- •«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
- •«Встроенные микропроцессорные системы»
- •Составитель о.В. Гончаровский
- •Оглавление
- •2. Программное обеспечение встроенных систем ……….
- •Введение
- •Аппаратные средства встроенных систем
- •Организация аппаратных средств встроенных
- •1.2. Элементы архитектуры процессоров встроенных систем
- •1.2.1. Множество команд
- •1.2.3.1. Адресное пространство
- •1.2.3.2. Порядок байт
- •1. 2.3.3. Когерентность памяти
- •1. 2.3.4. Защита памяти
- •1. 2. 4. Модель прерываний
- •1.2. 5.Модель управления памятью
- •1.2.5.1. Страничная организация памяти
- •1.2.5.2. Сегментация памяти
- •1.3. Типы процессоров
- •1.4. Формы параллелизма в процессорах
- •1.4.1. Конвейеризация
- •1.4.2. Параллелизм уровня команд
- •1.5.Технологии памяти
- •1.5.1. Оперативная память
- •1.5.1. 1. Статическое озу
- •1.5.2. Постоянное запоминающее устройство (rom)
- •1.6. Иерархия памяти
- •1.6.1. Распределение или карта памяти
- •1.6.2. Блокнотная и кэш память
- •1.6.2.2. Ассоциативная по множеству кэш-память
- •1.6.2.3. Обновление кэш-памяти.
- •1.6.2.4. Протокол когерентности кэширования с обратной записью
- •1.7. Магистраль микропроцессорной системы
- •1.8. Базовые устройства ввода-вывода встроенных систем
- •1.8.1. Порты ввода-вывода общего назначения
- •1.7.2. Таймер-счетчик
- •1.8.3. Импульсно-кодовая модуляция.
- •1.8.4. Многоканальный аналого-цифровой преобразователь
- •1.9. Базовые последовательные интерфейсы ввода-вывода
- •1.9.2. Последовательный интерфейс spi
- •1.9.4.1. Введение в usb
- •1.9.4.2. Интерфейс Open Host Controller для usb
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 2
- •1.10. Язык проектирования аппаратуры vhdl
- •1.10.2. Введение в vhdl
- •1.10.2.1. Программирование на vhdl для моделирования и синтеза [22]
- •1.10.2.3. Операторы присваивание и process [22]
- •1.10.2.4. Цикл моделирования vhdl
- •1.10.2.5. Многозначная логика и стандарт ieee 1164
- •1.11. Проектирование устройств ввода-вывода и контроллеров
- •1.12. Интегрированная среда разработки аппаратных средств
- •Вопросы для самопроверки
- •Модуль 3
- •2. Программное обеспечение встроенных систем
- •2.1 Модель вычислений
- •2.2 Автомат с конечным числом состояний
- •2.3. Асинхронный язык проектирования sdl
- •2.4. Синхронный язык проектирования Lustre
- •2.5. Многозадачность.
- •2.5.1. Язык программирования Си
- •2.5.2. Потоки
- •2.5.2.1. Реализация потоков
- •2.5.2.2. Взаимное исключение
- •2.5.2.3. Взаимная блокировка
- •2.5.2.4. Модели непротиворечивости памяти
- •2.5.2.5. Проблемы с потоками
- •2.5.3. Процессы и передача сообщений
- •2.6. Интегрированная среда разработки прикладного программного
- •2.6.2. Комплект программ Telelogic Tau sdl Suite
- •2.6.3. Средства разработки программного обеспечения
- •2.7.1. Моделирование, эмуляция и макетирование
- •2.7.2. Формальная верификация
- •2.7.3. Оценка производительности
- •2.7.3.1. Оценка wcet
- •2.7.3.2. Исчисление реального времени
- •2.7.4. Модели энергии и мощности
- •2.7.5. Тепловая модель
- •Задания
- •1. Конвейеризация
- •2. Иерархия памяти
- •3. Базовые устройства ввода-вывода встроенных систем
- •5. Многозадачность
- •6. Валидация и оценка проекта
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Встроенные микропроцессорные системы
2.7.4. Модели энергии и мощности
Модели энергии и модели мощности необходимы для оценки соответствующих технических требований. Обе модели тесно связаны, как следует из выражения: E =integral(P*dt), где E – энергия, а P – мощность. Эти модели необходимы для оптимизации, нацеленной на снижение потребления энергии и мощности. Они также необходимы для оптимизации, нацеленной на уменьшить температуру при работе системы.
Первая модель мощности была предложена в [44]. Она опирается на результаты измерения в реальной системе. Измеренная величина затем ассоциируется с выполненными командами. Модель включает так называемые базовые затраты и меж-командные затраты. Базовые затраты команды соответствуют потребляемой энергии из расчёта на команду при выполнении бесконечной последовательности экземпляров такой команды. Меж-командные затраты моделируют дополнительно потребляемую энергию процессором при переключении на выполнение другой команды. Дополнительная энергия потребляется, например, из-за переключения функциональных узлов между “включено” и “выключено”. Эта модель мощности фокусируется на потреблении процессора и не рассматривает потребляемую мощность памятью или другими частями системы.
В [45] предложена другая модель. Она базируется на документах, представляющих технические данные (data sheets) компонент. Преимущество этого подхода в том, что при подсчете потребляемой мощности учитывается вклад всех компонент встроенной системы. Однако информация в технической документации о средних значениях величин может быть менее точной, чем информация о максимальных и минимальных значениях.
Следующая модель включает детальный анализ эффекта конвейера. Однако, она не учитывает операции с многими циклами и конвейерные пузыри.
Другая модель основывается на точных измерениях с использованием реальной аппаратуры. Учитывается потребление процессора и памяти. Эта модель была интегрирована в компилятор энергии.
Еще одна оценка потребляемой мощности микропроцессорной системы выполняется на основе знаний уровня архитектуры без привлечения детальной информации на уровне электрической схемы или схемы размещения.
Рассмотрение приведенных и других моделей приводит к следующему заключению, что для некоторой реальной существующей аппаратуры может быть построена точная модель без излишних усилий. Однако в процессе проектирования такая аппаратура недоступна и результирующая модель мощности может оказаться неточной
2.7.5. Тепловая модель
Стремление к высокой производительности встроенных систем увеличил шансы компонент разогреться во время работы. Температура различных компонент встроенных систем может иметь серьезное воздействие на их удобство в эксплуатации. В наихудшем случае перегрев компонент может привести к поломке системы. Например, это может вызвать пожар. Перегретые компоненты приводят к тому, что встроенная система сама себя приводит к неисправному состоянию. Однако горячие компоненты могут также привести к другим последствиям – отсутствию немедленных отказов. Например, время жизни системы просто может быть укорочено иногда раньше других факторов.
Тепловое поведение встроенных систем тесно связано с преобразованием электрической энергии в тепловую энергию. Следовательно, тепловая модель обычно связана с моделью энергии. Тепловая модель базируется на законах физики. Теплопроводность есть ключевая величина, рассматриваемая в тепловой модели. Теплопроводность определенного материала отражает количество тепла передаваемого через покрытие из этого материала площадью A и толщиной L, когда температура на противоположной стороне отличается на один Кельвин. Обратную величину называют тепловым сопротивлением. Для плотно контактирующих покрытий эффективное общее тепловое сопротивление является суммой их индивидуальных тепловых сопротивлений. Это означает, что тепловое сопротивление суммируется как и электрическое сопротивление в электрических цепях. Это соответствие также распространяется массу аккумулированного тепла: масса соответствует емкости в электрических цепях. В результате тепловое моделирование обычно использует эквивалентную электрическую модель и использует хорошо известные приемы для решения уравнений электрических цепей (например, [46]).