Процессор Blackfin: архитектура, функции и приложения

Процессор Blackfin был спроектирован, разработан и продан через Analog Devices и Intel как Micro Signal Architecture (MSA). Архитектура этого процессора была анонсирована в декабре 2000 года и впервые продемонстрирована на выставке ESC ( Встроенные системы Conference) в июне 2001 года. Этот процессор Blackfin был в основном разработан для удовлетворения ограничений по мощности и вычислительных требований современных встроенных аудио-, видео- и коммуникационных приложений. В этой статье обсуждается обзор Процессор Blackfin – архитектура и ее приложения.

Что такое процессор Blackfin?

Процессор Blackfin — 16- или 32-разрядный. микропроцессор который включает в себя встроенную функциональность DSP с фиксированной точкой, предоставляемую через 16-битные MAC (умножение-накопление). Эти процессоры были в основном разработаны для комбинированной архитектуры процессора с низким энергопотреблением, которая может запускать ОС при одновременном выполнении сложных числовых задач, таких как кодирование видео H.264 в реальном времени.

Этот процессор сочетает в себе 32-битный RISC и двойную 16-битную функциональность обработки сигналов MAC, легко используя атрибуты, которые можно найти в микроконтроллерах общего назначения. Таким образом, эта комбинация атрибутов обработки позволяет процессорам Blackfin добиться одинаково высоких результатов как в приложениях обработки управления, так и в приложениях обработки сигналов. Эта возможность значительно упрощает как задачи реализации аппаратного, так и программного обеспечения.

Особенности черного плавника:

• Этот процессор имеет архитектуру с одним набором команд, включая производительность обработки, которая просто соответствует или превосходит линейку продуктов процессор цифровых сигналов или DSP, чтобы обеспечить лучшую стоимость, мощность и эффективность памяти.
• Этот процессор с 16- или 32-разрядной архитектурой просто поддерживает будущие встраиваемые приложения.
  Обработка мультимедиа, сигналов и управления в одном ядре.
• Это увеличивает производительность разработчиков.
• Он имеет настраиваемую производительность при динамическом управлении питанием для энергопотребления или обработки сигналов.
• Он очень быстро внедряется в различные проекты, которые просто поддерживаются несколькими наборами инструментов, а также операционными системами.
• Он требует минимальной оптимизации из-за среды разработки мощного программного обеспечения в сочетании с производительностью ядра.
• Процессор Blackfin поддерживает ведущие в отрасли средства разработки.
• Производительность этого процессора и вдвое меньше мощности, чем у конкурирующих DSP, позволяют использовать расширенные спецификации и новые приложения.

Архитектура процессора Blackfin

Процессор Blackfin обеспечивает как функции микроконтроллера, так и цифровая обработка сигналов в пределах одного процессора, обеспечивая гибкость. Таким образом, этот процессор включает в себя процессор SIMD (одна инструкция, несколько данных), включая некоторые функции, такие как переменная длина РИСК инструкции, сторожевой таймер, встроенный PLL, блок управления памятью, часы реального времени, последовательные порты со скоростью 100 Мбит/с, UART контроллеры и СПИ порты.

MMU поддерживает несколько прямой доступ к памяти каналы для передачи данных между периферийными устройствами и подсистемами памяти FLASH, SDRAM и SRAM. Он также поддерживает кэширование данных и настраиваемые встроенные инструкции. Процессор Blackfin представляет собой простое аппаратное обеспечение, поддерживающее 8-, 16- и 32-разрядные арифметические операции.

Архитектура Blackfin в основном основана на архитектуре микросигнала, которая была разработана совместно ADI (Analog Devices) и Intel и включает 32-битный набор инструкций RISC и 8-битный набор видеоинструкций с двойным 16-битным умножением-накоплением. (MAC) единиц.

Аналоговые устройства способны достичь баланса между требованиями DSP и MCU благодаря архитектуре набора команд Blackfin. Как правило, процессор Blackfin сочетается с мощными инструментами разработки программного обеспечения VisualDSP++, но теперь, используя C или C++, можно гораздо проще создавать высокоэффективный код, чем раньше. Для требований реального времени поддержка операционной системы становится критически важной, поэтому Blackfin поддерживает нет. операционных систем и защиты памяти. Процессор Blackfin бывает одноядерным, например BF533, BF535 и BF537, и двухъядерным, например BF561.

Архитектура процессора Blackfin включает в себя различные встроенные периферийные устройства, такие как PPI (параллельный периферийный интерфейс), SPORTS (последовательные порты), SPI (последовательный периферийный интерфейс), UART (универсальный асинхронный приемник-передатчик), таймеры общего назначения, RTC (режим реального времени). часы), сторожевой таймер, ввод-вывод общего назначения (программируемые флаги), Интерфейс локальной сети контроллера (CAN) , Ethernet MAC, периферийные DMA -12, DMA памяти -2, включая Handshake DMA, контроллер TWI (двухпроводной интерфейс), отладчик или JTAG Интерфейс и обработчик событий с 32 Прерывать Входы. Вся эта периферия в архитектуре просто подключается через разные высокоскоростные шины к ядру. Итак, описание некоторых из этих периферийных устройств приведено ниже.

PPI или параллельный периферийный интерфейс

Процессор Blackfin просто предоставляет PPI, который также известен как параллельный периферийный интерфейс. Этот интерфейс напрямую подключен к параллельным аналого-цифровым и цифро-аналоговым преобразователям, видеокодерам и декодерам, а также к другим периферийным устройствам общего назначения.

Этот интерфейс включает в себя выделенный входной контакт CLK, три контакта кадровой синхронизации и 16 контактов данных. Здесь входной вывод CLK просто поддерживает скорость параллельных данных, равную половине скорости системного CLK. Три разных режима ITU-R 656 поддерживают только активное видео, гашение по вертикали и полное поле.

Режимы общего назначения PPI подходят для самых разных приложений передачи и сбора данных. Таким образом, эти режимы разделены на основные категории. Получение данных через внутренне генерируемые синхронизации кадров, передача данных через внутренне генерируемые синхронизации кадров, передача данных через генерируемые извне синхронизации кадров и данные, полученные через генерируемые извне синхронизации кадров.

Спортивный

Процессор Blackfin включает в себя два двухканальных синхронных последовательных порта SPORT0 и SPORT1, которые используются для последовательной и многопроцессорной связи. Так что это высокоскоростной и синхронный последовательный порт, который поддерживает I²S , TDM и различные другие настраиваемые режимы кадрирования для подключения ЦАП , АЦП, ПЛИС и другие процессоры.

SPI или порт последовательного периферийного интерфейса

Процессор Blackfin включает порт SPI, который позволяет процессору взаимодействовать с различными SPI-совместимыми устройствами. Этот интерфейс просто использует три контакта для передачи данных, два контакта данных и один контакт CLK. Выбранные входные и выходные контакты порта SPI просто обеспечивают полнодуплексный SSI (синхронный последовательный интерфейс), который поддерживает как ведущий, так и подчиненный режимы, а также среды с несколькими ведущими. Скорость передачи этого порта SPI и фазы синхронизации или полярность программируются. Этот порт имеет встроенный контроллер прямого доступа к памяти, который поддерживает передачу/получение потоков данных.

Таймеры

Процессор Blackfin имеет 9 программируемых таймеров. Эти таймеры генерируют прерывания для ядра процессора для предоставления периодических событий, предназначенных для синхронизации с часами процессора или с подсчетом внешних сигналов.

UART

Термин UART означает порт «универсальный асинхронный приемник-передатчик». Процессор Blackfin имеет 2 полудуплексных порта UART, которые полностью совместимы со стандартными UART для ПК. Эти порты просто обеспечивают базовый интерфейс UART для других хостов или периферийных устройств, обеспечивая полудуплексную асинхронную последовательную передачу данных с поддержкой прямого доступа к памяти.

Порты UART содержат от 5 до 8 битов данных и 1 или 2 стоповых бита и поддерживают 2 режима работы, такие как программируемый ввод-вывод и DMA. В первом режиме процессор передает или получает данные посредством чтения/записи регистров с отображением ввода-вывода, когда данные дважды буферизуются как при передаче, так и при приеме. Во втором режиме контроллер прямого доступа к памяти передает и принимает данные и уменьшает количество прерываний, необходимых для передачи данных из & в память.

RTC или часы реального времени

Часы реального времени процессора Blackfin просто предоставляют различные функции, такие как секундомер, текущее время и будильник. Итак, часы реального времени тактируются кварцем с частотой 32,768 кГц, внешним по отношению к процессору Blackfin. RTC внутри процессора имеет контакты источника питания, которые могут оставаться включенными и синхронизированными, даже когда остальная часть процессора Blackfin находится в состоянии низкого энергопотребления. Часы реального времени предоставляют ряд программируемых опций прерывания. Входная частота CLK 32,768 кГц разделяется на сигнал 1 Гц с помощью предварительного делителя. Как и в других устройствах, часы реального времени могут вывести процессор Blackfin из режима глубокого сна/спящего режима.

Сторожевой таймер

Процессор Blackfin имеет 32-битный сторожевой таймер, используемый для выполнения программной сторожевой функции. Таким образом, программист инициализирует значение счетчика таймера, которое разрешает правильное прерывание, а затем разрешает таймер. После этого программа должна перезагрузить счетчик, прежде чем он начнет считать от запрограммированного значения до «0».

GPIO или ввод-вывод общего назначения

GPIO — это цифровой сигнальный контакт, который используется как вход, выход или и то, и другое и управляется программным обеспечением. Процессор Blackfin включает в себя контакты GPIO (ввод-вывод общего назначения), 48 двунаправленных через 3 отдельных модуля GPIO, таких как PORTFIO, PORTHIO и PORTGIO, подключенных к портам G, портам H и портам F соответственно. Каждый вывод порта общего назначения управляется индивидуально посредством манипулирования регистрами состояния, управления портом и прерывания, такими как GPIO DCR, GPIO CSR, GPIO IMR и GPIO ISR.

MAC-адрес Ethernet

Периферийное устройство Ethernet MAC в процессоре Blackfin обеспечивает скорость от 10 до 100 Мбит/с между MII (независимый от среды интерфейс) и периферийной подсистемой Blackfin. MAC просто работает как в полнодуплексном, так и в полудуплексном режимах. Контроллер доступа к среде внутренне синхронизируется с вывода CLKIN процессора.

Память

Память архитектуры Blackfin Processor просто обеспечивает блоки памяти уровня 1 и уровня 2 в реализации устройства. Память L1, как и память данных и инструкций, просто напрямую подключается к ядру процессора, работает на полной скорости CLK системы и обеспечивает максимальную производительность системы для сегментов алгоритма с критическим временем. Память L2, как и память SRAM, больше, что обеспечивает немного сниженную производительность, однако она все же быстрее по сравнению с внешней памятью.

Структура памяти L1 реализована для обеспечения производительности, необходимой для обработки сигналов, предлагая программы в микроконтроллерах. Это достигается за счет того, что память L1 может быть организована как SRAM, кэш-память или комбинация того и другого.

Поддерживая модели программирования кэш-памяти и SRAM, разработчики системы назначают критически важные наборы данных обработки сигналов в реальном времени, которым требуется малая задержка и высокая пропускная способность, в SRAM, сохраняя при этом управление в реальном времени или задачи ОС в кэш-памяти.

Режимы загрузки

Процессор Blackfin включает шесть механизмов для автоматической загрузки внутренней памяти инструкций L1 после сброса. Таким образом, различные режимы загрузки в основном включают в себя; Режим загрузки из 8-битной и 16-битной внешней флэш-памяти, последовательной памяти SPI. Хост-устройство SPI, UART, последовательная память TWI, TWI Host и TWI Host выполняют из 16-битной внешней памяти, минуя загрузочные последовательности. Для каждого из первых 6 режимов загрузки сначала считывается 10-байтовый заголовок из внешнего запоминающего устройства. Итак, в заголовке указано нет. передаваемых байтов и адрес назначения в памяти. Несколько блоков памяти могут быть загружены через любую серию загрузки. Когда все блоки просто загружены, выполнение программы начинается с начала SRAM инструкций L1.

Режимы адресации

Режимы адресации процессора Blackfin просто определяют, как отдельная память доступа и адресация должны указывать местоположение. В процессоре blackfin используются следующие режимы адресации: косвенная адресация, автоинкремент/декремент, пост-модификация, индексация с немедленным смещением, циклический буфер и обратный бит.

Косвенная адресация

В этом режиме адресное поле в инструкции включает в себя расположение памяти или регистра, где бы ни присутствовал адрес эффективного операнда. Эта адресация подразделяется на две категории, такие как косвенная адресация регистра и косвенная адресация памяти.

Например НАГРУЗКА R1, @300

В приведенной выше инструкции эффективный адрес просто сохраняется в ячейке памяти 300.

Автоинкремент/декремент адресации

Автоинкрементная адресация просто обновляет регистры указателя и индекса после права записи. Величина приращения в основном зависит от размера слова. Доступ к 32-битному слову может привести к обновлению указателя с помощью «4». Доступ к 16-битному слову обновляет указатель на «2», а доступ к 8-битному слову обновляет указатель на «1». Операции чтения как 8-разрядных, так и 16-разрядных могут указывать на расширение содержимого нулевым/знаковым расширением в целевой регистр. Регистры указателей в основном используются для 8-, 16- и 32-битного доступа, тогда как индексные регистры используются только для 16- и 32-битного доступа.

Например: R0 = W[P1++](Z) ;

В приведенной выше инструкции 16-битное слово загружается в 32-битный регистр назначения с указанного адреса через регистр указателя «P1». После этого указатель увеличивается на 2, а слово «0» расширяется, чтобы заполнить 32-битный регистр назначения.

Точно так же работает автодекремент, уменьшая адрес после права входа.

Например: R0 = [ I2– ] ;

В приведенной выше инструкции 32-битное значение загружается в регистр назначения и уменьшает индексный регистр на 4.

Адресация после модификации

Этот тип адресации просто использует значение в регистрах индекса/указателя, как эффективный адрес. После этого он изменяет его с содержимым регистра. Индексные регистры просто заменяются модифицированными регистрами, тогда как регистры указателей заменяются другими регистрами указателей. Как и регистры назначения, адресация типа Post-modify не поддерживает регистры указателя.

Например: R3 = [P1++P2];

В приведенной выше инструкции 32-битное значение загружается в регистр «R3» и находится в ячейке памяти, на которую указывает регистр «P1». После этого значение в регистре «P2» добавляется к значению в регистре P1.

Индексировано с немедленным смещением

Индексированная адресация просто позволяет программам получать значения из таблиц данных. Регистр Pointer заменяется непосредственным полем, после чего он используется как эффективный адрес. Таким образом, значение регистра указателя не обновляется.

Например, если P1 = 0x13, то [P1 + 0x11] будет эффективно эквивалентно [0x24], которое связано со всеми доступами.

Битовая обратная адресация

Для некоторых алгоритмов программы требуют адресации переноса с обратным битом для получения результатов в последовательном порядке, особенно для вычислений FFT (быстрое преобразование Фурье). Для удовлетворения требований этого алгоритма функция обратной побитовой адресации генераторов адресов данных позволяет неоднократно подразделять ряды данных и сохранять эти данные в обратном порядке по битам.

Циклическая буферная адресация

Процессор Blackfin предоставляет такую ​​возможность, как необязательная циклическая адресация, которая просто увеличивает индексный регистр на предопределенный диапазон адресов, после чего он автоматически сбрасывает индексные регистры для повторения этого диапазона. Таким образом, эта функция повышает производительность цикла ввода-вывода, просто удаляя указатель адресного индекса каждый раз.

Циклическая адресация буфера очень полезна при многократной загрузке или сохранении строки блоков данных фиксированного размера. Содержимое кольцевого буфера должно соответствовать следующим условиям:

• Максимальная длина циклического буфера должна быть беззнаковым числом с величиной меньше 231.
• Величина модификатора должна быть ниже длины кольцевого буфера.
• Первое местоположение указателя «I» должно быть в круговом буфере, который определяется длиной «L» и основанием «B».

Если какое-либо из вышеперечисленных условий не выполняется, то поведение процессора не указывается.

Регистрационный файл процессора Blackfin

Процессор Blackfin включает в себя три основных файла регистров, например; Файл регистра данных, файл регистра указателя и регистр DAG.

• Файл регистра данных собирает операнды, используя шины данных, используемые для вычислительных блоков, и сохраняет результаты вычислений.
• Файл регистров указателей включает указатели, используемые для операций адресации.
• Регистры DAG управляют циклическими буферами с нулевыми издержками, используемыми для операций DSP.

Процессор Blackfin обеспечивает первоклассное управление питанием и производительность. Они разработаны с использованием методологии проектирования низкого напряжения и малой мощности, которые способны изменять как напряжение, так и рабочую частоту, чтобы значительно снизить общее потребление энергии. Таким образом, это может привести к значительному снижению использования мощности по сравнению с простым изменением рабочей частоты. Таким образом, это просто продлевает срок службы батареи для удобных приборов.

Процессор Blackfin поддерживает различные виды внешней памяти, такие как DDR-SDRAM, SDRAM, флэш-память NAND, SRAM и NOR. Некоторые процессоры Blackfin также содержат интерфейсы запоминающих устройств, такие как SD/SDIO и ATAPI. Они также могут поддерживать 100 мегабайт памяти в пространстве внешней памяти.

Преимущества

преимущества процессора Blackfin включая следующее.

• Процессоры Blackfin предоставляют базовые преимущества разработчику системы.
• Процессор Blackfin предлагает гибкость программного обеспечения, а также масштабируемость для конвергентных приложений, таких как аудио, видео, голос и обработка изображений в мультиформате, безопасность в реальном времени, обработка управления и многорежимная обработка пакетов основной полосы частот.
• Эффективная мощность обработки управления и высокопроизводительная обработка сигналов открывают новые рынки и приложения.
• DPM (динамическое управление питанием) позволяет разработчику системы изменять энергопотребление устройства в соответствии с требованиями конечной системы.
• Эти процессоры значительно сокращают время и затраты на разработку.

Приложения

приложения процессора Blackfin включая следующее.

• Процессоры Blackfin идеально подходят для многих приложений, таких как ADAS (автомобильные передовые системы помощи водителю) , системы наблюдения или безопасности и промышленное машинное зрение.
• Приложения Blackfin включают системы управления серводвигателями, автомобильную электронику, системы мониторинга и мультимедийные потребительские устройства.
• Эти процессоры просто выполняют функции микроконтроллера и обработки сигналов.
• Они используются для аудио, управления технологическим процессом, автомобилестроения, тестирования, измерения и т. д.
• Процессоры Blackfin используются в приложениях обработки сигналов, таких как широкополосная беспроводная связь, мобильная связь и интернет-устройства с поддержкой аудио или видео.
• Blackfin используется в конвергентных приложениях, таких как сетевые и потоковые мультимедиа, цифровые домашние развлечения, автомобильная телематика, информационно-развлекательные системы, мобильное телевидение, цифровое радио и т. д.
• Процессор Blackfin — это встроенный процессор, обладающий энергоэффективностью и высочайшей производительностью, используемый в приложениях, где важны многоформатная передача голоса, аудио, видео, многорежимная полоса частот, обработка изображений, обработка пакетов, безопасность в реальном времени и обработка управления.

Таким образом, это обзор процессора Blackfin – архитектура, преимущества и приложения. Этот процессор выполняет функции обработки сигналов и микроконтроллера. Вот вам вопрос, что такое процессор?