Шумахер У. Полупроводниковая электроника

16

16

8

16

16

8

XTAL

CAN_RxD

P4.5/

CAN_TxD

P4.6/

16

6

6

XTAL

4

ЦПУ

8

8

Порт 4

Порт 6

16

16

8

XTAL

16

7.4.Архитектура 32-битных микроконтроллеров TriCore

Архитектура TriCore является первым примером комбинированной архитектуры микроконтроллер/DSP, оптимизированной для построения интегрированных систем реального времени. Она сочетает в себе выдающиеся характеристики сразу трёх различных устройств: эффективность обработки сигналов DSP-контроллера, быстро-

действие микроконтроллера реального времени и вычислительную мощность RISCархитектуры (которая, в данном случае, и является базовой). Таким образом, использование архитектуры TriCore обеспечивает великолепное соотношение цена/производительность, поскольку в микроконтроллере интегрировано большое количество различных функциональных блоков и для построения микроконтроллерной системы потребуется задействовать меньшее число

Команды работы с битовыми полями, логические команды для битовых переменных, команды сравнения, команды ветвления

Команды умножительно-аккумуляторного блока (MAC), математика с насыщением, режимы DSP-адресации, SIMD-инструкции для арифметических операций

с данными в упакованном формате

Операции над переменными с плавающей точкой

арифметические,

ветвления

модулей. Микроконтроллеры данного семейства содержат оптимальный набор высокопроизводительных периферийных устройств, что позволяет использовать их для решения широкого спектра задач (обеспечение безопасности и контроль динамических характеристик автомобиля, управление трансмиссией, построение информацион- но-развлекательных систем, управление кузовной электроникой и системами обеспечения комфорта, и т.д.). На Рис. 7.35 показана общая концепция построения микроконтроллеров семейства TriCore.

Архитектура набора команд (Instruction Set Architecture — ISA) поддерживает общее линейное адресное пространство с памятьориентированным вводом/выводом. Процессорное ядро работает в суперскалярном режиме, т.е. оно может исполнять одновременно до трёх команд и до четырёх операций. Более того, ISA может работать в сочетании с системами различной архитектуры, в том числе и с многопроцессорными системами. Столь высокая толерантность к используемой аппаратной платформе и системному уровню программного обеспечения позволяет создавать микроконтроллеры с различным сочетанием цена/производительность, в зависимости от конкретных требований пользователя.

Микроконтроллер TriCore поддерживает смешанный 16- и 32-битный набор команд. Команды различной длины могут использоваться совместно без изменения режима работы, что позволяет значительно уменьшить среднюю длину программ и даже несколько ускорить их исполнение. При этом уменьшаются стоимость системы, уровень её энергопотребления и снижаются требования к доступному объёму памяти программ.

Эффективность микроконтроллера при работе в режиме реального времени, в основном, определяется длительностями задержек обработки прерываний и скоростью переключения контекста. С этой точки зрения высокопроизводительная архитектура TriCore обеспечивает минимальное время реакции на внешние события благодаря отсутствию длинных команд, исполнение которых занимает большое количество машинных циклов, а также наличию аппарат- но-ориентированной системы обработки прерываний. Кроме того, поддерживается быстрое контекстное переключение.

Подробное описание архитектуры TriCore с полным набором команд содержится в документе «TriCore Architecture Manual».

7.4.1.Отличительные особенности архитектуры TriCore

Ниже перечислены основные отличительные особенности архитектуры TriCore:

32-битная архитектура;

единое (4 Гбайт) адресное пространство памяти данных, памяти программ и портов ввода/вывода;

16/32-битные команды, использование которых позволяет уменьшить размер программного кода;

малое время реакции на прерывание;

быстрое автоматическое аппаратное переключение программного контекста;

блок умножителя-аккумулятора;

поддержка целочисленной арифметики с насыщением;

операции с битовыми переменными и обращение к ним поддерживаются как на уровне архитектуры, так и системой команд;

7.4.3. Типы данных

Система команд TriCore поддерживает операции с логическими (булевыми) переменными, битовыми последовательностями, символами, числами с фиксированной точкой, адресами, знаковыми и беззнаковыми целыми числами, а также с числами с плавающей точкой одинарной точности.

Б=ольшая часть команд поддерживает работу только с определёнными типами данных, однако некоторые команды могут работать с различными типами данных.

7.4.4. Режимы адресации

Режимы адресации позволяют обеспечивать эффективный доступ к элементарным блокам данных внутри таких структур данных, как записи, массивы с прямым или последовательным доступом, стеки и циклические буферы. Длина элементарных блоков данных может составлять 1, 8, 16, 32 или 64 бит.

Режимы адресации также обеспечивают эффективную компиляцию программ, написанных на языке С, лёгкий доступ к регистрам периферийных устройств или эффективное использование стандартных для DSP структур данных (DSP-режимы адресации, например циклические буферы для фильтров и адресация с инвертированием битов адреса для реализации функции БПФ). Архитектурой TriCore поддерживаются следующие семь режимов адресации:

абсолютная;

базовый адрес + короткое смещение;

базовый адрес + длинное смещение;

предварительное инкрементирование или предварительное декрементирование;

адресация с последующим инкрементированием и адресация с последующим декрементированием;

циклическая;

с инвертированием битов адреса.

7.4.5. Форматы команд

Архитектура TriCore поддерживает как 16-битные, так и 32-битные форматы команд. По умолчанию все команды имеют 32-битный формат; 16-битные команды представляют собой подмножество наиболее часто используемых команд. Их реализация в 16-битном формате позволяет

уменьшить объём программного кода. Команды выбираются компилятором и могут исполняться параллельно; при этом не требуется изменения режима работы.

7.4.6. Задачи и контекст

В данной книге термин «задача» используется для обозначения независимой процедуры управления.

Можно выделить два типа задач: программно управляемые пользовательские задачи (SMT) и процедуры обработки прерываний (ISR). Первые порождаются службами ядра реального времени или операционной системы и выполняются под управлением программы-диспетчера. ISR-процеду- ры обслуживаются по аппаратным запросам как ответ на прерывание. В данной архитектуре ISR относятся только к программному коду, который запускается на исполнение непосредственно аппаратной частью. Программно управляемые задачи иногда называют также пользовательскими задачами, поскольку они запускаются в пользовательском режиме.

Каждой задаче может быть присвоен её собственный уровень авторизации. Эти индивидуальные права обычно включаются/отключаются установкой соответствующих битов в регистре PSW (слово состояния программы) через соответствующие выводы порта ввода/вывода. Ассоциированный с каждой из задач набор элементов в совокупности называется контекстом. Термин «контекст» относится ко всем элементам, необходимым процессору для корректного определения состояния соответствующей задачи и для её дальнейшего исполнения. Контекст включает в себя используемые в процессе исполнения задачи регистры общего назначения ЦПУ, счётчика команд (PC) и регистры состояния (PCXI и PSW). В архитектуре TriCore реализовано эффективное управление контекстом задач аппаратными средствами.

Верхний и нижний контекст

Как показано на Рис. 7.37, контекст делится на две части: верхний контекст и нижний контекст.

В состав верхнего контекста входят старшие регистры адреса A10…A15 и старшие регистры данных D8…D15. Эти регистры определены как энергонезависимые с