Blackfin procesor: arhitektura, značajke i njegove primjene

Blackfin procesor dizajniran je, razvijen i plasiran na tržište putem Analog Devices & Intel kao Micro Signal Architecture (MSA). Arhitektura ovog procesora najavljena je u prosincu 2000. i prvi put demonstrirana na ESC-u ( Ugrađeni sustavi Conference) u lipnju 2001. Ovaj Blackfin procesor je uglavnom dizajniran da zadovolji ograničenja snage i računalne zahtjeve sadašnjih ugrađenih audio, video i komunikacijskih aplikacija. Ovaj članak govori o pregledu a Blackfin procesor – arhitektura i njezine primjene.

Što je Blackfin procesor?

Blackfin procesor je 16 ili 32-bitni mikroprocesor koji uključuje ugrađenu funkciju DSP s fiksnom točkom koju isporučuje 16-bitni MAC (množenje–akumulacija). ove procesori uglavnom su dizajnirani za kombiniranu procesorsku arhitekturu niske potrošnje koja može pokretati OS dok istovremeno obavlja teške numeričke zadatke poput H.264 video kodiranja u stvarnom vremenu.

Ovaj procesor kombinira 32-bitnu RISC i dvostruku 16-bitnu MAC funkcionalnost obrade signala jednostavnom upotrebom atributa koji se nalaze unutar mikrokontrolera opće namjene. Dakle, ova kombinacija atributa obrade omogućuje Blackfin procesorima da postižu podjednako dobre rezultate u obradi kontrole i obradi signala. Ova sposobnost uvelike pojednostavljuje zadatke implementacije dizajna hardvera i softvera.

Značajke Blackfina:

• Ovaj procesor ima arhitekturu jednog skupa instrukcija uključujući izvedbu obrade koja jednostavno zadovoljava/nadmašuje asortiman proizvoda procesor digitalnog signala ili DSP za bolju cijenu, snagu i memorijsku učinkovitost.
• Ovaj procesor 16 ili 32-bitne arhitekture jednostavno dopušta nadolazeće ugrađene aplikacije.
  Obrada multimedije, signala i upravljanja unutar jedne jezgre.
• Povećava produktivnost programera.
• Ima podesive performanse kroz dinamičko upravljanje napajanjem za potrošnju energije ili obradu signala.
• Vrlo brzo se usvaja u različite dizajne koji su jednostavno podržani od strane nekoliko lanaca alata kao i operativnih sustava.
• Zahtijeva minimalnu optimizaciju zbog razvojnog okruženja moćnog softvera u kombinaciji s osnovnom izvedbom.
• Blackfin procesor podržava vodeće razvojne alate u industriji.
• Performanse ovog procesora i pola snage konkurentskih DSP-ova omogućuju napredne specifikacije i nove aplikacije.

Arhitektura procesora Blackfin

Procesor Blackfin pruža i funkcionalnost jedinice mikrokontrolera i digitalna obrada signala unutar jednog procesora dopuštajući fleksibilnost. Dakle, ovaj procesor uključuje SIMD (single instruction multiple data) procesor uključujući neke značajke kao što je promjenjiva duljina RIZIK upute, watchdog timer, PLL na čipu, jedinica za upravljanje memorijom, sat stvarnog vremena, serijski priključci sa 100 Mbps, UART kontroleri & SPI luke.

MMU podržava višestruke DMA kanali za prijenos podataka između perifernih uređaja i memorijskih podsustava FLASH, SDRAM i SRAM. Također podržava predmemorije podataka i konfigurabilne upute na čipu. Blackfin procesor jednostavan je hardver koji podržava 8, 16 i 32-bitne aritmetičke operacije.

Arhitektura Blackfin uglavnom se temelji na arhitekturi mikro signala, a zajednički su je razvili ADI (Analog Devices) i Intel, što uključuje 32-bitni RISC skup instrukcija i 8-bitni video instrukcijski skup s dvostrukom 16-bitnom množenjem-akumulacijom (MAC) jedinice.

Analogni uređaji mogu postići ravnotežu između DSP i MCU zahtjeva kroz arhitekturu skupa instrukcija Blackfina. Općenito, Blackfin procesor je povezan sa snažnim alatima za razvoj softvera VisualDSP++, ali sada je korištenjem C ili C++ moguće proizvesti vrlo učinkovit kod vrlo jednostavno nego prije. Za zahtjeve u stvarnom vremenu podrška operativnog sustava postaje kritična, tako da Blackfin podržava br. operativnih sustava i zaštite memorije. Blackfin procesor dolazi u jednojezgrenim poput BF533, BF535 i BF537 i dvojezgrenim poput modela BF561.

Arhitektura procesora Blackfin uključuje različite periferne uređaje na čipu kao što su PPI (Parallel Peripheral Interface), SPORTS (Serial Ports), SPI (Serial Peripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), mjerači vremena opće namjene, RTC (Real-Time). Sat), Watchdog mjerač vremena, I/O opće namjene (programabilne oznake), Sučelje mreže kontrolera (CAN). , Ethernet MAC, Peripheral DMAs -12, Memory to Memory DMAs -2 uključujući Handshake DMA, TWI (Two-Wire Interface) kontroler, Debug ili JTAG Sučelje i rukovatelj događajima s 32 Prekinuti Unosi. Sve te periferije u arhitekturi jednostavno su povezane preko različitih sabirnica velike propusnosti na jezgru. Stoga je u nastavku dan opis nekih od tih perifernih uređaja.

PPI ili paralelno periferno sučelje

Blackfin procesor jednostavno pruža PPI koji je također poznat kao paralelno periferno sučelje. Ovo sučelje je izravno povezano s paralelnim analogno-digitalnim i digitalno-analognim pretvaračima, video koderima i dekoderima te također s drugim perifernim uređajima opće namjene.

Ovo sučelje uključuje namjenski ulazni CLK pin, tri okvirna sinkronizacijska pina i 16 podatkovnih pinova. Ovdje ulazni CLK pin jednostavno podržava paralelne brzine podataka jednake polovici CLK brzine sustava. Tri različita ITU-R 656 načina rada podržavaju samo Active Video, Vertical Blanking i kompletno polje.

Načini opće namjene PPI-a dani su kako bi odgovarali širokom spektru aplikacija za prijenos i snimanje podataka. Stoga su ovi načini podijeljeni u glavne kategorije Prijem podataka putem interno generiranih okvirnih sinkronizacija, Prijenos podataka putem interno generiranih okvirnih sinkronizacija, Prijenos podataka putem vanjskih generiranih okvirnih sinkronizacija i Podaci primljenih putem vanjskih generiranih okvirnih sinkronizacija.

Sportski

Blackfin procesor uključuje dva dvokanalna sinkrona serijska priključka SPORT0 i SPORT1 koji se koriste za serijsku i višeprocesorsku komunikaciju. Dakle, ovo su brzi i sinkroni serijski portovi koji podržavaju I²S , TDM i razni drugi podesivi načini kadriranja za povezivanje DAC-ovi , ADC, FPGA i drugi procesori.

SPI ili port serijskog perifernog sučelja

Procesor Blackfin uključuje SPI priključak koji procesoru omogućuje komunikaciju s raznim SPI-kompatibilnim uređajima. Ovo sučelje jednostavno koristi tri pina za prijenos podataka, podatkovne pine-2 i jedan CLK pin. Odabrani ulazni i izlazni pinovi SPI porta jednostavno daju full-duplex SSI (sinkrono serijsko sučelje) koje podržava i glavni i podređeni način rada, kao i višeglavna okruženja. Brzina prijenosa ovog SPI priključka i faza takta ili polariteti se mogu programirati. Ovaj priključak ima ugrađen DMA kontroler koji podržava slanje/primanje tokova podataka.

Tajmeri

Blackfin procesor ima 9 programabilnih mjerača vremena. Ti mjerači vremena generiraju prekide u jezgri procesora za pružanje periodičnih događaja namijenjenih sinkronizaciji sa satom procesora ili brojanjem vanjskih signala.

UART

Pojam UART označava priključak 'univerzalnog asinkronog prijemnika odašiljača'. Blackfin procesor pruža 2 polu-duplex UART priključka, koji su potpuno prilagođeni standardnim PC UART-ovima. Ovi priključci jednostavno pružaju osnovno UART sučelje za druge hostove ili periferne uređaje za pružanje DMA-podržanog, half-duplex, asinkronog serijskog prijenosa podataka.

UART priključci uključuju 5 do 8 podatkovnih bitova i 1 ili 2 zaustavna bita i podržavaju 2 načina rada kao što su programirani I/O i DMA. U prvom načinu rada procesor prenosi ili prima podatke kroz I/O-mapirane registre za čitanje/pisanje, gdje god se podaci dvaput spremaju u međuspremnik i na prijenosu i na prijemu. U drugom načinu, DMA kontroler šalje i prima podatke i smanjuje broj prekida potrebnih za prijenos podataka iz & u memoriju.

RTC ili sat stvarnog vremena

Sat u stvarnom vremenu procesora blackfin jednostavno pruža različite značajke poput štoperice, trenutnog vremena i alarma. Dakle, sat stvarnog vremena taktiran je kristalom od 32,768 kHz koji je izvan Blackfin procesora. RTC unutar procesora ima pinove za napajanje, koji mogu ostati uključeni i taktirani čak i kada je ostatak Blackfin procesora u stanju niske potrošnje. Sat stvarnog vremena pruža niz programabilnih opcija prekida. Ulazna CLK frekvencija od 32,768 kHz je odvojena do signala od 1 Hz kroz Prescaler. Slično drugim uređajima, sat stvarnog vremena može probuditi Blackfin procesor iz načina dubokog mirovanja/spavanja.

Watchdog Timer

Blackfin procesor ima 32-bitni nadzorni mjerač vremena, koji se koristi za izvršavanje softverske funkcije čuvara. Dakle, programator inicijalizira vrijednost odbrojavanja mjerača vremena koja dopušta ispravan prekid, a zatim dopušta mjerač vremena. Nakon toga, softver mora ponovno učitati brojač prije nego počne brojati od programirane vrijednosti do '0'.

GPIO ili I/O opće namjene

GPIO je digitalni signalni pin koji se koristi kao ulaz, izlaz ili oboje i njime se upravlja putem softvera. Blackfin procesor uključuje GPIO (I/O) pinove, 48 dvosmjernih preko 3 odvojena GPIO modula kao što su PORTFIO, PORTHIO i PORTGIO povezani s portom G, portom H i portom F. Svaki pin porta opće namjene kontrolira se pojedinačno kroz manipulaciju statusom, kontrolom porta i registrima prekida kao što su GPIO DCR, GPIO CSR, GPIO IMR i GPIO ISR.

Ethernet MAC

Ethernet MAC periferija u Blackfin procesoru pruža 10 do 100 Mb/s između MII (Media Independent Interface) i perifernog podsustava Blackfina. MAC jednostavno radi u Full-Duplex i Half-Duplex načinu rada. Kontroler pristupa medijima interno se taktira s CLKIN pina procesora.

Memorija

Memorija arhitekture Blackfin procesora jednostavno osigurava memorijske blokove razine 1 i razine 2 u implementaciji uređaja. Memorija L1 poput memorije podataka i uputa jednostavno je izravno povezana s jezgrom procesora, radi potpunom CLK brzinom sustava i pruža maksimalnu izvedbu sustava za kritične segmente vremenskog algoritma. L2 memorija poput SRAM memorije je veća što pruža malo smanjene performanse, međutim, još uvijek je brža u usporedbi s memorijom izvan čipa.

Struktura L1 memorije implementirana je kako bi pružila performanse potrebne za obradu signala dok nudi programe u mikrokontrolerima. To se postiže jednostavnim dopuštanjem da memorija L1 bude raspoređena kao SRAM, predmemorija, inače kombinacija oba.

Podržavajući modele programiranja predmemorije i SRAM-a, dizajneri sustava dodjeljuju kritične skupove podataka za obradu signala u stvarnom vremenu koji zahtijevaju nisku latenciju i visoku propusnost u SRAM, dok pohranjuju kontrolu u stvarnom vremenu ili OS zadatke unutar predmemorije.

Načini pokretanja

Blackfin procesor uključuje šest mehanizama za automatsko učitavanje interne L1 memorije instrukcija nakon resetiranja. Dakle, različiti načini pokretanja uglavnom uključuju; Način pokretanja iz 8-bitne i 16-bitne vanjske flash memorije, serijske SPI memorije. SPI host uređaj, UART, serijska TWI memorija, TWI Host i izvode iz 16-bitne vanjske memorije, zaobilazeći seriju pokretanja. Za svaki od prvih 6 načina pokretanja, prvo se čita 10-bajtno zaglavlje s vanjskog memorijskog uređaja. Dakle, zaglavlje označava br. bajtova koji se prenose i adresa odredišta memorije. Kroz bilo koju seriju pokretanja može se učitati nekoliko memorijskih blokova. Kada su svi blokovi jednostavno učitani, tada izvršavanje programa počinje od početka L1 instrukcije SRAM.

Načini adresiranja

Načini adresiranja procesora blackfin jednostavno određuju kako će pojedinačni pristup memoriji i adresiranje odrediti lokaciju. Načini adresiranja koji se koriste u procesoru blackfin su neizravno adresiranje, autoinkrement/dekrement, post modificiranje, indeksirano s trenutnim pomakom, kružni međuspremnik i Bit reverse.

Neizravno adresiranje

U ovom načinu rada polje adrese unutar instrukcije uključuje lokaciju memorije ili registra gdje god je prisutna adresa učinkovitog operanda. Ovo adresiranje je klasificirano u dvije kategorije kao što su Indirektno registriranje i Indirektno pamćenje.

Na primjer OPTEREĆENJE R1, @300

U gornjim uputama, efektivna adresa je jednostavno pohranjena na memorijskoj lokaciji 300.

Automatsko povećanje/smanjenje adrese

Adresiranje s automatskim povećanjem jednostavno ažurira pokazivač kao i indeksne registre nakon prava na unos. Količina povećanja uglavnom ovisi o veličini veličine riječi. 32-bitni pristup riječi može rezultirati unutar ažuriranja pokazivača s '4'. 16-bitni pristup riječi ažurira pokazivač s '2', a 8-bitni pristup riječi ažurira pokazivač s '1'. Operacije čitanja i 8-bitnog i 16-bitnog mogu ukazivati ​​ili na nulto proširenje/proširenje sa znakom sadržaja u ciljni registar. Registri pokazivača se uglavnom koriste za 8, 16 i 32-bitne pristupe, dok se indeksni registri koriste samo za 16 i 32-bitne pristupe

Na primjer: R0 = W [ P1++ ] (Z) ;

U gornjoj instrukciji, 16-bitna riječ se učitava u 32-bitni odredišni registar sa naznačene adrese kroz pokazivački registar 'P1'. Nakon toga, pokazivač se povećava s 2, a riječ se proširuje s '0' da ispuni 32-bitni odredišni registar.

Slično tome, automatsko smanjivanje radi tako što smanjuje adresu nakon prava na unos.

Na primjer: R0 = [ I2– ] ;

U gornjim uputama, 32-bitna vrijednost učitava se u odredišni registar i smanjuje indeksni registar za 4.

Adresiranje nakon izmjene

Ova vrsta adresiranja jednostavno koristi vrijednost unutar registara Index/Pointer kao učinkovita adresa. Nakon toga ga modificira sadržajem registra. Indeksni registri se jednostavno mijenjaju modificiranim registrima, dok se pokazivački registri mijenjaju drugim pokazivačkim registrima. Poput odredišnih registara, adresiranje tipa nakon izmjene ne podržava pokazivačke registre.

Na primjer: R3 = [ P1++P2 ] ;

U gornjim uputama, 32-bitna vrijednost se učitava u registar 'R3' i nalazi unutar lokacije memorije na koju ukazuje registar 'P1'. Nakon toga se vrijednost unutar registra ‘P2’ dodaje vrijednosti unutar registra P1.

Indeksirano s trenutnim pomakom

Indeksirano adresiranje jednostavno dopušta programima dobivanje vrijednosti iz podatkovnih tablica. Registar pokazivača mijenja se neposrednim poljem, nakon čega se koristi kao efektivna adresa. Dakle, vrijednost registra pokazivača nije ažurirana.

Na primjer, ako je P1 = 0x13, tada bi [P1 + 0x11] učinkovito bio ekvivalent [0x24], koji je povezan sa svim pristupima.

Obrnuto adresiranje bitova

Za neke algoritme, programi zahtijevaju adresiranje prijenosa s obrnutim bitovima kako bi se dobili rezultati sekvencijalnim redoslijedom, posebno za FFT (Fast Fourier Transform) izračune. Kako bi se zadovoljili zahtjevi ovih algoritama, značajka bit-obrnutog adresiranja generatora adresa podataka opetovano omogućuje podjele nizova podataka i pohranjivanje ovih podataka unutar bit-obrnutog redoslijeda.

Cirkularno adresiranje međuspremnika

Blackfin procesor pruža značajku kao što je opcijsko kružno adresiranje koje jednostavno povećava indeksni registar za unaprijed definirani raspon adresa, nakon čega automatski resetira indeksne registre kako bi ponovio taj raspon. Dakle, ova značajka poboljšava performanse ulazno/izlazne petlje jednostavnim uklanjanjem pokazivača indeksa adrese svaki put.

Kružno adresiranje međuspremnika vrlo je korisno kada se opetovano učitava ili pohranjuje niz blokova podataka fiksne veličine. Sadržaj kružnog međuspremnika mora ispunjavati ove uvjete:

• Maksimalna duljina kružnog međuspremnika trebala bi biti broj bez predznaka s veličinom ispod 231.
• Veličina modifikatora mora biti ispod duljine kružnog međuspremnika.
• Prva lokacija pokazivača 'I' mora biti u kružnom međuspremniku koji je definiran duljinom 'L' i bazom 'B'.

Ako bilo koji od gornjih uvjeta nije zadovoljen, tada ponašanje procesora nije navedeno.

Registarska datoteka Blackfin procesora

Blackfin procesor uključuje tri definitivne registarske datoteke kao što su; Datoteka registra podataka, datoteka pokazivača registra i DAG registar.

• Datoteka registra podataka prikuplja operande pomoću podatkovnih sabirnica koje se koriste za računske jedinice i pohranjuje računske rezultate.
• Datoteka registra pokazivača uključuje pokazivače koji se koriste za operacije adresiranja.
• DAG registri upravljaju kružnim međuspremnicima bez opterećenja koji se koriste za DSP operacije.

Blackfin procesor pruža prvoklasno upravljanje napajanjem i performanse. Oni su dizajnirani s metodologijom projektiranja niskog napona i male snage koja može varirati i napon i radnu frekvenciju kako bi se značajno smanjila ukupna iskorištenost energije. To može rezultirati značajnim smanjenjem iskorištenja energije u usporedbi sa samom promjenom radne frekvencije. To jednostavno omogućuje dulje trajanje baterije za praktične uređaje.

Blackfin procesor podržava različite vanjske memorije kao što su DDR-SDRAM, SDRAM, NAND flash, SRAM & NOR flash. Neki Blackfin procesori također sadrže sučelja za masovnu pohranu kao što su SD/SDIO i ATAPI. Također mogu podržati 100 megabajta memorije unutar prostora vanjske memorije.

Prednosti

The prednosti Blackfin procesora uključuju sljedeće.

• Blackfin procesori pružaju osnovne prednosti dizajneru sustava.
• Blackfin procesor nudi softversku fleksibilnost, kao i skalabilnost za konvergentne aplikacije kao što su audio, video, glasovna i obrada slike u više formata, sigurnost u stvarnom vremenu, obrada kontrole i obrada paketa u više modova osnovnog pojasa
• Učinkoviti kapacitet obrade kontrole i obrada signala visokih performansi omogućuju različita nova tržišta i aplikacije.
• DPM (Dynamic Power Management) omogućuje dizajneru sustava da posebno modificira potrošnju energije uređaja prema zahtjevima krajnjeg sustava.
• Ovi procesori uvelike smanjuju vrijeme i troškove razvoja.

Prijave

The primjene procesora Blackfin uključuju sljedeće.

• Blackfin procesori idealni su za mnoge primjene poput ADAS (automobilski napredni sustavi pomoći vozaču) , nadzorni ili sigurnosni sustavi & industrijski strojni vid.
• Blackfin aplikacije uključuju sustave upravljanja servo motorima, automobilsku elektroniku, sustave nadzora i multimedijske potrošačke uređaje.
• Ovi procesori jednostavno obavljaju funkcije mikrokontrolera i obrade signala.
• Koriste se za audio, kontrolu procesa, automobilsku industriju, testiranje, mjerenje itd.
• Blackfin procesori se koriste u aplikacijama za obradu signala kao što su širokopojasne bežične veze, mobilne komunikacije i audio ili video internetski uređaji.
• Blackfin se koristi u konvergentnim aplikacijama kao što su umreženi i strujni mediji, digitalna kućna zabava, automobilska telematika, infotainment, mobilna TV, digitalni radio itd.
• Blackfin procesor je ugrađeni procesor koji ima energetsku učinkovitost i najviše performanse koje se koriste u aplikacijama gdje god su značajni multi-format glasa, audio, video, multi-mode baseband, obrada slike, obrada paketa, sigurnost u stvarnom vremenu i obrada kontrole.

Dakle, ovo je pregled Blackfin procesora – arhitektura, prednosti i njezine primjene. Ovaj procesor obavlja obradu signala i funkcije mikrokontrolera. Ovdje je pitanje za vas, što je procesor?