Ingeniería del Hardware embebido (página 2)

12 Procesadores de Aplicaciones a medida Procesador programable optimizado para una determinada clase de aplicaciones que tienen características communes: – El compromiso entre el objetivo general y los procesadores de un solo uso. Características – La memoria de programa – Ruta de datos optimizada – Unidades funcionales especiales. Beneficios – Cierta flexibilidad, buen rendimiento, el tamaño y la energía.

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Compromiso entre los usos generales y procesador de aplicaciones a la medida Arquitectura simple procesador – Reducción del conjunto de instrucciones y la funcionalidad – Ruta de datos pequeña (a menudo solo 4 o 8 bits vs. 32 o 64 bits para el típico procesador de propósito general) Memoria de a bordo (volátil y no volatile) Multiples dispositivos en un chip para apoyar las aplicaciones embebidas: – Timers – Digital y I/O (Entrada/Salida) I/O serie – Soporte para varios protocolos de interfaz, por ejemplo I2C. Disponible en muchas configuraciones diferentes, los niveles de rendimiento, etc. Personaje clave en el Diseño embebido: microcontroladores

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Bajo coste debido a la producción de alto volumen. Bajo “recuento de chips” debido a las características integradas a bordo. Buenas herramientas y entornos de desarrollo. Familia de productos extensivos permiten la adaptación del procesador a las métricas de diseño del Sistema. Ciclos de diseño de productos a corto (en comparación con el diseño de hardware personalizado). Compatible con el hardware / software de codiseño – Muchos microcontroladores están disponibles como “Núcleos VHDL” para integración en un chip VLSI personalizado.

* Ver más detalles sobre microcontroladores Las ventajas de los microcontroladores*

15 Sistemas de Microprocesador (Sistema MP) La estructura de un Sistema MP básico comprende: Un microprocesador (CPU); Memoria operativa (RAM); Memoria constante (ROM, PROM, EPROM, EEPROM/FLASH); Adaptadores de Entrada/Salida (I/O); Bus del sistema: Bus de direcciones Bus de datos Bus de control Esquemas adicionales pueden ser: ADC, DAC, temporizadores, etc.. Microcontroladores de un-chip, utilizados más frecuentemente en los sistemas embebidos contienen gran parte de los componentes mencionados anterioremente en un solo chip, junto con el procesador central.

16 Sistema MP – configuración mínima

Las computadoras personales, así como los sistemas informáticos más grandes son también los sistemas MP esencialmente, pero tienen una configuración mucho más compleja.

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Un chip de silicio que contiene una CPU. El microprocesador y la CPU se utilizan de manera intercambiable. En todos los ordenadores personales y la mayoría de las estaciones de trabajo se encuentra un microprocesador. MP también controla la lógica de la mayoría de todos los dispositivos digitales, de radio despertador a los sistemas de inyección de combustible para automóviles. Tres características básicas diferencian a los microprocesadores: Conjunto de instrucciones: El conjunto de instrucciones que el microprocesador puede ejecutar. Ancho de banda : El número de bits procesados en una sola instrucción. Velocidad de reloj: (MHz) – determina el número de instrucciones por Segundo que el procesador puede ejecutar. Además los MP se clasifican como RISC (computadora de conjunto de instrucciones reducido) or CISC (equipo complejo de conjunto de instrucciones). Microprocesador (MP o ?P):

18 Componentes del MP

Arquitectura Simple Del MP Componentes: ALU Registros Unidad de control Buffers de E/S e internos (por lo general de 3 estados) Buses internos y externos.

19 Instruction Set Architecture (ISA) ISA, es la parte de la arquitectura de computadores en relación con la programación, incluídos los tipos de datos nativos, instrucciones, registros, modos de direccioanmiento, la arquitectura de memoria, manejo de interrupciones y excepciones, y E/S externa. Una ISA incluye una especificación del conjunto de códigos de operación (lenguaje máquina), los commandos nativos implementados por un diseño particular de la CPU. Las Instrucciones incluyen: * Instrucciones aritméticas tales como sumar y restar * Instructions Lógicas tales como and, or, y not * Instrucciones de datos tales como move, input, output, load, y store * Instructions de control de flujo tales como goto, if … goto, call, y return.

20 Ciclo de funcionamiento típico en MP (Gp:) Instrucción ir a buscar (Gp:) Instruccion Decode (decodificar) (Gp:) Operand Ir a buscar (Fetch) (Gp:) Ejecutar (Gp:) Result Store (Gp:) Siguiente Instrucción

Obtiene la instrucción de almacenamiento de programas Determina acciones requeridas Localizar y obtener datos del operando

Valor del resultado del equipo o del estado Resultados se almacenan para uso posterior Determina la instrucción sucesora (Gp:) Control

(Gp:) Datapath

Memoria Procesador

Entrada Salida ALU Registros

21 Funciones Principales: 1. Almacenamiento de programas y datos. 2. El suministro de datos a la petición del MS 3. Aprobación de los nuevos datos de la MS para el almacenamiento Tipos de memorias: RAM (Random Access Memory) Estática (SRAM): más rápida y más cara. Dinámica (DRAM): Más lenta, más barata, de bajo consumo y gran escala de integración. ROM (Read Only Memory – Memoria de solo lectura) – OTP (One-Time Programmable = de un tiempo programable), EEPROM, FLASH Memoria – Conserva su contenido cuando se acaba. – Instrucciones de almacenamiento de los programas del Sistema que le dicen al MS qué hacer después de encender la unidad (por ejemplo la BIOS). Memorias

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Puertos de Entrada / Salida (I/O) – son puntos (nodos) en los que los dispositivos periféricos se pueden conectar y pueden intercambiar información con la memoria y el procesador central. Los puertos contienen en sí mismos un número definido de registros, los cuales son utilizados para el almacenamiento temporal de varios tipos de datos. Las direcciones de los registros y sus funciones están definidas con precision (standard). Tipos: puertos serie, en los que los datos se transfieren bit a bit de forma secuencial (COM1, COM2); puertos paralelos, en los que los datos se transfieren en paralelo (en un byte, una palabra, etc) (LPT1). puertos universales (USB). (ver transparencia Número 6) Puertos de Entrada/Salida (I/O)

23 A los Buses se les denomina también sistemas de líneas para la conexión interna y externa entre los dispositivos en un Sistema informático. Dependiendo de los dispositivos que se conectan, se pueden distinguir: un bus de sistema (bus principal), buses internos para la conexión con la memoria RAM principal, la conexión con la memoria Caché, buses de entrada/salida I/O, etc. Principales tipos de buses: 1. Bus de direcciones 2. Bus de datos 3. Bus de control

Buses

24 A lo largo del bus de datos de intercambio de información (insrucciones o datos) se lleva a cabo entre el microprocesador y los dispositivos periféricos – se trata de un intercambio de dos vías. Ejemplos de transferencia de datos: 1. La lectura de las instrucciones de programación de la memoria. 2. El envío de datos desde el Sistema de MP a los puertos de E/S (I/O) 3. La lectura de datos desde los puertos de E/S y enviarlos al Sistema MP. 4. El envío de los resultados del Sistema de MP a la memoria. Se trata de operaciones de lectura y escritura. Ancho de banda del bus de datos: 8086: 16 bits 80486: 32 bits, Pentium: 64 bits. Bus de datos

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La dirección es un número binario, identificando un lugar definido de la memoria o un Puerto de E/S, que participa en la transferencia de datos. El bus de direcciones está diseñado para enviar las direcciones, preparadas en el microprocesador, con el objetivo de elegir una celda definida de la memoria o un Puerto I/O (Entrada/salida) El bus de direcciones es de un solo sentido: las direcciones siempre son generadas por la MS. El ancho del bus de direcciones: determina el tamaño de la memoria, que puede ser direccionado directamente por el microprocesador. – Pentium: 32 bits. Size: 232bits = 4GB Itanium: 64 bits. Size 264 bits = …

Bus de direcciones

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El bus de control es utilizado para el envío y la recepción de señales de control. Las señales de control aseguran la sincronización (control del tiempo) entre el MS y el resto de los componentes del Sistema: Típicas señales de control: RD (lectura) y WR (escritura) – señales de control sobre lectura y escritura reloj – una señal de reloj Reset (restaurar) – una señal de inicialización Bus de Control

27 (Gp:) Bus de control (Gp:) Bus de direcciones (Gp:) Bus de datos

RAM Dispositivo de control ? L U CPU Dispositivos de entrada Memoria externa Dispositivos de salida E/S buses Conexión de los buses entre el ?P, RAM y dispositivos de E/S ( I/O) Registros

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Sistema MP – Tipos de interfaces en la memoria Arquitectura Von Neumann ( Tipo Princeton) – memoria común, bus de datos e instrucción. Arquitectura Harvard – memorias separadas, buses de datos e instrucciones Arquitectura Super Harvard – memorias separate + CACHE para instrucciones + controladores I/O (E/S). La arquitectura Harvard es típica para microcontroladores y DSP. También se utiliza en la organización de la memoria CACHE en los sistemas MP más complejos.

29 Más sobre la Arquitectura Harvard Asignar los datos e instrucciones de programa a diferentes espacios de memoria. Cada espacio de memoria tiene un bus separado. Ésto permite: Una temporización diferente, el tamaño y la estructura para obtener instrucciones de programas y datos. El acceso simultáneo a los datos e instrucciones. Borra la partición de datos e instrucciones (=> seguridad) Esto hace que sea más difícil de programar, ya que los datos estáticos pueden estar en el espacio del programa o en el espacio de datos. Si el espacio del programa y el espacio de datos son incompatibles, la copia de datos ya no es un (, len) volcado.

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ASIC – Application-Specific Integrated Circuit (Circuito integrado de aplicación específica) – un circuito integrado (CI) para la aplicación específica (para una sola tarea y no para tareas generales). Por ejemplo, un chip, diseñado para funcionar únicamente en un teléfono móvil. DSP – Procesador Digital de Señal. a Un microprocesador especializado, diseñado para el procesamiento digital de señales, con mayor frecuencia en tiempo real.

FPGA – Field Programmable Gate Array – un equivalente modern de la serie de circuitos lógicos 7400, conteniendo bloques de lógica programmable y components, permitiendo uno y el mismo esquema del tipo de FPGA para ser utilizado en varias aplicaciones.** (Los diseñadores de sistemas basados en FPGA usualmente utilizan un lenguaje de programación especializado como el Verilog o VHDL). Procesadores de medios – procesadores de un solo chip especializados para efectos de video de alta calidad, audio, gráficos, procesado de imágenes, etc, que poseen un gran poder de cálculo. Tipos especiales de microprocesadores