Arquitectura del sistema integrado
Arquitectura de sistema integrado
Todos los dispositivos con interfaces digitales, como relojes, hornos microondas, grabadoras de vídeo, automóviles, etc., utilizan sistemas integrados y algunos sistemas integrados también incluyen un sistema de operaciones. , pero la mayoría de los sistemas integrados tienen un único programa que implementa toda la lógica de control. La siguiente es la arquitectura del sistema integrado que he compilado. Bienvenido a su referencia.
Arquitectura del sistema integrado:
Los componentes del sistema integrado incluyen la capa de hardware, la capa intermedia y capa de software del sistema y capa de software de aplicación.
1. Capa de hardware: microprocesador integrado, memoria, interfaz general del dispositivo e interfaz de E/S.
Módulo central integrado = microprocesador + circuito de alimentación + circuito de reloj + memoria
Caché: Ubicado entre la memoria principal y el núcleo del microprocesador integrado, almacena el último período de tiempo que utilizan los microprocesadores. la mayoría de los códigos y datos del programa. Su principal objetivo es reducir el cuello de botella en el acceso a la memoria causado por la memoria al núcleo del microprocesador y acelerar el procesamiento.
2. La capa intermedia (también llamada capa de abstracción de hardware HAL o paquete de soporte a nivel de placa BSP
Separa el software de la capa superior del sistema del hardware subyacente). , haciendo que el software de capa superior del sistema los desarrolladores no necesiten preocuparse por las condiciones específicas del hardware subyacente y puedan desarrollar de acuerdo con la interfaz proporcionada por la capa BSP. BSP tiene dos características: dependencia del hardware y dependencia del sistema operativo.
Diseñar un BSP completo requiere completar dos partes del trabajo:
A. Inicialización del hardware y funciones BSP del sistema integrado.
Inicialización a nivel de chip: un proceso de inicialización de hardware puro que configura gradualmente el microprocesador integrado desde el estado predeterminado en el encendido hasta el estado de funcionamiento requerido por el sistema.
Inicialización a nivel de placa: un proceso de inicialización que incluye partes de software y hardware para establecer el entorno operativo de hardware y software para la inicialización posterior del sistema y los programas de aplicación.
Inicialización a nivel del sistema: un proceso de inicialización basado en software para inicializar el sistema operativo.
B. Diseñar controladores de dispositivos relacionados con el hardware.
3. Capa de software del sistema: compuesta por RTOS, sistema de archivos, GUI, sistema de red y módulos de componentes generales.
RTOS es la base y la plataforma de desarrollo para software de aplicaciones integradas.
4. Software de aplicación: Consiste en aplicaciones desarrolladas en base a sistemas de tiempo real.
Introducción a la arquitectura de chip integrado
1. Microprocesador integrado (Unidad de microprocesador, MPU)
El microprocesador integrado está compuesto por computadoras de uso general que evolucionaron a partir de la CPU . Se caracteriza por tener un procesador de 32 bits o superior y un alto rendimiento, y por supuesto su precio es correspondientemente elevado. Sin embargo, a diferencia de los procesadores de computadora, en las aplicaciones integradas reales, solo se conserva el hardware funcional estrechamente relacionado con la aplicación integrada y se eliminan otras partes funcionales redundantes, de modo que la aplicación integrada se pueda implementar con el menor consumo de energía y recursos. . En comparación con las computadoras de control industrial, los microprocesadores integrados tienen las ventajas de su tamaño pequeño, peso ligero, bajo costo y alta confiabilidad. En la actualidad, los principales tipos de procesadores integrados incluyen las series Am186/88, 386EX, SC-400, Power PC, 68000, MIPS, ARM/StrongARM, etc. Entre ellos, Arm/StrongArm es un microprocesador integrado especialmente desarrollado para dispositivos portátiles y pertenece al rango de precio medio.
Power PC:
Desarrollado conjuntamente por IBM, Apple y Motorola, crea un ordenador multiprocesador basado en PowerPC. La arquitectura PowerPC tiene las características de buena escalabilidad, conveniencia y flexibilidad. Los siguientes productos utilizan principalmente microprocesadores Power PC
Apple: serie Power Macintosh, serie PowerBook (productos posteriores a 1995), serie iBook, serie iMac (productos anteriores a 2005), productos de la serie eMac.
Nintendo: GameCube y Wii.
Sony: PlayStation 3.
MIPS:
MIPS es un procesador RISC muy popular en el mundo. MIPS significa microprocesador sin etapas de tubería entrelazadas. Su mecanismo consiste en utilizar métodos de software para evitar problemas relacionados con los datos en la tubería. Fue desarrollado por primera vez a principios de la década de 1980 por un equipo de investigación dirigido por el profesor Hennessy de la Universidad de Stanford. La serie R de MIPS es un microprocesador para productos industriales RISC desarrollado sobre esta base. Muchas empresas de informática utilizan esta serie de productos para formar diversas estaciones de trabajo y sistemas informáticos. MIPS Technology es una conocida empresa de diseño de chips en los Estados Unidos que utiliza una arquitectura informática de sistema de instrucción reducida (RISC) para diseñar chips. En comparación con la estructura informática del sistema de instrucción complejo (CISC) adoptada por Intel, RISC tiene las ventajas de un diseño más simple y un ciclo de diseño más corto, y puede aplicar tecnologías más avanzadas para desarrollar procesadores de próxima generación más rápidos. MIPS es uno de los primeros chips de arquitectura RISC comerciales. La nueva arquitectura integra todos los conjuntos de instrucciones MIPS originales y agrega muchas funciones más potentes. Los procesadores MIPS fueron un tema candente en el diseño de CPU RISC a mediados de los años 1980. MIPS es la CPU RISC más vendida y puede ver productos MIPS a la venta en todas partes, desde Sony, consolas de juegos Nintendo, enrutadores Cisco y supercomputadoras SGI. Dado que la arquitectura RISC actualmente compite con chips x86, MIPS puede ser el único diseño de CPU RISC original que sea rentable este siglo. En comparación con Intel, las tarifas de licencia de MIPS son relativamente bajas y lo utilizan la mayoría de los fabricantes de chips, excepto Intel.
2. Microcontrolador integrado (Microcontroller Unit, MCU)
El representante típico del microcontrolador integrado es el microordenador de un solo chip Desde la aparición de los microordenadores de un solo chip a finales de los años 1970 hasta. Hoy en día, aunque han pasado 20 años. Muchos años de historia, pero este dispositivo electrónico de 8 bits todavía se usa ampliamente en dispositivos integrados. El chip microcontrolador integra ROM/EPROM, RAM, bus, lógica de bus, temporizador/contador, vigilancia, E/S, puerto serie, salida de modulación de ancho de pulso, A/D, D/A, Flash RAM, EEPROM, etc. funciones necesarias y periféricos. En comparación con los microprocesadores integrados, la característica más importante de los microcontroladores es que son monolíticos y su tamaño se reduce considerablemente, lo que reduce el consumo de energía y los costos y mejora la confiabilidad. Los microcontroladores son actualmente la corriente principal de la industria de sistemas integrados. Los microcontroladores generalmente tienen ricos recursos periféricos en el chip y son adecuados para el control, por eso se les llama microcontroladores. Debido al bajo precio y las excelentes funciones de la MCU, tiene la mayor variedad y cantidad. Las más representativas incluyen las series 8051, MCS-251, MCS-96/196/296, P51XA, C166/167, 68K y MCU 8XC930/. 931, C540, C541 y admite I2C, CAN-Bus, LCD y muchas MCU especiales y series compatibles. Actualmente, MCU representa aproximadamente el 70% de la cuota de mercado de los sistemas integrados. El microcontrolador Avr producido recientemente por Atmel tiene un rendimiento de costo muy alto porque integra FPGA y otros dispositivos, lo que seguramente promoverá un mayor desarrollo de los microcontroladores.
3. Procesador DSP integrado (Procesador de señal digital integrado, EDSP)
El procesador DSP es un procesador especialmente utilizado para el procesamiento de señales. Su estructura del sistema y algoritmo de instrucción ha sido especialmente diseñado. para lograr una alta eficiencia de compilación y velocidad de ejecución de instrucciones. DSP se ha utilizado ampliamente en diversos instrumentos, como filtrado digital, FFT y análisis de espectro. El algoritmo teórico de DSP ya apareció en la década de 1970, pero como aún no ha aparecido un procesador DSP dedicado, este algoritmo teórico solo puede implementarse mediante componentes discretos como MPU.
La baja velocidad de procesamiento de MPU no puede cumplir con los requisitos del algoritmo de DSP, y sus campos de aplicación solo se limitan a algunos campos de alta tecnología de vanguardia. Con el desarrollo de la tecnología de circuitos integrados a gran escala, nació el primer chip DSP del mundo en 1982. Su velocidad de computación es decenas de veces más rápida que la de MPU y se ha utilizado ampliamente en síntesis de voz y códecs. A mediados de la década de 1980, con el avance y desarrollo de la tecnología CMOS, surgió la segunda generación de chips DSP basados en la tecnología CMOS. Su capacidad de almacenamiento y velocidad de computación se duplicaron, convirtiéndose en la base de la tecnología de procesamiento de voz y procesamiento de imágenes. A finales de la década de 1980, la velocidad informática del DSP mejoró aún más y sus campos de aplicación se ampliaron desde el rango anterior a las comunicaciones y las computadoras. Después de la década de 1990, DSP se ha convertido en la quinta generación de productos, con una mayor integración y una gama más amplia de aplicaciones. En la actualidad, el más utilizado es la serie TMS320C2000/C5000 de TI. Además, el MCS-296 de Intel y el TriCore de Siemens también tienen sus propios rangos de aplicación. Según los diferentes núcleos IP utilizados por los fabricantes de chips, se pueden dividir en las siguientes categorías:
StarCore
Freescale
El procesador de señal digital Freescale utiliza tecnología StarCore Los dispositivos programables de mayor rendimiento de la industria abordan las necesidades de los mercados de banda base, aeroespacial, de defensa, médico y de pruebas y mediciones. Los productos de la serie StarCore DSP que diseñamos brindan soluciones escalables integrales y flexibles para ayudar a los clientes a acelerar el lanzamiento de productos. StarCore DSP presenta un bajo consumo de energía y un bajo costo, lo que lo convierte en una solución ideal para diseños de próxima generación. Un mundo más inteligente a través de la innovación de próxima generación. Los chips multinúcleo incluyen principalmente: MSC8122: DSP de cuatro núcleos de 16 bits con Ethernet, MSC8126: DSP de cuatro núcleos de 16 bits con Ethernet, TCOP y VCOP, MSC8144: DSP de cuatro núcleos, MSC8152: Doble núcleo de alto rendimiento DSP, MSC8154: DSP de cuatro núcleos de alto rendimiento, MSC8154E: DSP de cuatro núcleos de alto rendimiento con funciones de seguridad, MSC8156: DSP de seis núcleos de alto rendimiento, MSC8156E: DSP de seis núcleos de alto rendimiento con funciones de seguridad, MSC8157: MSC8157 DSP de acceso inalámbrico de banda ancha, MSC8158: DSP de acceso inalámbrico de banda ancha MSC8158, MSC8252: DSP de doble núcleo de alto rendimiento, MSC8254: DSP de cuatro núcleos de alto rendimiento, MSC8256: DSP de seis núcleos de alto rendimiento. Los chips de un solo núcleo incluyen principalmente: MSC8151: DSP de un solo núcleo de alto rendimiento, MSC8251: DSP de un solo núcleo de alto rendimiento.
4. Sistema integrado en chip (System On Chip)
SoC persigue el dispositivo integrado más inclusivo del sistema del producto, que es uno de los temas candentes en el campo de las aplicaciones integradas. . La característica más importante de SOC es que logra con éxito la integración perfecta de software y hardware e integra el módulo de código del sistema operativo directamente en el chip del procesador. Además, SOC es extremadamente completo y utiliza lenguajes de descripción de hardware como VHDL dentro de un chip de silicio para implementar un sistema complejo. Los usuarios ya no necesitan dibujar placas de circuito grandes y complejas y soldar conexiones poco a poco como en el diseño de sistemas tradicionales. Solo necesitan usar un lenguaje preciso y un diseño de sincronización integral para llamar directamente a los estándares de varios procesadores de uso general en la biblioteca del dispositivo. Luego, después de pasar la simulación, se puede entregar directamente al fabricante del chip para su producción. Dado que la mayoría de los componentes del sistema están dentro del sistema, todo el sistema es particularmente simple, lo que no solo reduce el tamaño y el consumo de energía del sistema, sino que también mejora la confiabilidad del sistema y mejora la eficiencia del diseño y la producción. Dado que los SOC suelen ser especializados, la mayoría de ellos son desconocidos para los usuarios. Un producto SOC típico es el Smart XA de Philips. Algunas series generales como TriCore de Siemens, M-Core de Motorola, ciertos dispositivos de la serie ARM, chips Neuron desarrollados conjuntamente por Echelon y Motorola, etc. Se espera que en un futuro próximo, algunas grandes empresas de chips derroten a sus competidores de una sola vez lanzando chips SOC maduros que puedan ocupar la mayor parte del mercado. Los chips SOC también desempeñarán un papel importante en campos de aplicación como el sonido, la imagen, el cine y la televisión, la red y la lógica de sistemas. ;