Blackfin-Prozessor: Architektur, Funktionen und Anwendungen

Der Blackfin-Prozessor wurde von Analog Devices und Intel als Micro Signal Architecture (MSA) entworfen, entwickelt und vermarktet. Die Architektur dieses Prozessors wurde im Dezember 2000 angekündigt und erstmals auf der ESC ( Eingebettete Systeme Konferenz) im Juni 2001. Dieser Blackfin-Prozessor wurde hauptsächlich entwickelt, um die Leistungsbeschränkungen und Rechenanforderungen der derzeitigen eingebetteten Audio-, Video- und Kommunikationsanwendungen zu erfüllen. Dieser Artikel beschreibt einen Überblick über a Blackfin-Prozessor – Architektur und ihre Anwendungen.

Was ist der Blackfin-Prozessor?

Der Blackfin-Prozessor ist ein 16- oder 32-Bit-Prozessor Mikroprozessor Dazu gehört eine integrierte Festkomma-DSP-Funktionalität, die über 16-Bit-MACs bereitgestellt wird (multiplizieren – akkumulieren). Diese Prozessoren wurden hauptsächlich für eine kombinierte Low-Power-Prozessorarchitektur entwickelt, die das Betriebssystem ausführen und gleichzeitig schwierige numerische Aufgaben wie H.264-Videocodierung in Echtzeit bewältigen kann.

Dieser Prozessor kombiniert eine 32-Bit-RISC- und duale 16-Bit-MAC-Signalverarbeitungsfunktionalität, indem er einfach Attribute verwendet, die in Allzweck-Mikrocontrollern zu finden sind. Diese Kombination von Verarbeitungsattributen ermöglicht es Blackfin-Prozessoren, sowohl in Steuerverarbeitungs- als auch in Signalverarbeitungsanwendungen ähnlich gute Ergebnisse zu erzielen. Diese Fähigkeit vereinfacht sowohl die Implementierungsaufgaben des Hardware- als auch des Softwaredesigns erheblich.

Blackfin-Eigenschaften:

• Dieser Prozessor verfügt über eine Single-Instruction-Set-Architektur, einschließlich einer Verarbeitungsleistung, die die Produktpalette von einfach erfüllt/übertrifft digitaler Signalprozessor oder DSP, um eine bessere Kosten-, Leistungs- und Speichereffizienz bereitzustellen.
• Dieser Prozessor mit 16- oder 32-Bit-Architektur ermöglicht einfach kommende eingebettete Anwendungen.
  Multimedia-, Signal- und Steuerungsverarbeitung in einem einzigen Kern.
• Es erhöht die Produktivität von Entwicklern.
• Es verfügt über eine einstellbare Leistung durch dynamisches Energiemanagement für den Stromverbrauch oder die Signalverarbeitung.
• Es wird sehr schnell in verschiedene Designs übernommen, die einfach von mehreren Toolchains sowie Betriebssystemen unterstützt werden.
• Aufgrund der Entwicklungsumgebung aus leistungsstarker Software in Verbindung mit Kernleistung ist nur eine minimale Optimierung erforderlich.
• Der Blackfin-Prozessor unterstützt branchenführende Entwicklungstools.
• Die Leistung dieses Prozessors und die halbe Leistung konkurrierender DSPs ermöglichen erweiterte Spezifikationen und neue Anwendungen.

Blackfin-Prozessorarchitektur

Der Blackfin-Prozessor bietet sowohl die Funktionalitäten einer Mikrocontrollereinheit als auch digitale Signalverarbeitung innerhalb eines einzelnen Prozessors, indem Flexibilität ermöglicht wird. Dieser Prozessor enthält also einen SIMD-Prozessor (Single Instruction Multiple Data) mit einigen Funktionen wie variabler Länge RISIKO Befehle, Watchdog-Timer, On-Chip-PLL, Speicherverwaltungseinheit, Echtzeituhr, serielle Schnittstellen mit 100 Mbit/s, UART Controller & SPI Häfen.

Die MMU unterstützt mehrere DMA Kanäle zum Übertragen von Daten zwischen Peripheriegeräten und FLASH-, SDRAM- und SRAM-Speichersubsystemen. Es unterstützt auch Daten-Caches und konfigurierbare On-Chip-Anweisungen. Der Blackfin-Prozessor ist eine einfache Hardware, die arithmetische Operationen mit 8, 16 und 32 Bit unterstützt.

Die Blackfin-Architektur basiert hauptsächlich auf der Architektur von Mikrosignalen und wurde gemeinsam von ADI (Analog Devices) und Intel entwickelt, die einen 32-Bit-RISC-Befehlssatz und einen 8-Bit-Videobefehlssatz mit dualem 16-Bit-Multiplizieren-Akkumulieren umfasst (MAC) Einheiten.

Analoge Geräte sind in der Lage, durch die Befehlssatzarchitektur von Blackfin ein Gleichgewicht zwischen den DSP- und MCU-Anforderungen zu erreichen. Im Allgemeinen ist der Blackfin-Prozessor mit den leistungsstarken VisualDSP++-Softwareentwicklungstools gekoppelt, aber jetzt ist es durch die Verwendung von C oder C++ möglich, sehr einfach als zuvor hocheffizienten Code zu produzieren. Für Echtzeitanforderungen wird die Unterstützung des Betriebssystems kritisch, daher unterstützt der Blackfin ein Nein. von Betriebssystemen & Speicherschutz. Der Blackfin-Prozessor ist sowohl als Single-Core-Modelle wie BF533, BF535 und BF537 als auch als Dual-Core-Modelle wie BF561 erhältlich.

Die Blackfin-Prozessorarchitektur umfasst verschiedene On-Chip-Peripheriegeräte wie PPI (Parallel Peripheral Interface), SPORTS (Serial Ports), SPI (Serial Peripheral Interface), UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter), Allzweck-Timer, RTC (Real-Time Clock), Watchdog-Timer, Allzweck-E/A (programmierbare Flags), Controller Area Network (CAN)-Schnittstelle , Ethernet MAC, Peripherie-DMAs -12, Speicher-zu-Speicher-DMAs -2 einschließlich Handshake-DMA, TWI (Zwei-Draht-Schnittstelle)-Controller, ein Debug-bzw JTAG Interface & Eventhandler mit 32 Unterbrechen Eingänge. Alle diese Peripheriegeräte in der Architektur sind einfach über verschiedene Busse mit hoher Bandbreite mit dem Kern verbunden. Daher folgt unten eine Beschreibung einiger dieser Peripheriegeräte.

PPI oder Parallel Peripheral Interface

Der Blackfin-Prozessor stellt einfach ein PPI bereit, das auch als Parallel Peripheral Interface bekannt ist. Diese Schnittstelle ist direkt mit parallelen Analog-zu-Digital- und Digital-zu-Analog-Konvertern, Video-Encodern und -Decodern sowie mit anderen Allzweck-Peripheriegeräten verbunden.

Diese Schnittstelle umfasst einen dedizierten Eingangs-CLK-Pin, drei Frame-Synchronisations-Pins und 16 Daten-Pins. Hier unterstützt der Eingangs-CLK-Pin einfach parallele Datenraten gleich der Hälfte der System-CLK-Geschwindigkeit. Drei verschiedene ITU-R 656-Modi unterstützen nur Active Video, Vertical Blanking und Complete Field.

Die Allzweckmodi des PPI sind für eine Vielzahl von Übertragungs- und Datenerfassungsanwendungen geeignet. Daher sind diese Modi in die Hauptkategorien Datenempfang durch intern generierte Frame-Syncs, Datenübertragung durch intern generierte Frame-Syncs, Datenübertragung durch extern generierte Frame-Syncs und Datenempfang durch extern generierte Frame-Syncs unterteilt.

Sport

Der Blackfin-Prozessor enthält zwei synchrone serielle Dual-Channel-Ports SPORT0 und SPORT1, die für die serielle und Multiprozessor-Kommunikation verwendet werden. Dies sind also Hochgeschwindigkeits- und synchrone serielle Ports, die unterstützt werden I²S , TDM und verschiedene andere konfigurierbare Framing-Modi für die Verbindung DACs , ADCs, FPGAs & andere Prozessoren.

SPI oder Serial Peripheral Interface Port

Der Blackfin-Prozessor enthält einen SPI-Port, der es dem Prozessor ermöglicht, mit verschiedenen SPI-kompatiblen Geräten zu kommunizieren. Diese Schnittstelle verwendet einfach drei Pins, um Daten zu übertragen, Datenpins 2 und einen CLK-Pin. Die ausgewählten Eingangs- und Ausgangspins des SPI-Ports ergeben einfach ein Vollduplex-SSI (Synchronous Serial Interface), das sowohl Master- als auch Slave-Modi und auch Multi-Master-Umgebungen unterstützt. Die Baudrate dieses SPI-Ports und die Taktphase oder -polaritäten sind programmierbar. Dieser Port verfügt über einen integrierten DMA-Controller, der das Senden/Empfangen von Datenströmen unterstützt.

Timer

Der Blackfin-Prozessor verfügt über 9 programmierbare Timer-Einheiten. Diese Zeitgeber erzeugen Interrupts für den Prozessorkern, um periodische Ereignisse bereitzustellen, die zur Synchronisation mit dem Taktgeber des Prozessors oder mit einem externen Signalzählwert vorgesehen sind.

UART

Der Begriff UART steht für „Universal Asynchronous Receiver Transmitter“ Port. Der Blackfin-Prozessor bietet 2 Halbduplex-UART-Ports, die für PC-Standard-UARTs vollkommen geeignet sind. Diese Ports bieten einfach eine grundlegende UART-Schnittstelle zu anderen Hosts oder Peripheriegeräten, um DMA-unterstützte, asynchrone, serielle Halbduplex-Datenübertragungen bereitzustellen.

Die UART-Ports enthalten 5 bis 8 Datenbits und 1 oder 2 Stoppbits und unterstützen 2 Betriebsmodi wie programmierte E/A und DMA. Im ersten Modus sendet oder empfängt der Prozessor Daten durch Lesen/Schreiben von E/A-abgebildeten Registern, wobei die Daten sowohl beim Senden als auch beim Empfangen zweimal gepuffert werden. Im zweiten Modus sendet und empfängt der DMA-Controller Daten und verringert die Anzahl von Unterbrechungen, die zum Übertragen von Daten von & zum Speicher erforderlich sind.

RTC oder Echtzeituhr

Die Echtzeituhr des Blackfin-Prozessors bietet einfach verschiedene Funktionen wie Stoppuhr, aktuelle Uhrzeit und Alarm. Die Echtzeituhr wird also mit einem 32,768-kHz-Quarz außerhalb des Blackfin-Prozessors getaktet. Die RTC im Prozessor verfügt über Stromversorgungsstifte, die eingeschaltet und getaktet bleiben können, selbst wenn sich der Rest des Blackfin-Prozessors in einem Zustand mit geringem Stromverbrauch befindet. Die Echtzeituhr bietet eine Reihe von programmierbaren Interrupt-Optionen. Die 32,768-kHz-Eingangs-CLK-Frequenz wird durch einen Prescaler auf ein 1-Hz-Signal heruntergeteilt. Ähnlich wie bei den anderen Geräten kann die Echtzeituhr den Blackfin-Prozessor aus dem Deep-Sleep-Modus/Sleep-Modus aufwecken.

Watchdog-Timer

Der Blackfin-Prozessor verfügt über einen 32-Bit-Watchdog-Timer, der zur Ausführung einer Software-Watchdog-Funktion verwendet wird. Der Programmierer initialisiert also den Zählwert des Timers, der den richtigen Interrupt zulässt, und lässt dann den Timer zu. Danach muss die Software den Zähler neu laden, bevor er vom programmierten Wert auf „0“ zählt.

GPIO oder Allzweck-I/O

Ein GPIO ist ein digitaler Signalstift, der als Eingang, Ausgang oder beides verwendet und über Software gesteuert wird. Der Blackfin-Prozessor enthält GPIO-Pins (Allzweck-E/A), 48 bidirektional über 3 separate GPIO-Module wie PORTFIO, PORTHIO und PORTGIO, die jeweils mit Port G, Port H und Port F verbunden sind. Jeder Allzweck-Port-Pin wird einzeln durch Manipulation des Status, der Portsteuerung und der Interrupt-Register wie GPIO DCR, GPIO CSR, GPIO IMR und GPIO ISR gesteuert.

Ethernet-MAC

Das Ethernet-MAC-Peripheriegerät im Blackfin-Prozessor bietet 10 bis 100 Mb/s zwischen einem MII (Media Independent Interface) und dem Peripherie-Subsystem von Blackfin. Der MAC funktioniert einfach sowohl im Vollduplex- als auch im Halbduplex-Modus. Der Media Access Controller wird intern vom CLKIN-Pin des Prozessors getaktet.

Erinnerung

Der Speicher der Blackfin-Prozessorarchitektur sieht einfach sowohl Level-1- als auch Level-2-Speicherblöcke in der Implementierung des Geräts vor. Der Speicher des L1-ähnlichen Daten- und Befehlsspeichers wird einfach direkt mit dem Prozessorkern verbunden, läuft mit vollständiger System-CLK-Geschwindigkeit und bietet maximale Systemleistung für kritische Zeitalgorithmussegmente. Der L2-Speicher ist wie der SRAM-Speicher größer und bietet eine etwas geringere Leistung, ist jedoch im Vergleich zum Off-Chip-Speicher immer noch schneller.

Die Struktur des L1-Speichers ist implementiert, um die für die Verarbeitung von Signalen erforderliche Leistung bereitzustellen und gleichzeitig Programme in Mikrocontrollern bereitzustellen. Dies wird erreicht, indem einfach zugelassen wird, dass der Speicher L1 als SRAM, Cache oder sonst eine Kombination aus beidem angeordnet ist.

Durch die Unterstützung der Cache- und SRAM-Programmiermodelle weisen die Designer des Systems kritische Echtzeit-Signalverarbeitungsdatensätze, die eine geringe Latenz und eine hohe Bandbreite benötigen, dem SRAM zu, während Echtzeit-Steuerungs- oder Betriebssystemaufgaben im Cache-Speicher gespeichert werden.

Boot-Modi

Der Blackfin-Prozessor enthält sechs Mechanismen zum automatischen Laden des internen L1-Befehlsspeichers nach einem Reset. Zu den verschiedenen Boot-Modi gehören also hauptsächlich: Boot-Modus von 8-Bit- und 16-Bit-externem Flash-Speicher, serieller SPI-Speicher. Das SPI-Hostgerät, UART, der serielle TWI-Speicher, der TWI-Host und die Ausführung aus dem externen 16-Bit-Speicher unter Umgehung der Boot-Serie. Für jeden der ersten 6 Boot-Modi wird zuerst ein 10-Byte-Header von einem externen Speichergerät gelesen. Der Header zeigt also die Nr. der zu übertragenden Bytes und der Speicherzieladresse. Mehrere Speicherblöcke können durch jede Boot-Serie geladen werden. Wenn alle Blöcke einfach geladen sind, beginnt die Programmausführung am Anfang des L1-Befehls-SRAM.

Adressierungsmodi

Die Adressierungsmodi des Blackfin-Prozessors bestimmen einfach, wie ein individueller Zugriffsspeicher und eine Adressierung einen Ort spezifizieren sollen. Die im Blackfin-Prozessor verwendeten Adressierungsmodi sind indirekte Adressierung, automatisches Inkrementieren/Dekrementieren, nachträgliches Modifizieren, indiziert mit sofortigem Offset, Ringpuffer und Bitumkehrung.

Indirekte Adressierung

In diesem Modus enthält das Adressfeld innerhalb des Befehls den Ort des Speichers oder Registers, wo immer die Adresse des effizienten Operanden vorhanden ist. Diese Adressierung wird in zwei Kategorien eingeteilt, wie Register Indirect & Memory Indirect.

Zum Beispiel LADEN R1, @300

In der obigen Anweisung wird die effektive Adresse einfach am Speicherplatz 300 gespeichert.

Autoinkrement/Dekrement-Adressierung

Die Auto-Inkrement-Adressierung aktualisiert einfach den Zeiger sowie die Indexregister nach dem Recht auf Eintrag. Die Größe des Inkrements hängt hauptsächlich von der Größe der Wortgröße ab. 32-Bit-Wortzugriffe können innerhalb des Pointer-Updates mit „4“ resultieren. Ein 16-Bit-Wortzugriff aktualisiert den Zeiger mit „2“ und ein 8-Bit-Wortzugriff aktualisiert den Zeiger mit „1“. Die Leseoperationen von sowohl 8-Bit als auch 16-Bit können entweder Null-Erweitern/Vorzeichen-Erweitern der Inhalte in das Zielregister anzeigen. Zeigerregister werden hauptsächlich für 8-, 16- und 32-Bit-Zugriffe verwendet, während Indexregister nur für 16- und 32-Bit-Zugriffe verwendet werden

Zum Beispiel: R0 = W [ P1++ ] (Z) ;

In der obigen Anweisung wird ein 16-Bit-Wort in ein 32-Bit-Zielregister von einer Adresse, auf die verwiesen wird, über das Pointer-Register „P1“ geladen. Danach wird der Pointer um 2 erhöht und das Wort um '0' erweitert, um das 32-Bit-Zielregister zu füllen.

In ähnlicher Weise funktioniert die automatische Verringerung, indem die Adresse nach dem Recht auf Eingabe verringert wird.

Zum Beispiel: R0 = [ I2– ] ;

In der obigen Anweisung wird ein 32-Bit-Wert in das Zielregister geladen und das Indexregister um 4 reduziert.

Adressierung nachträglich ändern

Diese Art der Adressierung verwendet einfach den Wert in den Index/Pointer-Registern wie die effiziente Adresse. Danach modifiziert es es mit Registerinhalten. Indexregister werden einfach mit modifizierten Registern geändert, während Zeigerregister durch andere Zeigerregister geändert werden. Wie bei Zielregistern unterstützt die Post-Modify-Adressierung die Pointer-Register nicht.

Zum Beispiel: R3 = [ P1++P2 ] ;

In der obigen Anweisung wird ein 32-Bit-Wert in das „R3“-Register geladen und innerhalb der Speicherstelle gefunden, auf die das „P1“-Register zeigt. Danach wird der Wert im „P2“-Register zum Wert im P1-Register addiert.

Indiziert mit sofortigem Offset

Die indizierte Adressierung erlaubt es Programmen einfach, Werte aus Datentabellen zu erhalten. Das Pointer-Register wird durch das unmittelbare Feld geändert, danach wird es als effektive Adresse verwendet. Der Wert des Pointer-Registers wird also nicht aktualisiert.

Wenn beispielsweise P1 = 0x13 ist, dann wäre [P1 + 0x11] effizient äquivalent zu [0x24], was allen Zugriffen zugeordnet ist.

Bit-Reverse-Adressierung

Für einige Algorithmen erfordern Programme eine bitumgekehrte Übertragsadressierung, um Ergebnisse in sequentieller Reihenfolge zu erhalten, insbesondere für FFT-Berechnungen (Fast Fourier Transform). Um die Anforderungen dieser Algorithmen zu erfüllen, ermöglicht die bitumgekehrte Adressierungsfunktion von Datenadressgeneratoren wiederholt das Unterteilen von Datenreihen und das Speichern dieser Daten in bitumgekehrter Reihenfolge.

Zirkuläre Pufferadressierung

Der Blackfin-Prozessor bietet eine Funktion wie die optionale Zirkularadressierung, die einfach ein Indexregister um einen vordefinierten Adressbereich erhöht und danach die Indexregister automatisch zurücksetzt, um diesen Bereich zu wiederholen. Dieses Merkmal verbessert also die Leistung der Eingabe-/Ausgabeschleife, indem einfach jedes Mal der Adressindexzeiger entfernt wird.

Die Ringpufferadressierung ist sehr nützlich, wenn wiederholt eine Folge von Datenblöcken fester Größe geladen oder gespeichert wird. Der Inhalt des Ringpuffers muss diese Bedingungen erfüllen:

• Die maximale Länge des Ringpuffers sollte eine vorzeichenlose Zahl mit einer Größenordnung unter 231 sein.
• Die Größe des Modifikators muss unter der Länge des Ringpuffers liegen.
• Die erste Position des Zeigers „I“ muss sich im Ringpuffer befinden, der durch die Länge „L“ und die Basis „B“ definiert ist.

Wenn eine der obigen Bedingungen nicht erfüllt ist, wird das Verhalten des Prozessors nicht spezifiziert.

Registerdatei des Blackfin-Prozessors

Der Blackfin-Prozessor enthält drei endgültige Registerdateien wie; Datenregisterdatei, Zeigerregisterdatei und DAG-Register.

• Die Datenregisterdatei sammelt Operanden unter Verwendung der Datenbusse, die für die Recheneinheiten verwendet werden, und speichert Rechenergebnisse.
• Die Zeigerregisterdatei enthält Zeiger, die für Adressierungsoperationen verwendet werden.
• Die DAG-Register verwalten Ringpuffer ohne Overhead, die für DSP-Operationen verwendet werden.

Der Blackfin-Prozessor bietet erstklassige Energieverwaltung und Leistung. Diese wurden mit einer Niedrigspannungs- und Niedrigleistungs-Designmethodik entwickelt, die in der Lage ist, sowohl die Spannung als auch die Betriebsfrequenz zu variieren, um den Gesamtstromverbrauch erheblich zu reduzieren. Dies kann also zu einer erheblichen Verringerung der Leistungsnutzung führen, verglichen mit einer bloßen Änderung der Betriebsfrequenz. Dies ermöglicht einfach eine längere Akkulaufzeit für handliche Geräte.

Der Blackfin-Prozessor unterstützt verschiedene externe Speicher wie DDR-SDRAM, SDRAM, NAND-Flash, SRAM und NOR-Flash. Einige Blackfin-Prozessoren umfassen auch Massenspeicherschnittstellen wie SD/SDIO und ATAPI. Sie können auch 100 Megabyte Speicher im Bereich des externen Speichers unterstützen.

Vorteile

Das Vorteile des Blackfin-Prozessors füge folgendes hinzu.

• Blackfin-Prozessoren bieten dem Designer des Systems grundlegende Vorteile.
• Der Blackfin-Prozessor bietet Softwareflexibilität sowie Skalierbarkeit für konvergente Anwendungen wie Audio-, Video-, Sprach- und Bildverarbeitung in Multiformat, Echtzeitsicherheit, Steuerungsverarbeitung und Multimode-Basisbandpaketverarbeitung
• Die effiziente Steuerungsverarbeitungskapazität und die leistungsstarke Signalverarbeitung ermöglichen verschiedene neue Märkte und Anwendungen.
• DPM (Dynamic Power Management) ermöglicht es dem Systemdesigner, die Leistungsaufnahme des Geräts gezielt an die Anforderungen des Endsystems anzupassen.
• Diese Prozessoren reduzieren die Entwicklungszeit und -kosten erheblich.

Anwendungen

Das Anwendungen des Blackfin-Prozessors füge folgendes hinzu.

• Blackfin-Prozessoren sind ideal für viele Anwendungen wie z ADAS (Automotive Fahrerassistenzsysteme) , Überwachungs- oder Sicherheitssysteme und industrielle Bildverarbeitung.
• Blackfin-Anwendungen umfassen Servomotor-Steuerungssysteme, Automobilelektronik, Überwachungssysteme und Multimedia-Verbrauchergeräte.
• Diese Prozessoren führen einfach Mikrocontroller- und Signalverarbeitungsfunktionen aus.
• Diese werden für Audio, Prozesssteuerung, Automotive, Tests, Messungen usw. verwendet.
• Die Blackfin-Prozessoren werden in Signalverarbeitungsanwendungen wie drahtlosen Breitband-, Mobilkommunikations- und audio- oder videofähigen Internetanwendungen eingesetzt.
• Blackfin wird in konvergenten Anwendungen wie vernetzten und Streaming-Medien, digitaler Heimunterhaltung, Fahrzeugtelematik, Infotainment, mobilem Fernsehen, digitalem Radio usw. verwendet.
• Der Blackfin-Prozessor ist ein eingebetteter Prozessor, der über die Energieeffizienz und höchste Leistung verfügt, die in Anwendungen verwendet werden, bei denen Multiformat-Sprache, Audio, Video, Multimode-Basisband, Bildverarbeitung, Paketverarbeitung, Echtzeitsicherheit und Steuerungsverarbeitung von Bedeutung sind.

Das ist also eine Übersicht über Blackfin Processor – Architektur, Vorteile & ihre Anwendungen. Dieser Prozessor führt Signalverarbeitungs- und Mikrocontrollerfunktionen aus. Hier ist eine Frage an Sie, was ist ein Prozessor?