Вычислительные ядра встраиваемых систем. Типы и особенности

1 2 3 4 5 6 7

Рассмотрим 5 типов вычислительных ядер:

- Микроконтроллер (mC)

- Микропроцессор (mP)

- FPGA Software Processor

- EPGA Embedded Processor

- ASIC (интегральная схема специального назначения)

1) Микроконтроллер – это микропроцессор, который управляет всеми или частью функций электронного устройства или системы. В основном, мироконтроллер это устройство, которое включает некоторые компоненты микропроцессорной системы в один микрочип, CPU ядро, память (и ROM, и RAM), несколько параллельных цифровых выводов I/O. Узкоспециализирован, в отличие от микропроцессора. В микроконтроллер входит множество переферийных блоков. Вычислительные блоки, порты ввода-вывода и прерываний дешевые и простые. Также микроконтроллер можно перепрошить в рамках программного решения: смена команд в памяти или использование некоторой ОС. Пример: PIC16А87X имеет RISC архитектуру c 35 однословными инструкциями и операционной скоростью в 20MHz, имеет 3 типа памяти: Flash Program Memory, Data Memory и EEPROM Data Memory. Дополнительно включены 5 специальных регистров с тремя таймерами.

2) Микропроцессор – это интегральная схема, которая содержит все функции центрального процессора компьютера. (Пример: Intel Pentium 4 Extreme Edition microprocessor operates at 3.2GHz)

3) Софт Процессор – логическая абстракция реального аппаратного процессора, которая существует как технческое или лингвистическое описание. Софт –процессоры могут быть описаны языком описания аппаратуры таким как VHDL, может быть промоделирован, синтезирован и даже реализован на устройствах программируемой логики таких, как CLDP или FPGA. Техническое описание (исходный код VHDL) ядра Soft-процессора называют “Intellectual Property” – ядро (IP-core).

Таким образом можно переписать сам процессор: изменить набор инструкций, изменить количество регистров, изменить количество процессоров. Т.е. достигается максимальная повторная используемость. Однако производительность ниже, чем у mP, т.к. это всего лишь эмуляция. Реализация софт-процессора – путь к конфигурируемым вычислениям. Возможна аппаратное перепрограммирование – статическое или динамическое. При динамической реконструкции можно управлять программой посредством инструкций (происходит перестройка АЛУ). (Пример: MicroBlaze soft processor from Xilinx – 32bit RISC processor with Harvard architecture.)

4) Встроенный процессор – физическая часть интегральной схемы, которая содержит ядро реального процессора. Встроенный процессор может быть центральной частью системы на чипе (System-On-a-Chip, или SOC), окруженной дополнительной аппаратурой и периферийными контроллерами. Такое встраивание позволяет быстро развести сигналы от CPU к другой встраиваемой аппаратуре. Производительность гораздо выше, чем у софт-процессора. Доступна многопроцессорность. Сам процессор может быть окружен произвольным набором вспомогательных блоков (mC).

5) ASIC – специализированная интегральная схема, которая производится по требованию для специальных назначений и высоких производительностей. Не используются повторно, т.к. специализированы для какой-то конкретной задачи. Применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства. (Пример: Helion is hardware core of AES crypto alghoritm).