|
Поиск по сайту: |
|
По базе: |
 |
| Главная страница > Статьи > Микроконтроллеры | |||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Микроконтроллеры RenesasПредисловие Renesas Technology - это имя незаслуженно мало говорит российским разработчикам электронной аппаратуры, тогда как продукция компании может быть полезна для широкого спектра применений.
Созданная в апреле 2003 года в результате слияния нескольких подразделений Hitachi Ltd. и Mitsubishi Electric Corporation, компания так сформулировала свое отношение к бизнесу: «Renesas Technology обеспечивает постоянную уверенность, комфорт и помогает людям исполнять свои мечты, предоставляя им выгоды высоких технологий во всех сферах их деятельности». Renesas Technology Corp. специализируется на производстве микроконтроллеров, в том числе с Flash ПЗУ, микросхем SRAM памяти, чипов для смарт-карт, систем в едином корпусе и аналогово-цифровых изделий. Объединение компаний под маркой Renesas позволило стать крупнейшим производителем микроконтроллеров и занять одно из лидирующих мест среди производителей полупроводников. В результате этого потребители продукции компании получили неоспоримые преимущества:
Правильный выбор микроконтроллера для системы или устройства во многом определяет успех и скорость выполнения проекта, поэтому компания Renesas Technology предлагает широчайший выбор микросхем с различными техническими характеристиками для применения практически в любой сфере деятельности человека. Продолжительный срок службы, надежность и высочайшее качество микроконтроллеров Renesas – это необходимые составные части для рынков бытовой аппаратуры и техники, офисного оснащения и промышленного оборудования. Высокое качество продукции обеспечивается за счет контроля на каждом технологическом этапе, поскольку компания владеет полным производственным циклом. Успех компании наглядно демонстрирует уверенное лидерство в мировых рейтингах производителей полупроводников и микроконтроллеров. В 2006 году Renesas Technology, мировой лидер в производстве микроконтроллеров со встроенной FLASH памятью, планирует преодолеть рубеж в 1 млрд. этих устройств, поставленных на мировой рынок с начала их производства. Главная задача статьи - это ознакомление российских разработчиков с основными особенностями, структурой, составом семейства, а также инструментарием для разработки и отладки устройств, и, наконец, - с тенденциями развития семейства микросхем архитектуры SuperH. Обзор семейства SuperH микроконтроллеров и микропроцессоров компании Renesas Technology Вступление Одними из популярных микросхем Renesas Technology, являются микроконтроллеры с наиболее динамично развивающееся и прекрасно себя зарекомендовавшей архитектурой SuperH (рис. 1). Устройства, построенные на базе архитектуры SuperH, представляют собой 32-х битные высокопроизводительные RISC (с сокращенным набором команд) вычислительные машины.
Тщательно продуманная архитектура SuperH отвечает основным современным концепциям развития микроконтроллеров. Она характеризуется:
Семейство микроконтроллеров, выполненных на основе архитектуры SuperH, состоит из множества линеек микросхем с различными конфигурациями ЦПУ и сочетанием периферийных модулей. Это позволяет упростить конструкцию разрабатываемого устройства за счет уменьшения или даже исключения компонентов внешней обвязки микроконтроллера. Результатом является снижение себестоимости изделия за счёт уменьшения затрат на его разработку и производство. Следует также отметить, что микросхемы семейства SuperH обладают хорошим соотношением цена/производительность/периферия, что делает их более привлекательными для применения в новых проектах по сравнению с микросхемами других производителей. Ширина номенклатуры микроконтроллеров дают возможность удовлетворить возрастающие потребности производителей электроники, практически в любой области. Благодаря преимуществам архитектуры SuperH, микросхемы, построенные на ее основе, являются лучшим выбором для большинства современных встроенных систем в различных областях применения, например: системы автомобиля, бытовая электроника и техника, оборудование для телекоммуникаций, системы контроля промышленных процессов, системы автоматизации офисной деятельности. Обзор микросхем с архитектурой SuperH Выбор конфигурации ядра микроконтроллера или микропроцессора – наиболее важное решение при проектировании любой встроенной системы.
На рисунке 2 представлены основные линейки микросхем архитектуры SuperH и указано направление их развития. Основой для них стали чипы серии SH-1. Сегодня сформировались два направления развития ядра, связанные с оптимизацией использования вычислительных устройств в разных областях применения. Одним из направлений развития являются линейки с ядром SH-2 и более мощным SH-2A. Микроконтроллеры этого направления оптимизированы для применения в приложениях, где требуется обработка больших массивов данных, а также реакция на внешние события в реальном времени. (Основное внимание в статье будет уделено именно этим двум вариантам ядра, остальным будет дана лишь краткая характеристика.) Представителями другого направления являются серии SH-3, SH-4 и их варианты с более мощным процессорным ядром SH-4A. Микропроцессоры, входящие в эти серии, в первую очередь предназначены для применения в мобильных устройствах, сетевых системах и других приложениях требующих высокоскоростной обработки данных. Для упрощения рисунка, на нем не показаны существующие серии SH2-DSP и SH3-DSP. Эти реализации ядра специально предназначены для использования в мультимедийных устройствах и коммуникационных приложениях требующих цифровой обработки сигналов. Следует, однако, отдельно отметить микроконтроллеры серии SH7710/2 (ядро SH3-DSP) с двумя Ethernet каналами, так как они прекрасно подходят для устройств использующих сети Ethernet, в качестве среды передачи. Одной из основных характеристик микроконтроллера или микропроцессора является его производительность. В таблице 1 показана максимальная производительность устройств в каждой линейке. Таблица 1
* Производительность измерена при помощи тестовой программы «Dhrystone». Совместимость и плотность кода программ Основными достоинствами ядер SH – это совместимость «снизу вверх» программного кода и его лучшая плотность при заданной производительности.
Как показано на рисунке 3, различные реализации архитектуры SH полностью совместимы «снизу вверх», то есть микросхемы со старшим ядром включают все команды ядра младшего. Данное свойство архитектуры SuperH можно назвать принципом «матрёшки». В этой «матрёшке» микросхемы со старшим ядром отличаются большим уровнем производительности и набором периферии, предназначенным для применения в различных устройствах, и поэтому у них более широкий набор инструкций. Это неоспоримое преимущество позволяет экономить силы и финансовые средства, а также ускорить время разработки новых устройств и систем или редизайн существующих.
Ещё одним достоинством архитектуры является на 33% более плотный код. Повышенная плотность кода достигается тем, что в архитектуре SuperH используются фиксированные по длине 16-ти битные инструкции (рис. 4), в отличие от традиционных 32-х битных RISC архитектур, использующих команды полной длины. В дополнение, использование 16-ти битных инструкций увеличивает пропускную способность шины в два раза, а также увеличивает эффективность КЭШ-памяти почти на 40%, что в свою очередь снижает потребность во внешней памяти примерно на такой же объём. Низкое энергопотребление и современные технологии Другие ключевые концепции архитектуры - это малое энергопотребление устройств, созданных на основе новейших технологий. Как правило, встраиваемые системы требуют, чтобы процессор работал на высокой тактовой частоте для достижения необходимой производительности. Однако в некоторых устройствах, чувствительных к уровню потребляемой от источника питания мощности, не все микросхемы могут использоваться, так как их энергопотребление чрезмерно высоко. Это приводит к увеличению выделяемого тепла и в свою очередь требует применения дорогостоящих теплоотводящих устройств. Высокое тепловыделение и как следствие повышенная рабочая температура устройства в большинстве случаев отрицательно сказываются на его надежности и долговечности. Кроме того, высокое энергопотребление серьёзно снижает время работы автономных устройств с батарейным питанием.
Инженеры компании Renesas Technology тщательно подошли к дизайну микроконтроллеров и микропроцессоров архитектуры SuperH и сумели достичь хорошего соотношения между производительностью и потребляемой мощностью. Чипы изготовлены на основе низкопотребляющей субмикронной КМОП технологии и могут работать при низких напряжениях питания. Для снижения общего энергопотребления микросхемы снабжены программно-управляемыми механизмами подстройки активности системы. Примером могут служить режимы пониженного потребления «standby» и «sleep», возможность управления частотой тактового генератора, селективное отключение не использующихся периферийных модулей. Компания Renesas Technology выпускает микросхемы SuperH, используя новейшие технологии разработки, производства полупроводниковых кристаллов и корпусирования. Применяя микросхемы с архитектурой SuperH, вы получаете преимущества от использования передовых технологий компании Renesas - это, например, субмикронная технология производства пластин, усовершенствованная технология производства флэш-памяти, объединение в одном чипе комплекса периферийных модулей и устройств, содержащих интеллектуальную собственность (IP). Состав микроконтроллерных семейств SH
Как видно на карте семейств микроконтроллеров SuperH (рис. 5), развитие линеек происходит по трем основным направлениям. Первое - это различные варианты кристаллов с ядром SH-2, отличающиеся производительностью, объёмом памяти, набором периферии. Особый интерес представляет линейка микроконтроллеров SH708x с самой быстрой флэш-памятью. Микроконтроллеры могут работать на частоте 80 МГц, то есть минимальное время доступа к памяти составляет всего 12,5 нс. Ещё одна из примечательных - линеек SH7618 / SH7619 с контроллером Ethernet. В этих микросхемах применен оригинальный интерфейс 16-ти битной шины чипа «мастера» (HIF), обеспечивающий обмен данными между шиной и ОЗУ. Готовится к выпуску микроконтроллер SH7147, имеющий на своем борту быстродействующий 12-ти битный АЦП, позволяющий более простыми средствами решать задачу управления различными процессами с обратной связью в реальном времени. Второе направление – это микросхемы серии SH-Tiny: в меньших корпусах, с сокращенной периферией, памятью и соответственно, более дешевые. Эти микроконтроллеры удобны для применения в небольших системах, где, например, требуется управление электродвигателями в реальном времени, в частности, для использования в бытовой и офисной технике. Третье направление - наиболее перспективное и динамично развивающееся. Линейка SH-2A отличается высокой производительностью, большим набором периферии, в том числе и коммуникационной. Это дает возможность применять их в различных промышленных системах, робототехнике и т. п. В планах развития микросхем этой линейки в первую очередь стоит создание чипов с двухъядерной архитектурой, расширение коммуникационных возможностей, наращивание объёма памяти. В таблице 2 приведены основные характеристики микроконтроллеров семейств SH-2, SH-2A и SH-2 Tiny. Таблица 2
Примечания: Микроконтроллеры в строках помеченных желтым цветом находятся в разработке. Значения параметров приведены только с ознакомительной целью и могут измениться. ТУ - значение параметра трубует уточнения . Микроконтроллеры могут выпускаться в версиях: с Флэш ПЗУ, с масочным ПЗУ и без внутреннего ПЗУ.
Особенности ядра SH-2
Ядро SH-2 построено на основе гарвардской архитектуры с непрерывным адресным пространством 4 Гб и является логическим продолжением начального ядра SH-1. За машинный цикл ЦПУ выполняет до одной операции, и базируется на пятиуровневом конвейере обработки команд. В своем составе SH-2 имеет 16 регистров длиной 32 бита, а также аппаратный модуль умножения операндами которого выступают 32-х битные данные, результат же имеет длину 64 бита. Процесс вычислений модуля происходит за 2-4 машинных цикла. Помимо обычного умножения, возможно умножение с накоплением результатов. На рисунке 6 показан обобщенный состав кристалла с ядром SH-2. Разные микросхемы содержат различный состав внутренних устройств. Основными принципами выбора набора внутренних устройств являются максимальная разгрузка ЦПУ, уменьшение числа внешних компонентов, а также гибкость применения микросхемы. Желтым цветом обозначены таймеры и таймерные модули. Таймерные модули MTU2 и MTU2S специально разработаны для управления различными электромоторами, но они также могут работать как обычные таймеры. Модуль MTU2 включает 6 таймеров (16-ти битные), а MTU2S – 3 таймера. Модуль CMT состоит из 2-х каналов 16-ти битных таймеров, синхронизируемых от четырёх внутренних источников. Он предназначен для генерации периодических прерываний. Синим цветом обозначены различные последовательные интерфейсы, такие как I2C, SCI (аналог SPI) и модуль синхронного последовательного интерфейса SSCU. В составе кристаллов SH-2 для отладки работы устройств находятся высокопроизводительный интерфейс отладки (H-UDI) и улучшенный модуль отладки (AUD), обозначенные фиолетовым цветом .С целью разгрузки ЦПУ в чип встроены контроллеры различного назначения. В частности, INTC – контроллер прерываний, BSC – контроллер внешней шины доступа к микросхемам памяти, контроллер ПДП (DMAC) и контроллер обмена данными (DTC). Набор команд и режимы адресации были разработаны с учетом максимального облегчения программирования на языке высокого уровня Си. При работе используются 11 режимов адресации. В составе имеются абсолютный, относительный, косвенный режимы. Также, для того чтобы обеспечить непрерывность работы конвейера обработки команд, в состав набора инструкций введены команды условного перехода с циклом ожидания. Пятиуровневая конвейеризация обработки команд - довольно сложный процесс и при работе конвейера возможен его останов по ряду причин. Компилятор для кристаллов с архитектурой SuperH оптимизирует программный код для минимизации остановов конвейера. SH-2A развитие ядра SH-2 Дальнейшее развитие ядра SH-2 направлено на повышение производительности ЦПУ, увеличение тактовой частоты, оптимизацию (сокращение) программного кода.
ЦПУ SH-2A, так же как и SH-2 построено на основе гарвардской архитектуры с общим адресным пространством 4 Гб. Так же, как и в SH-2, используется пятиуровневый конвейер обработки команд, однако за один машинный цикл загружается и обрабатывается не одна инструкция, а две. Дополнительно к набору 16-ти битных инструкций добавлены 32-х битные. Надо отметить, что хотя ядро SH-2A не имеет полноценных функций цифровой обработки, наличие умножителя с накоплением результатов (MAC) значительно упрощает обработку данных, повышая тем самым производительность. Для увеличения скорости обработки данных во многих микросхемах с ядром SH-2A встроен модуль обработки чисел с плавающей точкой (FPU), что в свою очередь также увеличивает общую производительность. Улучшение произошло и при обработке прерываний. Время перехода к программе обработки прерывания происходит за 6 циклов ЦПУ против 37 в SH-2. Сокращение времени достигнуто посредством объединения 19 основных регистров в банк и автоматического запоминания их в стеке в случае возникновения прерывания.
Наличие в ядре встроенной кэш-памяти увеличивает скорость обработки данных. Встроенный кэш разделен на память данных и команд, и внутри каждая ассоциативно разделена на 4 банка. Глубина каждого банка 128 линий, а в каждой линии ввода помещаются 4х32 информационных бита. Режимы работы, оригинальный алгоритм и дополнительная инструкция упрощают манипуляции с кэш-памятью. Благодаря всем перечисленным достоинствам ядро SH-2A названо супервычислительным. На диаграммах 1, 2, 3 продемонстрировано улучшение характеристик ЦПУ SH-2A в сравнении с SH-2. Высокоэффективный программно-аппаратный комплекс разработки приложений Широкий выбор аппаратных и программных инструментов мирового уровня сделает написание и отладку программного кода устройств и систем эффективной и легкой. В число этих инструментов входят оценочные наборы, среда разработки и отладки ПО, комплект программных инструментов (компилятор, линкер, оптимизатор, ассемблер, конвертер форматов, стандартные библиотеки и др.), симулятор-отладчик, конфигуратор периферийных модулей, эмуляторы-отладчики различного уровня, в том числе реального времени, системные платформы, операционные системы реального времени, программаторы.
Программные средства
Главным звеном в разработке программного обеспечения микроконтроллеров является High-performance Embedded Workshop (HEW) (рис. 8) - высокоэффективная среда разработки ПО (IDE), универсальная для всех микроконтроллеров компании Renesas Technology. Она представляет собой графическую среду для разработки программного обеспечения с пакетом компилятора С/С++, имеющую типичный для программ такого рода интерфейс. Все элементы интерфейса среды HEW, такие как различные оконные меню, панели инструментов, строки состояния, связанные окна и контекстные локальные меню, направлены на облегчение действий по созданию и управлению проектами программного обеспечения конечной продукции. Среда разработки ПО HEW имеет следующие возможности:
В среде HEW имеется интегрированный симулятор с расширенными возможностями, который позволит вам отлаживать код приложения даже при отсутствии соответствующих аппаратных средств. Помимо этого, сборка инструментальных средств компилятора С/С++, подключаемая к HEW, позволяет генерировать код, оптимизированный по скорости выполнения и/или по объему занимаемой памяти. Единообразный интерфейс — различные функции Вы можете быстро освоить мощные инструменты, необходимые для создания программы. Не последнюю роль в этом играет удобное управление этими инструментами. Более того, эффективность вашей работы увеличивается за счет использования единообразного интерфейса, который имеет один и тот же вид для всех микроконтроллеров и микропроцессоров компании Renesas. Причем, интерфейс можно настроить таким образом, чтобы сформировать среду, наиболее удобную для разработки конкретного приложения. «Мастера» упрощают выполнение начальных этапов Вы можете очень быстро приступить к написанию программы, воспользовавшись преимуществом «мастеров» Генератора проекта (рис. 9), находящегося в составе среды HEW. Воспользуйтесь их помощью в задании конфигурации, выборе объектов отладки и создании стартового кода. Новые функции, помогающие оптимизировать код программы Встроенный симулятор/отладчик имеет специальные возможности и окна для исследования кода программы, полученного в результате компиляции:
Вспомогательные инструментальные средства анализа помогут разобраться в функционировании и структуре вашей программы:
Инструментальные средства Renesas (компилятор, ассемблер и компоновщик) полностью поддерживают спецификацию языка C++ и имеют обратную совместимость с языком Cи. В них реализованы расширения, позволяющие осуществлять полноценное управление встраиваемой системой средствами самого языка C, без использования ассемблерных вставок. К этим расширениям относятся:
Оптимизирующий компоновщик формирует код, который включает в себя только действительно используемые блоки, выполняя глобальную оптимизацию всего приложения. Бесплатная ознакомительная версия пакета HEW Гибкая методика лицензирования, установленная компанией Renesas в отношении своей продукции, означает, что вы можете загрузить бесплатную ознакомительную версию пакета HEW с компилятором и использовать ее без ограничений в течение 60 дней. Такая возможность очень полезна для тестирования эффективности сгенерированного компилятором оптимизированного кода, и производительности архитектуры. По истечении этого срока размер генерируемого кода ограничивается величиной 64 Кбайт, что, тем не менее, не мешает исследовать архитектуру микроконтроллеров или экспериментировать с периферийными устройствами. Ознакомительная версия среды HEW отличается от полной версии только ограничением размера компилируемого кода. Поэтому возможна генерация полноценного кода для устройств построенных на базе младших моделей микроконтроллеров (с меньшим, чем 64 Кб объёмом ПЗУ). Интегрированные средства отладки пакета HEW
Поддержка отладки модульных объектов обеспечивается непосредственно самой средой HEW, благодаря чему вы можете создавать свое приложение и отлаживать его, не покидая среды. «Мастер» отладочной сессии легко позволяет добавлять новые объекты отладки в рабочую среду:
Программа Flash Development Toolkit (FDT) компании Renesas является простой в использовании утилитой для программирования встроенной Flash-памяти микроконтроллеров семейства H8. Вы можете создавать проекты, объединяющие нескольких файлов, содержащих s-записи, в один загружаемый образ, а также сохранять параметры соединения для облегчения управления процессом программирования устройств. FDT поддерживает:
Аппаратные средства Аппаратные средства выпускаются в различных ценовых категориях, начиная с недорогих, бюджетных отладочных комплектов и стартовых наборов RSK (Renesas Starter Kit). Отладочные комплекты
Отладочные комплекты и наборы (рис. 11) представляют собой недорогой вариант оценки характеристик микроконтроллеров. В составе каждого комплекта имеется собранная макетная плата и компакт-диск, который содержит:
На компакт-диске также содержится руководство по быстрому старту, подробно описывающее процесс инсталляции ПО, полный комплект документации с учебными проектами и учебным программным модулем «Project Generator» для среды HEW. Внутрисхемные эмуляторы E8 и E10A-USB
Эмуляторы E8 (рис. 10) и E10A-USB (рис. 12) предназначены для подключения к отладочному интерфейсу JTAG. Эти недорогие устройства обеспечивают отладку в реальном времени, используя специальные ресурсы самого микроконтроллера в отлаживаемом устройстве. Эмуляторы соединяются с пользовательской системой по интерфейсу, который может использоваться как для её отладки, так и для программирования расположенной на кристалле микроконтроллера Flash памяти. В эмуляторах E8 и E10A-USB используется интерфейс USB 2.0 с функцией plug-and-play, что позволяет легко подключать их к любому ПК или ноутбуку, имеющему интерфейс USB. Основные возможности эмуляторов:
Серия инструментов E6000 (рис 11) компании Renesas содержит множество развитых внутрисхемных эмуляторов реального времени, каждый из которых поддерживает одно из процессорных семейств. Эти эмуляторы можно использовать в полностью автономном режиме для разработки и отладки программного обеспечения или же, подключив их с помощью специального кабеля к разрабатываемому устройству, для отладки аппаратной части. Эти мощные отладочные средства обеспечивают:
Заключение Архитектура SuperH не только востребована у мировых производителей электроники, но в некоторых областях является стандартом де-факто. В частности, чипы семейства SH-Mobile использованы в более 200 моделях мобильных телефонов, а на базе МП SH-4 и SH-4A построена большая часть автомобильных навигационных систем. Так же как и старшие семейства, SH-2 и SH-2A активно используются в различных устройствах и системах, например в бытовой технике, системах вентиляции и кондиционирования и т. п. А с появлением более дешевых микросхем линейки SH-Tiny интерес к семейству SuperH заметно возрос. Высокая производительность, хороший объём памяти, отличный набор периферии и развитые коммуникационные возможности делают эти микроконтроллеры незаменимыми не только в бытовых системах и офисном оснащении, но и в промышленных системах для управления производственными процессами. Хорошие коммуникации позволяют использовать микросхемы с архитектурой SuperH в системах проводной связи, например в телефонии, и локальных компьютерных сетях. Если вы заинтересовались продукцией компании Renesas Technology и не получили достаточно информации, посетите пожалуйста сайт Дмитрий Колганов  Главная - Микросхемы - DOC - ЖКИ - Источники питания - Электромеханика - Интерфейсы - Программы - Применения - Статьи |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
