny pro širokou škálu aplikací pro přenos a sběr dat. Tyto režimy jsou tedy rozděleny do hlavních kategorií Příjem dat prostřednictvím interně generovaných synchronizací snímků, Přenos dat prostřednictvím interně generovaných synchronizací snímků, Odesílání dat prostřednictvím externě generovaných synchronizací snímků a Data přijatá prostřednictvím externě generovaných synchronizací snímků.

Sportovní

Procesor Blackfin obsahuje dva dvoukanálové synchronní sériové porty SPORT0 a SPORT1 používané pro sériovou a víceprocesorovou komunikaci. Jedná se tedy o vysokorychlostní a synchronní sériový port, který podporuje I²S , TDM a různé další konfigurovatelné režimy rámování pro připojení DAC , ADC, FPGA a další procesory.

SPI nebo port sériového periferního rozhraní

Procesor Blackfin obsahuje port SPI, který umožňuje procesoru konverzovat s různými zařízeními kompatibilními s SPI. Toto rozhraní jednoduše využívá tři kolíky pro přenos dat, datové kolíky-2 a jeden kolík CLK. Vybrané vstupní a výstupní piny portu SPI jednoduše poskytují plně duplexní SSI (synchronní sériové rozhraní), které podporuje jak režimy master & slave, tak také prostředí multi-master. Přenosová rychlost tohoto portu SPI a fáze nebo polarity hodin jsou programovatelné. Tento port má zabudovaný řadič DMA, který podporuje vysílání/příjem datových toků.

Časovače

Procesor Blackfin má 9 programovatelných jednotek časovače. Tyto časovače generují přerušení jádra procesoru pro poskytování periodických událostí určených pro synchronizaci s hodinami procesoru nebo s počtem externích signálů.

UART

Termín UART znamená port „univerzálního asynchronního přijímače vysílače“. Procesor Blackfin poskytuje 2-poloviční duplexní porty UART, které jsou zcela vhodné pro standardní UART PC. Tyto porty jednoduše poskytují základní rozhraní UART jiným hostitelům nebo periferním zařízením, aby poskytovaly poloduplexní asynchronní sériové datové přenosy s podporou DMA.

Porty UART obsahují 5 až 8 datových bitů a 1 nebo 2 stop bity a podporují 2 provozní režimy, jako je programované I/O a DMA. V prvním režimu procesor vysílá nebo přijímá data prostřednictvím čtení/zápisu I/O mapovaných registrů, kdykoli jsou data ukládána do vyrovnávací paměti dvakrát při vysílání i příjmu. Ve druhém režimu řadič DMA vysílá a přijímá data a snižuje počet přerušení nezbytných pro přenos dat z & do paměti.

RTC nebo hodiny reálného času

Hodiny reálného času procesoru blackfin jednoduše poskytují různé funkce, jako jsou stopky, aktuální čas a budík. Hodiny reálného času jsou taktovány krystalem 32,768 kHz externím k procesoru Blackfin. RTC v procesoru má napájecí kolíky, které mohou zůstat napájené a taktované, i když je zbytek procesoru Blackfin ve stavu nízké spotřeby. Hodiny reálného času poskytují řadu programovatelných možností přerušení. Vstupní frekvence CLK 32,768 kHz je oddělena až na 1 Hz signál přes předděličku. Podobně jako u ostatních zařízení mohou hodiny reálného času probudit procesor Blackfin z režimu hlubokého spánku/režimu spánku.

Watchdog Timer

Procesor Blackfin má 32bitový hlídací časovač, který se používá k provádění softwarové hlídací funkce. Programátor tedy inicializuje hodnotu počítání časovače, která umožňuje správné přerušení, a poté povolí časovač. Poté musí software znovu načíst počítadlo, než začne počítat z naprogramované hodnoty na „0“.

GPIO nebo General-Purpose I/O

GPIO je digitální signální pin, který se používá jako vstup, výstup nebo obojí a je řízen pomocí softwaru. Procesor Blackfin obsahuje GPIO (general-purpose I/O) piny, 48 obousměrné přes 3 samostatné GPIO moduly jako PORTFIO, PORTHIO & PORTGIO připojené k portu G, portu H a portu F. Každý univerzální pin portu je řízen individuálně prostřednictvím manipulace se stavem, řízením portů a registry přerušení, jako jsou GPIO DCR, GPIO CSR, GPIO IMR a GPIO ISR.

Ethernet MAC

Periferie Ethernet MAC v procesoru Blackfin poskytuje 10 až 100 Mb/s mezi MII (Media Independent Interface) a periferním subsystémem Blackfin. MAC jednoduše funguje v režimu Full-Duplex i Half-Duplex. Řadič přístupu k médiím je interně taktován z pinu CLKIN procesoru.

Paměť

Paměť architektury Blackfin Processor jednoduše poskytuje paměťové bloky úrovně 1 i úrovně 2 při implementaci zařízení. Paměť datové a instrukční paměti typu L1 je jednoduše připojena přímo k jádru procesoru, běží kompletní systémovou rychlostí CLK a poskytuje maximální výkon systému pro kritické segmenty časového algoritmu. Paměť L2, jako je paměť SRAM, je větší, což poskytuje trochu snížený výkon, je však stále rychlejší ve srovnání s pamětí mimo čip.

Struktura paměti L1 je implementována tak, aby poskytovala výkon požadovaný pro zpracování signálů při současné nabídce programů v mikrokontrolérech. Toho je dosaženo jednoduchým povolením, aby byla paměť L1 uspořádána jako SRAM, cache, jinak kombinace obojího.

Díky podpoře programovacích modelů mezipaměti a SRAM návrháři systému přiřazují kritické datové sady pro zpracování signálu v reálném čase, které vyžadují nízkou latenci a velkou šířku pásma, do paměti SRAM, zatímco ukládají řízení v reálném čase nebo úlohy OS do mezipaměti.

Režimy spouštění

Procesor Blackfin obsahuje šest mechanismů pro automatické načítání vnitřní paměti instrukce L1 po resetu. Takže různé spouštěcí režimy zahrnují hlavně; Režim spouštění z 8bitové & 16bitové externí paměti flash, sériová paměť SPI. Hostitelské zařízení SPI, UART, sériová paměť TWI, hostitel TWI a provozují se z 16bitové externí paměti, čímž se obchází spouštěcí série. Pro každý z prvních 6 spouštěcích režimů se nejprve načte 10bajtová hlavička z vnějšího paměťového zařízení. V záhlaví je tedy uvedeno ne. bajtů k přenosu a cílové adresy paměti. Několik paměťových bloků lze načíst prostřednictvím libovolné spouštěcí série. Když jsou všechny bloky jednoduše načteny, spustí se provádění programu od začátku instrukce L1 SRAM.

Režimy adresování

Režimy adresování procesoru blackfin jednoduše určují, jak má jednotlivec přístup k paměti a adresování specifikovat umístění. Režimy adresování používané v procesoru blackfin jsou nepřímé adresování, autoinkrementace/dekrementace, post modifikace, indexování s okamžitým offsetem, kruhová vyrovnávací paměť a bitová reverze.

Nepřímé adresování

V tomto režimu pole adresy v instrukci zahrnuje umístění paměti nebo registru, kdekoli je přítomna adresa efektivního operandu. Toto adresování je klasifikováno do dvou kategorií, jako je Register Indirect a Memory Indirect.

Například LOAD R1, @300

Ve výše uvedené instrukci je efektivní adresa jednoduše uložena na paměťovém místě 300.

Autoincrement/decrement Addressing

Auto-inkrementální adresování jednoduše aktualizuje ukazatele a indexové registry po právu vstupu. Výše přírůstku závisí především na velikosti velikosti slova. 32bitový přístup ke slovu může mít za následek aktualizaci ukazatele s „4“. 16bitový přístup ke slovu aktualizuje ukazatel na „2“ a 8bitový přístup ke slovu aktualizuje ukazatel na „1“. Operace čtení jak 8bitových, tak 16bitových mohou indikovat buď rozšíření o nulu/rozšíření znaménka, obsah do cílového registru. Registry ukazatelů se používají hlavně pro 8, 16 a 32bitové přístupy, zatímco indexové registry se používají pouze pro 16 a 32bitové přístupy

Například: R0 = W [ P1++ ] (Z) ;

Ve výše uvedené instrukci se 16bitové slovo načte do 32bitového cílového registru z cílené adresy přes registr ukazatele ‚P1‘. Poté se ukazatel zvýší o 2 a slovo se rozšíří na „0“, aby zaplnilo 32bitový cílový registr.

Podobně funguje automatické dekrementování snížením adresy po právu vstupu.

Například: R0 = [ I2– ] ;

Ve výše uvedené instrukci se do cílového registru načte 32bitová hodnota a redukuje index index o 4.

Adresování po úpravě

Tento typ adresování jednoduše používá hodnotu v registrech Index/Pointer jako efektivní adresu. Poté jej upraví obsahem registru. Registry indexů se jednoduše mění pomocí upravených registrů, zatímco registry ukazatelů se mění jinými registry ukazatelů. Stejně jako cílové registry ani adresování typu Post-modify nepodporuje registry ukazatelů.

Například: R3 = [ P1++P2 ] ;

Ve výše uvedené instrukci je 32bitová hodnota načtena do registru „R3“ a nalezena v umístění paměti označené registrem „P1“. Poté se hodnota v registru „P2“ přičte k hodnotě v registru P1.

Indexováno s okamžitým posunem

Indexované adresování jednoduše umožňuje programům získat hodnoty z datových tabulek. Registr Pointer se změní okamžitým polem, poté se použije jako efektivní adresa. Hodnota registru ukazatele se tedy neaktualizuje.

Pokud například P1 = 0x13, pak [P1 + 0x11] bude efektivně ekvivalentní [0x24], které je spojeno se všemi přístupy.

Bitové reverzní adresování

Pro některé algoritmy programy vyžadují bitově obrácené přenosové adresování, aby získaly výsledky v sekvenčním pořadí, zejména pro výpočty FFT (Fast Fourier Transform). Pro splnění požadavků těchto algoritmů umožňuje funkce bitově obráceného adresování generátorů datových adres opakovaně rozdělovat datové řady a ukládat tato data v bitově obráceném pořadí.

Kruhové adresování vyrovnávací paměti

Procesor Blackfin poskytuje funkci, jako je volitelné kruhové adresování, které jednoduše zvýší indexový registr o předdefinovaný rozsah adres, poté automaticky resetuje indexové registry, aby se tento rozsah opakoval. Tato funkce tedy zvyšuje výkon vstupní/výstupní smyčky tím, že pokaždé jednoduše odstraní ukazatel indexu adresy.

Kruhové adresování vyrovnávací paměti je velmi užitečné při opakovaném načítání nebo ukládání řetězce datových bloků pevné velikosti. Obsah kruhového zásobníku musí splňovat tyto podmínky:

• Maximální délka kruhové vyrovnávací paměti by měla být číslo bez znaménka s velikostí pod 231.
• Velikost modifikátoru musí být pod délkou kruhové vyrovnávací paměti.
• První umístění ukazatele „I“ musí být v kruhové vyrovnávací paměti, která je definována délkou „L“ a základnou „B“.

Pokud některá z výše uvedených podmínek není splněna, není chování procesoru specifikováno.

Registrovat soubor procesoru Blackfin

Procesor Blackfin obsahuje tři definitivní soubory registru jako; Soubor registru dat, soubor registru ukazatelů a registr DAG.

• Soubor registru dat shromažďuje operandy pomocí datových sběrnic používaných pro výpočetní jednotky a ukládá výsledky výpočtu.
• Soubor registru ukazatelů obsahuje ukazatele používané pro operace adresování.
• Registry DAG spravují kruhové vyrovnávací paměti s nulovou režií používané pro operace DSP.

Procesor Blackfin poskytuje prvotřídní správu napájení a výkon. Ty jsou navrženy pomocí nízkonapěťové a nízkopříkonové konstrukční metodiky, které jsou schopny měnit jak napětí, tak provozní frekvenci, aby se výrazně snížila celková spotřeba energie. To může mít za následek značné snížení spotřeby energie ve srovnání s pouhou změnou provozní frekvence. Takže to jednoduše umožňuje delší životnost baterie u šikovných spotřebičů.

Procesor Blackfin podporuje různé externí paměti jako DDR-SDRAM, SDRAM, NAND flash, SRAM & NOR flash. Některé procesory Blackfin také obsahují rozhraní pro hromadné ukládání dat, jako je SD/SDIO a ATAPI. Mohou také podporovat 100 megabajtů paměti v prostoru externí paměti.

Výhody

The výhody procesoru Blackfin zahrnout následující.

• Procesory Blackfin poskytují návrhářům systému základní výhody.
• Procesor Blackfin nabízí softwarovou flexibilitu a také škálovatelnost pro konvergentní aplikace, jako je zpracování zvuku, videa, hlasu a obrazu ve více formátech, zabezpečení v reálném čase, zpracování řízení a vícemódové zpracování paketů v základním pásmu
• Efektivní kapacita řídicího zpracování a vysoce výkonné zpracování signálu umožňuje různé nové trhy a aplikace.
• DPM (Dynamic Power Management) umožňuje projektantovi systému zejména upravit spotřebu energie zařízení podle požadavků koncového systému.
• Tyto procesory výrazně snižují dobu vývoje a náklady.

Aplikace

The aplikace procesoru Blackfin zahrnout následující.

• Procesory Blackfin jsou ideální pro mnoho aplikací, např ADAS (automobilové pokročilé asistenční systémy pro řidiče) , sledovací nebo bezpečnostní systémy a průmyslové strojové vidění.
• Aplikace Blackfin zahrnují řídicí systémy servomotorů, automobilovou elektroniku, monitorovací systémy a multimediální spotřebitelská zařízení.
• Tyto procesory jednoduše provádějí funkce mikrokontroléru a zpracování signálu.
• Používají se pro audio, řízení procesů, automobilový průmysl, testování, měření atd.
• Procesory Blackfin se používají v aplikacích pro zpracování signálu, jako je širokopásmové bezdrátové připojení, mobilní komunikace a internetová zařízení s podporou zvuku nebo videa.
• Blackfin se používá v konvergentních aplikacích, jako jsou síťová a streamovaná média, digitální domácí zábava, automobilová telematika, infotainment, mobilní televize, digitální rádio atd.
• Procesor Blackfin je vestavěný procesor, který se vyznačuje energetickou účinností a nejvyšším výkonem používaným v aplikacích, kde jsou důležité víceformátový hlas, zvuk, video, vícerežimové základní pásmo, zpracování obrazu, zpracování paketů, zabezpečení a řízení v reálném čase.

Tedy, toto je přehled procesoru Blackfin – architektura, výhody a její aplikace. Tento procesor provádí zpracování signálu a funkce mikrokontroléru. Zde je pro vás otázka, co je to procesor?