Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19890203Elc027.shtml

Встроенные контроллеры: не только высокое быстродействие

УДК 681.327.8

Дейвид Л. Хаус
Руководитель группы микрокомпьютерных компонентов Intel Corp.

Embedded control: more than mips, No.16, pp.159,160.

Нет ни одной архитектуры микропроцессора, которая бы удовлетворяла разнообразным требованиям как рынка универсальных программируемых устройств, так и рынка встроенных контроллеров. Здесь нет никакой ошибки, поскольку это два совершенно разных рынка.

Выбор архитектуры универсальных программируемых устройств целиком определяется используемым программным обеспечением: Unix, DOS и т.д. При покупке же некоторого устройства на выбор архитектуры высокоразвитого 32-разрядного встроенного контроллера влияют три фактора: широта номенклатуры изделий данной серии, аппаратные и программные инструментальные средства, а также возможности поставщика.

Можно выделить четыре класса встроенных контроллеров: многофункциональные контроллеры, контроллеры данных, контроллеры событий и системные контроллеры. Ключевым является тот факт, что изготовители комплексного оборудования требуют наличия единственного высокоразвитого 32-разрядного семейства ИС, которое охватывало бы все области применения встроенных контроллеров. Широта номенклатуры в настоящее время — это не роскошь, а насущная необходимость.

Решение о том, какую архитектуру использовать для микропроцессора, теперь принимает не инженер-проектировщик. Давно прошли времена, когда под каждый отдельный проект выбирался уникальный процессор и связанное с ним оборудование. Теперь главное руководство требует обеспечить единую архитектурную базу, удовлетворяющую всем требованиям.

Встроенные контроллеры применяются в многофункциональных системах, системах параллельной обработки информации и военной аппаратуре. Системные контроллеры используются при обработке изображений, в робототехнике, при управлении производственными процессами и в аппаратуре связи. Контроллеры данных используются для преобразования протоколов и для управления вводом-выводом. Контроллеры событий управляют электродвигателями, автомобильными двигателями, станками и измерительным оборудованием. Этот список областей применения встроенных контроллеров может со временем только расшириться.

В качестве важного критерия выбора нужно также учитывать наличие реализованных на кристалле функций периферийных устройств и простоту проектирования на системном уровне, так как эти факторы влияют на общую сумму затрат на разработку системы. Высокое быстродействие, измеряемое миллионами команд в секунду, важно, но само по себе еще не определяет высокой производительности встроенного устройства в целом. Для оценки производительности системы ключевыми являются такие характеристики, как разрядность шины, время обработки прерываний, возможность достижения высокой скорости передачи данных и наличие легко настраиваемого интерфейса с внешней аппаратурой.

Быстродействующий контроллер прерываний — это абсолютная необходимость. Он должен иметь несколько входов и развитую внутреннюю логическую схему по обработке приоритетов и синхронизации внешних событий. Если контроллер прерываний встроен в кристалл, то это существенно снижает затраты на разработку системы.

Встроенные устройства, выполняющие большой объем вычислений при расчетах или при обработке изображений, должны оперировать не только целыми числами, но и числами с плавающей запятой. Реализация на одном кристалле основного процессора и сопроцессора по обработке чисел с плавающей точкой не только повышает производительность всей системы, но и снижает общие затраты на ее разработку.

Затраты на разработку встроенных устройств зависят также от стоимости внутренней логики и подсистемы памяти. Если архитектура встроенного процессора-контроллера такова, что вместо 17 или 27 программируемых логических матриц требуется лишь семь, то это существенно снижает общие затраты. Система, которая обеспечивает требуемую производительность, используя стандартные динамические ЗУПВ, сэкономит изготовителю средства по сравнению с системой, требующей применения более дорогого видеоОЗУ.

Программное обеспечение — это основа «скрытой интеллектуальности» или функциональности встроенных контроллеров. Если ошибки в прикладных программах могут временно ухудшить условия работы конечного пользователя на персональном компьютере, то ошибки в программном обеспечении встроенных контроллеров могут вывести из строя дорогостоящее оборудование конечного пользователя.

Архитектура встроенных устройств должна обеспечивать простоту программирования на одном из языков высокого уровня, например Си, а также средства отладки программного обеспечения и высокую надежность. Кроме простоты кодирования в архитектуре кристалла следует предусматривать эффективные средства отладки программного обеспечения, что должно гарантировать точность работы системы. Высокопроизводительный встроенный процессор должен поддерживать языки программирования высокого уровня и ядра ОС, работающих в реальном масштабе времени, чтобы обеспечить подходящие условия разработки программного обеспечения.

На рынке встроенных контроллеров программа, разработанная системным программистом изготовителя комплексного оборудования, влияет на функциональное назначение конечного продукта. Поскольку после ввода процессора в эксплуатацию испытать или отладить управляющую программу нелегко, в его архитектуру должны быть введены средства самотестирования и отладки.

Производительность может также зависеть от программирования. Для создания быстродействующих контроллеров нужно части программы, сильно влияющие на быстродействие, писать на языке ассемблера. А это значит, что при этом нужно избегать неприятностей, связанных с конвейерной обработкой, и запрещенных последовательностей команд.

Помимо всего вышеизложенного самая горячая дискуссия развернулась вокруг вопроса о том, что лучше: компьютеры с полным (CISC) или с сокращенным набором команд (RISC). Желательно достичь компромиссного решения, реализующего лучшие характеристики обоих подходов.

На практике для повышения скорости выполнения операций во встроенных контроллерах используются некоторые специфические особенности RISC-метода: команды загрузки и записи, операции пересылки из регистра в регистр и таблица указателей регистровой памяти. Другие улучшения архитектуры встроенных контроллеров (специализированные наборы команд, облегчающие программирование, и встроенные средства самотестирования и отладки) нехарактерны для RISC-подходов.

Последний фактор, влияющий на выбор архитектуры встроенного контроллера, связан с возможностями поставщика оборудования. Здесь речь идет не о величине компании, поставляющей оборудование, а о том, имеет ли она соответствующие сервисные возможности и стремление удовлетворить все требования потребителей встроенных контроллеров. Это стремление выражается в обеспечении широкой номенклатуры изделий необходимой документацией, руководствами по применению и знающим персоналом, способным оказать помощь.

Еще раз подчеркнем, что ни одна архитектура микропроцессоров не в состоянии удовлетворить различные запросы рынка встроенных контроллеров и рынка универсальных программируемых процессоров. Поэтому с точки зрения фирмы Intel или другого поставщика ИС вполне оправданно израсходовать часть средств на разработку различных архитектур с тем, чтобы удовлетворить специфические особенности каждого из рынков.

Вопрос Electronics: Как бы вы определили различия двух рынков: универсальных программируемых ИС и ИС встроенных контроллеров?

Ответ Хауса: Успех на рынке универсальных ИС определяется прикладным программным обеспечением. На рынок ИС встроенных контроллеров оказывают влияние четыре фактора: гибкость архитектуры и ее технические характеристики, программные и аппаратные средства разработки, широта номенклатуры изделий и стабильность поставщика.

В. Когда вы говорите о специализированных процессорах, куда относите специализированные [по применениям] ИС (ASIC)?

О. Сегодня разработчики встроенных контроллеров используют 32-разрядные процессоры и вспомогательные стандартные или заказные ИС. Я считаю, что в будущем появятся варианты этих 32-разрядных процессоров, специализированные под области наиболее массового применения. Мне кажется, что первым появится контроллер-процессор лазерного принтера, поскольку соответствующий рынок — это один из самых больших рынков сбыта 32-разрядных процессоров

В. Насколько важен рынок 32-разрядных ИС с точки зрения микроконтроллеров? Как велик этот рынок?

О. Это небольшой, но перспективный рынок. Хотя объем выпускаемой продукции в настоящее время невелик, в денежном выражении он составляет больший процент от общего объема продаж, так как эта продукция приносит сравнительно высокую прибыль.

В. В статье вы проводите мысль о том, что быстродействие — это не все...

О. Миллионы команд в секунду — это не все, что нужно для характеристики встроенных контроллеров. Чаще время обработки прерываний оказывается наиболее важным параметром. Также важно учитывать работу некоторых встроенных программ. Например, для работы встроенной программы могут понадобиться вычисления с плавающей точкой, следовательно, наличие или отсутствие арифметического блока с плавающей точкой влияет на производительность. В других случаях, например, при контроле событий, быстродействие может измеряться не миллионами команд или операций с плавающей точкой в секунду, а временем обработки прерываний. Требования рынка встроенных контроллеров к производительности гораздо шире, чем требования рынка универсальных программируемых процессоров. Поэтому оценить производительность здесь труднее, чем, скажем, измерить мощность двигателя.

В. Как потребитель может оградить себя от втягивания в войну (жертвой которой он может стать) за увеличение производительности, измеряемой миллионами команд в секунду?

О. Он должен четко уяснить суть приложения и требования к кристаллу. Я имею в виду то, что кристалл может выполнять в секунду больше команд, чем любой другой кристалл в мире, но иметь недостаточно малое время обработки прерываний, или недостаточную производительность, измеряемую в миллионах операций с плавающей точкой в секунду (Мфлопс), или отставать по какому-то другому важному параметру.

В. Что вы можете добавить по вопросу о CISC- и RISC-архитектурах, которого вы коснулись в конце статьи?

О. RISC-архитектуру в чистом виде во встроенных контроллерах реализовать исключительно сложно. Обычно во встроенных контроллерах ограничения на программное обеспечение и требования к производительности системы заставляют писать программы на ассемблере. В случае машины с чисто RISC-архитектурой, у которой число команд и режимов адресации ограничено, программировать на ассемблере очень трудно. При программировании на языке низкого уровня всегда хочется иметь более эффективный набор команд и более широкие возможности адресации. Основной принцип RISC-архитектуры заключается в том, что программирование ведется на языке высокого уровня. Во все большем числе приложений, связанных с использованием высокоразвитых встроенных контроллеров, программирование ведется на языках высокого уровня, например на Си, однако неизменно важные с точки зрения производительности части программ «переводятся» на язык ассемблера. Всегда можно достичь более высокой производительности системы, программируя на ассемблере, чем полагаясь на компилятор с языка высокого уровня. Для универсальных процессоров можно использовать RISC-архитектуру в чистом виде, но для встроенных процессоров-контроллеров, как мне кажется, она годится в слегка улучшенном виде, что мы и сделали для серии 80960.

В. Планируете ли вы использовать серию 80960 в качестве основы специализированных ИС?

О. В перспективе да. Я думаю, что в будущем потребители будут пользоваться специализированными вариантами стандартных изделий

Дейвид Л. Хаус

Руководитель группы микрокомпьютерных компонентов, фирма Intel, Санта-Клара, шт.Калифорния. Возраст — 45 лет.

Карьера — поступил на работу в Intel в 1974г. В руководстве с 1982г. В 1984г. возглавил группу микрокомпьютерных компонентов.

Позиция Хауса — «не измеряйте производительность 32-разрядных встроенных контроллеров только миллионами команд в секунду».

[No.16, pp.159,160].

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 61, No.20 (799), 1988г - пер. с англ. М.: Мир, 1988, стр.96

Electronics Vol.61 No.16 October, 1988 VNU Business Publication Inc.

Embedded control: more than mips, No.16, pp.159,160.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Контроллеры





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Intel/D19890203Elc027.shtml